一個好的安全加密芯片不但要有安全可靠，不可被破解的物理硬件，還要有可靈活設計的軟件。二者缺一不可，否則再好的硬件，會因為軟件設計的限制，被破解。再好的軟件設計方案，也會因為，硬件安全程度不夠，被侵入者全盤復制。
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加密芯片那些事兒

作者：武者

目錄

一、 為什麽要用加密芯片... 2

二、 加密芯片安全性考慮要素... 3

三、 加密芯片的硬件安全性... 3

四、 加密芯片的軟件安全性... 5

1. 真值點判斷工作模式... 5

2. 數據加解密工作模式... 6

3. 功能運算工作模式... 8

五、 結束語... 9

一、 為什麽要用加密芯片

原因很簡單：MCU很容易被破解！ 圖一為本人定期收到一家芯片解密公司的廣告。不斷有新的芯片被解密成功。破解一顆芯片，便宜的幾百元，貴的幾萬元。記得15年前Cypress的一款USB芯片Cy63001，號稱不可被破解，當時我也問過市面上各家芯片破解公司，都說無法破解。後來我興致勃勃地把它開發出來，並快活的收取著licese費用。沒想到好景不長，只過了2年，這顆芯片就可以被破解，破解費5萬元。這後又過1年，這顆芯片的破解費迅速降到500元！下降速度超過中國股市……

圖1：定期收到芯片解密廣告

這些芯片破解公司可以非常容易的破解MCU，提取芯片裏面的二進制代碼，還可以將代碼進行反匯編，進行跟蹤、調試。

如果在設計方案上加一顆加密芯片，並讓主控MCU在工作的時候，跟這顆加密芯片有交互。這樣即使主控MCU被破解，整套方案，沒有了這顆加密芯片也是運轉不起來的。

那麽問題來了，這顆加密芯片是否安全可靠，是否能夠不被破解？這就下面要講的內容。

二、 加密芯片安全性考慮要素

加密芯片承載著整套方案的安全重任，其本身是否安全可靠，至關重要。衡量一顆加密芯片是否足夠安全，主要考慮2方面：硬件、軟件。

市面上的加密芯片五花八門，種類繁多，讓我們看的眼花繚亂。一個加密芯片是否足夠安全，加密芯片本身的硬件結構，至關重要。如果加密芯片自身能夠像主控MCU一樣被破解，那麽整套方案就毫無安全可言。

在加密芯片硬件可靠的基礎上，使用的是哪種軟件方案也同樣重要。有一些加密芯片硬件安全度很高，不可被破解，但使用的軟件方案不好，這樣也會被搞芯片破解的人，輕而易舉的改動主控芯片的二進制碼，跳過加密芯片運行，或者在功能上模擬出一樣的加密芯片，從而破解整套方案。

一個好的安全加密芯片不但要有安全可靠，不可被破解的物理硬件，還要有可靈活設計的軟件。二者缺一不可，否則再好的硬件，會因為軟件設計的限制，被破解。再好的軟件設計方案，也會因為，硬件安全程度不夠，被侵入者全盤復制。

三、 加密芯片的硬件安全性

上世紀70年代初期，嵌入式系統是由分離部件如：CPU、ROM、RAM、I/O緩存、串口和其他通信與控制接口組成的。我們可通過早期的單板機，清楚地看到，如圖：

圖2：早期單板機

有一些加密芯片，使用比較偏門的MCU實現(甚至一些MCU訂制廠商，同時也在賣加密芯片)。這些加密芯片，再偏門，也能夠被芯片破解者通過侵入式或非侵入式攻擊，輕松得到加密芯片的內部代碼，然後破解者從加密芯片廠商購買同樣加密芯片，自行燒錄，從實現整套方案破解。

目前智能卡芯片內核的加密芯片，最為安全可靠。其他的內核芯片，都有可能被破解。智能卡內核之所以最安全，是因為其使用了存儲器總線加密技術，頂層金屬網絡設計，混合邏輯設計等，並且智能卡芯片提供了很多的防止攻擊保護，如：防止電源噪聲攻擊，時鐘噪聲攻擊等等。有興趣的可以搜索一篇《MCU芯片加密歷程》的文章。

圖3：智能卡存儲器總線加密技術，存儲器中的數據都是密文存儲，

即使被入侵者得到，也無法使用。

目前銀行卡、電信SIM卡，社保卡等涉及到錢的安全領域，基本上都是使用智能卡芯片，並且各自都有其行業規範。就是因為智能卡芯片的安全程度最高，物理上被攻擊的可能性極小。

如何判斷加密芯片是否為智能卡內核的加密芯片？

由於智能卡的高安全性，不排除一些加密芯片供應商，會說自己的芯片使用的是智能卡內核。判斷其真偽，很簡單，只要問他們加密芯片是否能提供智能卡通信接口（即：ISO7816接口），如果提供，則買一個智能卡讀寫器，操作一下即可。如果不提供ISO7816接口，則肯定不是智能卡內核的。另外還有個判斷依據，問其加密芯片內部，是否提供硬件的DES算法寄存器，DES算法硬件支持，是銀行卡，社保卡等智能卡的標配。我所了解的智能卡內核的加密芯片有：中巨的SMEC98SC、淩科芯安的LKT4100F、ATMEL的AT88SC、Infineon的SLE 77CF1200S等等。

四、 加密芯片的軟件安全性

在加密芯片硬件不可破解的基礎上，我們再談談加密芯片的軟件方案。加密芯片物理硬件不可破解後，並不是就萬事大吉了，軟件設計的好壞，同樣會影響到整套方案的安全。加密芯片的軟件工作原理，我分為三個類型：1. 真值點判斷類型; 2. 數據加解密類型; 3. 功能運算類型。下面列舉一些簡單的例子，解釋其軟件工作原理。

1. 真值點判斷工作模式

主控MCU在工作時，判斷一下外部的加密芯片是否合法，然後決定自身是否要正常工作，我把這一類加密芯片工作方式，統稱為真值點判斷類型。

這類判斷加密芯片是否合法的方式有：PIN碼驗證，對稱算法運算(AES，DES等)，非對稱算法運算(RSA，ECC等)，散列算法(HMAC-MD5， HMAC-SHA，HMAC-SM3等)，挑戰碼方式(如ATMEL的AT88SC系列芯片)……

真值點判斷方式，操作簡單，對主控芯片原有代碼改動較小。加密芯片提供者甚至可以提供簡單配置一下密鑰，就能工作起來。但這類方式有個致命弱點，如果侵入者將主控MCU的代碼，反匯編，並作改動就可以繞過加密芯片，實現破解。如下面的反匯編代碼中，將C:0x0420地址代碼，改成直接挑磚指令：SJMP 0x042C，將完美繞過加密芯片。

所有這類型工作方式，都存在被破解的可能性，破解難度取決於找到對應真值點的位置，一旦找到，整套方案就被破解了。

圖4：加密芯片工作在真值點判斷模式下的原代碼

圖5：加密芯片工作在真值點判斷模式下的反匯編

將C:0x0420地址代碼，改成直接挑磚指令：SJMP 0x042C，將完美繞過加密芯片

2. 數據加解密工作模式

將一部分數據密文存放在加密芯片中，當主控MCU工作時，從加密芯片密文讀出，然後在主控芯片中再解成明文使用，這一類統稱為數據加解密類型。常見的加解密算法有對稱算法(AES，DES等)，非對稱算法運算(RSA，ECC)等等。

這類工作模式，同樣有漏洞，要求入侵者能夠調試反匯編的代碼。如圖7，在C:0x01C0處打斷點，將變量bDecryptData中的明文數據得到，也將成功破解整套方案。

圖6：加密芯片工作在數據加解密模式下的原代碼

圖7：加密芯片工作在數據加解密模式下的反匯編

將C:0x01C0地址打斷點，並把對應地址變量內容讀出，

然後替換匯編代碼，也將成功破解

3. 功能運算工作模式

將主控芯片的一部關鍵代碼放在加密芯片中，當主控MCU工作時，傳入參數，請求加密芯片執行運算，並獲取計算結果。這一類工作方式，統稱為功能運算類型。

這類工作模式，是將一部分代碼放入加密芯片中運行，例如圖8中，計算圓周長的代碼在加密芯片中，主控芯片只需要傳給加密芯片圓的半徑，就能夠得到圓的周長。即使入侵者把主控MCU的反匯編代碼，每一行都理解透，在不知道“圓周長”計算公式下，他們就算有通天的本事，也無法解密整套方案。

圖8：加密芯片工作在功能運算模式下的原代碼

圖9：加密芯片工作在功能運算模式下的反匯編

五、 結束語

一個好的加密方案，即少不了安全可靠的物理硬件的支持，也少不了靈活可變的軟件支持。一些加密芯片廠商，一味的強調自己的硬件多麽強大，支持算法種類多麽的多，算法密鑰長度多麽的長，然而沒有提供很好的軟件開發支持，只能夠配置密鑰數據等，再強大的硬件，也可被輕松軟件破解；另外一些加密芯片廠商，一味的強調自己的軟件開發，多麽靈活多變，速度多麽的快，然而其硬件只是普通較偏門的MCU，不是智能卡內核芯片，這樣再完善的軟件算法，也無法擋住入侵者直接破解其硬件，將整個加密芯片的二進制碼全盤復制，並采購其一樣的加密芯片，實現整個方案的破解。

加密芯片那些事兒