专用SOC安全控制架构的研究与设计

　　引言

　　为了满足智能卡和可信计算应用需求，设计实现了一款专用SoC芯片。该芯片由微处理器、程序和数据存储器及管理模块、安全逻辑模块、密码服务模块、辅助功能模块、I／0接口组成，能为各种安全应用提供机密性、完整性和身份认证等多种密码服务，以及数据存储、访问控制、安全计算等应用。

　　专用SoC芯片的安全控制架构设计，首先应对芯片的应用环境进行分析，得到芯片的威胁模型与部署模型，即芯片的潜在攻击者和可能的攻击方式，以及芯片的生产、运输、研发和使用等环节存在的风险问题；其次是根据芯片安全要求与功能规范，通过软硬件协同设计方式，设置相关硬件逻辑、状态寄存器和参数存储区，并实现相关安全策略的软件控制流程；最后对所设计的系统进行安全性分析、仿真验证与FPGA测试。

　　1 芯片系统安全体系结构设计

　　基于芯片系统的生产与应用实际，根据受保护资产对芯片安全性影响重要程度和信息技术安全性*估准则，芯片的受保护资产可设计为如下3种安全级别。

　　0级资产：O层代码的完整性与可信性，0层数据（LEVEL0）的机密性、完整性和可信性，以及芯片各模块功能正确性。0级资产是芯片系统的安全基础，对任一项的保护失败均将导致整个芯片系统拒绝提供任何服务。

　　1级资产：1层代码的完整性与可信性，1层数据（LEVEL1）的机密性、完整性和可信性。1级资产是系统运行的核心控制态和2级资产的安全基础，对1级资产的保护失败将禁止本层代码及2层代码的执行。

　　2级资产：2层代码完整性与可信性，2层数据（LEVEL2）的机密性、完整性和可信性。2级资产是芯片系统最上层的受保护资产，对本级资产的保护失败会导致本层代码被禁止运行。2级资产在芯片系统中可以同时存在多个，但每一时刻只有1个投入运行。

　　1．1 芯片系统安全状态设计

　　芯片加电运行后，通过执行一系列的命令，获得不同的安全权限，从而也处于某一特定的安全状态。

　　ST1：出厂初始状态。在信任制造商前提下，芯片在出厂初始状态是可以信赖的。初始状态是芯片的可信基。

　　ST2：芯片使能状态。首次加电时，上电自检及传输安全认证通过后，芯片所处的状态。芯片在验证各功能模块正确，且。层代码、数据完整性校验通过后，接收传输过程安全认证命令，并利用开发商与制造商的共享秘密，在允许的认证次数范围内对芯片进行真实性认证。

　　ST3：芯片激活状态。处于使能状态下的芯片，允许开发商通过用户创建命令完成用户创建。在这一过程中，芯片对开发商身份的合法性认证依赖于传输安全认证时的共享秘密。用户创建完成后，置位芯片激活状态标识与所有权获得标识。再次启动时，对开发商的身份合法性认证依赖于输入的共享秘密，以及开发商创建的用户密钥。

　　ST4：1层代码下载允许状态。为满足芯片使用灵活性的要求，芯片的1层代码可由开发商进行配置。代码下载需对下载命令的发起者进行身份认证，在允许认证次数范围内，若身份认证正确，则置位1层代码下载允许标识，芯片进入1层代码（芯片操作系统）下载允许状态。

　　ST5：1层代码下载完成状态。在下载控制程序的控制下，完成1层代码下载。下载完成后，下载控制程序调用SHA1模块，对1层代码进行完整性度量与存储，并与输入的下载代码完整性信息进行比较。若完整性验证正确，则置位1层代码使能标识位。

　　ST6：1层代码运行状态。芯片系统可以由ST3和ST5转入1层代码运行状态。在进入此状态前，需判断1层代码使能标识是否有效，并在验证1层代码及数据完整性正确后进入代码运行状态，执行相应程序完成预定功能。

　　ST7：2层代码（用户应用程序）下载允许状态。2层代码的下载与调用均在1层代码监控下完成。在1层代码运行状态下，若用户输入2层代码下载命令，1层代码首先认证代码下载命令发起者身份。在允许的认证次数范围内，若身份认证正确，则置位本层敏感信息存储器中的2层代码下载允许标识位，芯片进入2层代码下载允许状态。

　　ST8：2层代码下载完成状态。与1层代码的下载过程相同，通过调用下载控制程序，完成2层代码的下载。下载完成后，1层代码对2层代码进行完整性度量与存储，对比验证输入的完整性信息。若完整性验证正确，置位LEVEL1中的2层代码使能标识位。

ST9：2层代码运行状态。当2层代码和数据完整性验证正确后，芯片系统可以由ST6和ST8转入2层代码运行状态。当2层代码使能标识有效时，芯片系统可以在ST6或ST8下，通过层次跳转指令，进入2层代码运行状态。在ST6状态下，芯片系统还可通过调用2层代码来完成其相应运算与控制功能