【每周分享】利用SHA204给MCU做一个IP保护

只看该作者 · 2025-3-21 17:05

本帖最后由 mxkw0514 于 2025-3-28 09:56 编辑

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什么是IP呢？
通俗的来讲，IP可以是专利、设计、商标、版权、固件、算法、协议栈等。
为什么要保护IP呢？
保护IP可以最大限度地保证生产者地经济效益，促进研发人地创新，维护市场地公平竞争。

今天我们利用硬件加密芯片给MCU做一个IP保护系统，保证MCU的核心程序运行的安全。具体的实现流程是：MCU和外部加密IC都存储着一对相同的共享密钥，MCU向加密IC发出随机数质询，加密IC会向MCU返回一个32字节的随机数；然后MCU将共享密钥（存储在MCU端）与随机数进行SHA2哈希运算而生成一个256bitMAC值，加密IC将共享密钥（存储在加密IC）进行SHA2哈希运算而生成一个256 bit的MAC值；最后MCU会比较这两个MAC值，如果相同，则往下运行核心程序。框图如下所示：

8位单片机是没有硬件加密模块的，如果也要对IP进行保护，就需要使用外部加密IC进行身份验证。硬件加密相较于软件加密，是有诸多好处的，硬件加密能够在整个芯片内部进行主动屏蔽，可以防止微探针、辐射和时序的攻击。我们来看一下CryptoAuthentication器件的大致框图。紫色的是防止外界分析数据的掩膜；橙色的是加密引擎，不同的加密IC支持不同的加密算法；蓝色的是EEP，用于存入密钥和加密数据；黄色的是随机数发生器，用于产生随机数；黑色的是单调计数器，用于限制使用的次数，蓝色的是唯一序列码，就算被读出不也会影响到同类其它产品。

下面我们就以PIC18F47Q10和ATSHA204为例，来实现一个简单的IP保护测试例程。PIC18F47Q10是一款高端的8位单片机，该单片机的时钟最高可以跑到64MHz，具有两个外部中断入口地址，也就是说具有两个硬件中断优先级（中断8位单片机只有一个），当然51或者ARM架构的单片机是有很多硬件中断优先级，有好处也有坏处。ATSHA204是一款，本次使用的ATSHA204支持SHA256加密算法，具有IIC或者单总线通信接口，用户可以选择ACES软件（如下图所示）配置ATSHA204，也可以使用Python脚本配置ATSHA204，主要是配置密钥和防止需要保护的加密数据。

这里我们选择使用ACES软件配置ATSHA204，先将加密IC放在硬件工具的座子上（通过IIC接口），连接PC与硬件工具，打开ACES软件，选择加密IC信号，之后分别配置不同的数据槽，数据槽的框图如下所示。密钥放在Slot0或Slot1，私密数据放在Slot3-Slot7里面，需要注意的是，只有锁定配置区（不能再更改密钥），才能在数据区放入数据区。

下面放入此次测试例程的主程序代码，使用的CryptoAuthencation库函数可以利用MPLAB的MCC插件自动生成，生成的相关库函数都有响应的注释。

复制

#include "mcc_generated_files/mcc.h"

#include "cryptoauthlib.h"



const uint8_t nonce_in[20] = {

    0x01, 0x23, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22,

    0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22, 0x22

};



const uint8_t key0[32] = {

    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

};



uint8_t mac_bytes[24] = {

    0x08, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0xEE,

    0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x23, 0x00, 0x00,

};



// Section: Main Entry Point

void main(void)

{

    ATCA_STATUS status;

    uint8_t sn[9];

    uint8_t challenge[32];

    uint8_t digest[32];

    uint8_t sha2_input[88];

    uint8_t mac_sw[32];

    // Initialize the device

    SYSTEM_Initialize();



    // Enable the Global Interrupts

    INTERRUPT_GlobalInterruptEnable();



    // Disable the Global Interrupts

    //INTERRUPT_GlobalInterruptDisable();



    // Enable the Peripheral Interrupts

    INTERRUPT_PeripheralInterruptEnable();



    // Disable the Peripheral Interrupts

    //INTERRUPT_PeripheralInterruptDisable();

    printf ("\r\nInitial CryptoAuthLib: \r\n");

    status = atcab_init (&cfg_atsha204a_i2c_default);

    if (status != ATCA_SUCCESS)

    {

        printf ("\tFail\r\n");

        LED_SetHigh();

    }

    printf ("\tSuccess\r\n");

    status = atcab_read_serial_number (sn);

   

    if (status == ATCA_SUCCESS)

    {

        atcab_printbin_label ("Seriel Number:\r\n", sn, 9);

    }



    status = atcab_nonce_rand (nonce_in, challenge);

    if (status != ATCA_SUCCESS) {

        printf ("Nonce Fail\n");

    }

    challenge[0] ^= 0x21;

    atcab_printbin_label ("Challenge:\r\n", challenge, 32);

   

//digest是加密IC返回的哈希运算结果（加密IC将随机数challenge与加密IC内部密钥进行哈希运算）

     status = atcab_mac (0x00, 0, challenge, digest);

    if (status != ATCA_SUCCESS) {

        printf ("Slot 0 GetMac Fail\n");



    }

     

     atcab_printbin_label ("Digest:\r\n", digest, 32);



    // MCU将共享密钥与随机数进行哈希运算，这里需要按照数据手册将密钥与一段数据组合

    memcpy (sha2_input, key0, 32);

    memcpy (sha2_input + 32, challenge, 32);

    memcpy (sha2_input + 64, mac_bytes, 24);

    status = atcac_sw_sha2_256 (sha2_input, 88, mac_sw);

    if (status != ATCA_SUCCESS) {

        printf ("Get SW Mac Fail\n");



    }

    atcab_printbin_label ("SW Digest:\r\n", mac_sw, 32);



    // 将MCU哈希运算值和加密IC哈希运算值进行比较，如果相同，则运行核心程序

    if (memcmp (mac_sw, digest, 32) == 0) {

        printf ("Slot 0 CheckMac PASS\n");



}

 atcab_release();



    while (1)

    {

}

}

调试、编译和下载程序，上电后，PIC18F47Q10会与ATSHA204进行身份验证，当出现下图后，就说明MCU与加密IC身份验证是成功的。也许会有人说，对称加密技术使用一对共享密钥，会带来一些隐患，比如密钥有泄露的风险，尤其是父密钥（主控的软件中有密钥），所以需要将主控软件中的密钥做些处理增加数据读出的难度。当我们要决定是使用对称加密技术还是非对称加密技术时，要考虑读出密钥的成本和产品的成本、相应的产品对应规范要求等等，所以不能抛开剂量谈毒性。

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