2 芯片工作流程分析

　　專用SoC芯片在其整個生命周期中，總處于某種特定的安全狀態。基于芯片運行時的安全策略，結合狀態位與控制參數設置，專用SoC芯片的狀態轉移流程如圖1所示。

　　圖1 芯片狀態轉移流程圖

　　在上圖中，S．n表示STATE的第n位，S’．n表示STATE’的第n位（位于LEVEL1中），0．n表示0TP的第n位。高電平表示對應條件成立，低電平表示對應條件不成立。

　　2．1 狀態轉移約束條件

　　專用SoC芯片按照其工作流程共有16種不同的狀態轉移路徑，限于篇幅在此只介紹其中的一種狀態轉移路徑。為簡化書寫記A=TDESENC（KEY_TDES，DATA_T），B=RSAENC（PUB EK，DATA R）。

　　當專用SoC芯片從ST3狀態通過ST6狀態轉移到ST9狀態時，應滿足如下約束條件：

　　在正常啟動時，芯片系統由ST3經過上電白檢，完成對1層代碼與數據、2層代碼與數據的完整性驗證。置位STATE．6，通過層次跳轉命令，進入ST6，進而在ST6下，通過判斷STATE’．6是否有效，決定可否進入ST9。在ST6下，也可通過功能調用命令進入ST9，執行部分2層代碼的功能，并在執行完成后，正確返回到ST6。

　　2．2 專用SoC芯片的工作流程

　　①在開發商初次獲得芯片后，系統處于初始狀態ST1。加電后，系統首先對自身O層代碼和數據區進行完整性檢驗，調用各功能模塊IP核進行自檢，若白檢正確，則芯片可繼續完成傳輸過程安全認證命令的接收與執行，否則置位OTP．4，芯片系統進入鎖死狀態，不提供任何功能服務。

　　②當OTP．1=0時，芯片系統僅允許傳輸過程安全認證命令的輸入與執行。開發商通過傳輸安全認證命令，在允許的認證次數范圍內，對芯片的真實性進行認證。若認證正確，芯片由初始狀態ST1轉移至使能狀態ST2，并置位芯片使能標識OTP．1，等待用戶創建命令的輸入。若芯片真實性認證錯誤，芯片系統保持在初始狀態。當認證次數超出允許次數時，OTP．6被置位，芯片被鎖死。

　　③當OTP．1=1時，芯片系統僅允許用戶創建命令的輸入與執行。初次啟動時，開發商通過用戶創建命令，完成AIK與USER_AUTH的創建。用戶創建完成后，置位OTP．O與STATE．2，進入芯片激活狀態ST3。在允許的認證次數范圍內，若用戶創建失敗，芯片保持在ST2。當 STAT-E.1=1 時，開發商可以通過用戶創建命令，更新AIK和USER_AUTH，完成用戶身份的重建。當認證次數超出允許范圍時，0TP．5被置位，芯片被鎖死。

　　④當OTP．O=1時，開發商可以獲得低層代碼和系統資源所提供的服務功能，如SHA1雜湊值計算、對稱數據加解密、RSA數據簽名與認證、以及隨機數生成等一系列密碼服務功能等。當需要對芯片系統進行1層代碼下載時，用戶輸入代碼下載命令，芯片系統首先驗證下載命令發起者身份，若身份驗證正確，置位 STATE．7，進入ST4。

　　⑤當STATE．7=1時，芯片在下載控制程序控制下，將1層代碼下載到對應存儲器COS區。系統調用SHA1模塊度量下載代碼的完整性，存儲于 LELVE0存儲器的PCR2中，并與輸入的完整性信息進行對比驗證。若完整性驗證通過，置位STATE．6，并復位STATE．7，進入ST5，否則返回ST3。此外，因突發因素導致下載過程中斷，也會使芯片系統返回ST3。在系統返回ST3時，復位STATE．7。

　　⑥當STATE．6=1時，通過層次跳轉命令，芯片系統進入ST6，用戶可以獲得1層代碼的相應功能。由ST6返回到ST3只有斷電或者系統復位兩種方式。

　　⑦在1層代碼運行狀態下，若需要進行2層代碼下載，則用戶輸入符合1層代碼編碼格式的代碼下載命令。1層代碼驗證下載命令發起者身份，驗證通過后，置位STATE’．7，進入ST7。若不需要代碼下載，則在ST6運行。

　　⑧完成2層代碼下載過程同⑤，對2層代碼進行完整性度量與驗證，若驗證通過，置位STATE’．6，進入ST8，否則返回ST6。

　　⑨通過層次跳轉命令或功能調用命令，芯片系統可進入ST9，獲得2層代碼相應功能。當采用層次跳轉命令進入ST9時，芯片系統保持在ST9狀態，僅能夠通過系統復位，返回ST3。當采用功能調用命令進入ST9時，只能執行2層代碼中部分功能且執行完畢后，將返回到ST6狀態。

　　3 專用SoC芯片安全性分析

　　3．1 攻擊防護分析

　　在芯片的硬件安全結構設計中，篡改響應機制能夠對既定攻擊模型中的物理攻擊進行安全防護；結合安全邏輯模塊中的越界檢測部件，信息交互機制能夠防止攻擊者對芯片的緩沖區溢出攻擊；此外，信息交互機制還能夠對語義攻擊、字典攻擊以及重放攻擊進行防護；芯片系統的單向分級啟動模式、以及代碼下載時的身份認證，各安全級別之間的“防火墻”設計，使得芯片系統能夠抵抗惡意代碼的攻擊。

　　3．2 工作過程安全性分析

　　①代碼的可信性：首先，由于制造商被無條件信任，芯片在出廠初始狀態真實可信，因而內嵌代碼是可信的。在經過傳輸過程被開發商獲得后，芯片的使用需要通過對芯片的傳輸過程進行驗證，在驗證正確后，芯片的來源被確認，此時，內嵌代碼保持了其可信性。以內嵌代碼為可信基，在對1層代碼與2層代碼進行下載時，均需要認證下載命令發起者的身份。因而，下載的1層代碼與2層代碼均能夠保證其來源真實性。

　　②代碼的完整性：在信賴制造商前提下，內嵌代碼可作為整個芯片系統的可信基。基于這一信任基礎，通過啟動過程中對內嵌代碼、芯片操作系統、用戶應用程序的完整性驗證，使得芯片系統僅在代碼完整性正確情況下，才能夠正常運行，從而保證了代碼的完整性。

　　③數據可信性：由于LEVEL0的數據僅能夠由制造商與Q層代碼操作，傳輸安全機制保證了芯片的可信性，從而可知LEVEL0的數據是可信的。1層與2層敏感數據與運行臨時數據的可信性由本層的代碼可信性保證。當本層代碼可信時，數據的來源被認為是可信的。

　　④數據完整性：由完整性認證機制可知，其被認證數據對象在每次合法改變時，均將及時修改相應的數據完整性檢驗信息，且每次啟動時，均需進行完整性認證，因而數據完整性可得到保證。

　　⑤功能部件的正確性：功能部件的正確性通過芯片系統每次啟動時的功能自檢，以及根據應用需要每次調用功能部件執行相應檢測功能來保證。

　　結語

　　提供密碼服務和數據存儲功能的專用SoC芯片設計的關鍵是，在芯片功能正確的前提下，確保芯片內部敏感信息的機密性與完整性，以及運行狀態的可信性。本文為專用SoC的安全設計提供了一個可供參考的模型，也為進一步研究動態數據完整性度量和可信應用服務提供了一個基礎平臺。