SMEC98SP加密晶片方案例項
SMEC98SP加密晶片事例程式說明
本事例程式提供了兩部分的程式碼：
- SMEC98SP加密晶片的程式碼；
- 外部MCU的程式碼。
事例提供了MCU藉助於加密晶片來保護方案不被外界破解的典型例子。開發者可以根據自己的需求，定義出適合自己的加密方案。
目錄
功能說明
1.獲取SMEC98SP的UID號
事例程式提供了通過I2C通訊獲取SMEC98SP加密晶片的12位元組硬體ID號的方法。
利用此ID號，可以拓展一些應用，如：一卡一密等，即每個晶片可以設計成不一樣的金鑰，而只需一套主金鑰。
一卡一密的設計，可借用金融PBOC卡的金鑰分散概念來設計，即：利用主金鑰，對晶片ID做3DES運算，並將運算結果作為該卡的金鑰。
示意圖：
2.產生MCU及加密晶片的隨機數
SMEC98SP加密晶片具有硬體隨機數發生器，本例程提供了獲取SMEC98SP隨機數的方法。
一般的微控制器很少有硬體隨機數發生器，所以我們針對不同型別的MCU設計了不同的隨機數產生方式：
- 具有A/D數模轉換的MCU隨機數的產生：
利用ADC懸空引腳（通過讀取懸空模擬針腳值）產生隨機數種子，再將該隨機數種子，與MCU的UID和加密晶片的UID作運算（異或運算）, 使得即使相同情況下，使用不同的MCU或加密晶片，其隨機數種子也不相同。
PIN碼原理：MCU和加密晶片分別存放著相同的PIN碼，MCU執行時，可以通過I2C傳送PIN碼給加密晶片進行驗證，如果PIN碼相同，且返回結果與預期一致，則認為加密晶片合法，否則認為加密晶片非法，而停止工作。
您可以利用SMEC98SP的UID，將PIN碼驗證優化一下，如：可以將每個加密晶片的PIN碼設計成跟UID相關，MCU先獲取SMEC98SP的UID，然後計算出對應的PIN碼值，再進行驗證，再判斷與預期是否一致。
優點：PIN碼驗證實現簡單，不需要新增額外的演算法程式碼。
缺點：PIN碼會在I2C線路上傳輸，容易被攻擊者監聽並破解。也可被攻擊者跳過“真值點”攻擊。
安全程度：★★
示意圖：
內部認證原理：MCU向SMEC98SP傳送8位元組隨機數, SMEC98SP用內部認證金鑰將隨機數進行3DES加密後回送給MCU, 由MCU判斷回送資料的合法性。
優點：金鑰不會線上路上傳輸，不怕攻擊者監聽I2C通訊資料。
缺點：金鑰值會存放在MCU中，如果攻擊者將MCU解密，並模擬除錯，有可能找出該金鑰。也可被攻擊者跳過“真值點”攻擊。
安全程度：★★★★
示意圖：
外部認證原理：MCU先獲取SMEC98SP的8位元組隨機數, 然後MCU用外部認證金鑰對隨機數做3DES加密，再將密文送給SMEC98SP，然後由SMEC98SP判斷該密文的合法性。
優點：金鑰不會線上路上傳輸，不怕攻擊者監聽I2C通訊資料。
缺點：金鑰值會存放在MCU中，如果攻擊者將MCU解密，並模擬除錯，有可能找出該金鑰。也可被攻擊者跳過“真值點”攻擊。
安全程度：★★★★
示意圖：
6.SHA1雜湊演算法認證
SHA1雜湊演算法認證原理：SHA1為一種摘要演算法，就是把任意長度的輸入，通過雜湊演算法，變換成固定長度（32位元組）的輸出，該輸出就是摘要值。
雜湊演算法具有單向性，即通過一組輸入資料，可以得到一組固定長度的輸出（摘要），但通過輸出，是不可以還原輸入值。
SHA1利用這種特性，可以將輸入資料前面的一部分作為金鑰值，分別存放於MCU及加密晶片中。MCU在做SHA1演算法認證時，只需將部分資料傳給加密晶片，由SMEC98SP內部再將“金鑰值”+ “輸入資料”一起做SHA1運算，並回送“摘要值”，MCU再判斷跟預期的值是否一致，實現SHA1演算法認證。
優點：金鑰不會線上路上傳輸，不怕攻擊者監聽I2C通訊資料。金鑰長度及每次輸入資料長度可以變化
缺點：金鑰值會存放在MCU中，如果攻擊者將MCU解密，並模擬除錯，有可能找出該金鑰。也可被攻擊者跳過“真值點”攻擊。
安全程度：★★★★
示意圖：
將 MCU 中的一部分關鍵程式碼，放入加密晶片中執行，當需要用到SMEC98SP中的演算法時，由MCU 向SMEC98SP 傳送指令，SMEC98SP 根據指令，在內部執行，返回結果給MCU。資料在I2C線路上傳輸,可以使用過程金鑰加密的方式傳輸。
我們例程中寫了一個算圓周長的簡單示例，具體實現如下：
1． 加密晶片中儲存算圓周長關鍵演算法(周長C = 2 *π* R)
2． 由 MCU 傳送算圓周長指令：72 00 00 01 03 （R = 03）
3． 加密晶片根據 R 值，利用周長公式，算出周長0x12，返回給MCU。
優點：關鍵演算法在加密晶片中，即使MCU 被破解，並被理解反彙編程式碼，也無濟於事。
缺點：暫無
安全程度：★★★★★
示意圖：
針對很多控制類需求，沒有"關鍵演算法"可以存放在加密晶片中，例程中構造了一個演算法：取PA埠資料2位元組，用過程金鑰加密後，送給SMEC98SP，再由SMEC98SP解密後取反，再由過程金鑰加密回送給MCU。這樣就“構造”出一個演算法。
如PA = 0x0000， 用過程金鑰加密送給SMEC98SP， SMEC98SP解密後得到0x0000， 取反後為0xFFFF， 再用過程金鑰加密給MCU，主控MCU解密後得到0xFFFF。這樣， 判斷IO口資料方式，只要跟之前相反就可以. 比如說PA0 高電平才做的動作， 呼叫了這個函式後，則判斷PA0為低電平去做。
由於每次上電，過程金鑰是臨時產生的， 並且是變化的，這樣即使PA口資料相同，線上路上通訊的資料也是不同的，而MCU程式又是基於"運算結果"而工作的，從而增加了破解難度，可以防止"真值點"攻擊。
優點：資料被過程金鑰加密傳出，即使相同資料，每次線上路上傳輸的內容也不一樣。
缺點：畢竟是“構造”出來的演算法，演算法複雜度不高。攻擊者拿到MCU的彙編程式碼後，模擬除錯，還是有可能將構造演算法逆推。
安全程度：★★★★☆
示意圖：
SMEC98SP內部有24K位元組程式區及8K位元組資料區域。其中8K位元組的資料區域可以設計成自由度寫，也可以設計成需要一定許可權（如驗證PIN，內部認證等）才能讀寫，還可以設計成密文方式讀寫。
樣例中，設計了利用過程金鑰密文讀取資料方法。由於過程金鑰每次是變化的，這樣即使是相同的資料，每次讀出來，線上路上傳輸的內容也是不一樣的。
優點：資料被過程金鑰加密傳出，即使相同資料，每次線上路上傳輸的內容也不一樣。
缺點：金鑰值會存放在MCU中，如果攻擊者將MCU解密，並模擬除錯，有可能找出該金鑰。
安全程度：★★★★
示意圖：
事例程式提供了明文讀取SMEC98SP中8K資料區域的方法，樣例中資料的起始地址是以位元組為單位。開發者可以根據自己的情況，決定是否允許讀取資料或者讀取資料的相關許可權。
事例程式提供了明文寫SMEC98SP資料區域的方法，樣例中資料的起始地址是以位元組為單位。開發者可以根據自己的情況，決定是否允許寫入資料或者寫入資料的相關許可權。
名詞解釋：
DES演算法
DES演算法是一種比較傳統的加密方式，其加密運算、解密運算使用的是同樣的金鑰，資訊的傳送者和資訊的接收者在進行資訊的傳輸與處理時，必須共同持有該密碼（稱為對稱密碼），是一種對稱加密演算法。DES是安全性比較高的一種演算法，除了窮舉外，沒有其他方法可破解。DES—金鑰長度為8位元組，資料為8位元組。
3DES演算法
3DES是針對DES演算法金鑰過短、而改進的一個措施，被稱為“3DES”。其實是通過執行3次DES來達到增加金鑰長度和安全。3DES—金鑰長度為16位元組，資料為8位元組。
過程金鑰
過程金鑰是一種會話金鑰(session key)，是在使用過程中，基於主金鑰而臨時生成的加解密金鑰，會話結束後，過程金鑰失效。
金鑰分散
金鑰分散演算法簡稱Diversify，是指將一個雙長度的金鑰MK，對分散資料(也叫分散因子，如：卡號等)進行處理，推匯出一個雙長度的金鑰DK。
推到DK左半部分的方法是：
1、將分散因子的最右8個位元組作為輸入資料；
2、將MK作為加密金鑰；
3、用MK對輸入資料進行3DES運算；
推到DK右半部分的方法是：
1、將分散因子的最右8個位元組求反，作為輸入資料；
2、將MK作為加密金鑰；
3、用MK對輸入資料進行3DES運算；
這樣MK根據分散因子，可以得到分散金鑰DK。但根據DK，卻無法得到MK。
附件1 – 例程金鑰值
事例程式中，MCU及SMEC98SP加密晶片的各金鑰值如下：
內部認證金鑰：00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
外部認證金鑰：10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 1A 1B 1C 1D 1E 1F
SHA1雜湊演算法認證金鑰：20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 2A 2B 2C 2D 2E 2F
產生過程金鑰的主控金鑰：30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 3A 3B 3C 3D 3E 3F
PIN碼：55 66 77 88 99 AA BB CC
宣告：本事例程式，只是提供瞭如何利用SMEC98SP保護方案不被破解的樣例，開發者可以根據自己的需求，參照本例程，設計自己的加密保護方案。千萬不要使用我們例程同樣的金鑰值！另外在MCU中，我們建議每組金鑰值請打散後分開存放於不同地方，這樣即使在攻擊者把MCU解密後，也很難拼湊出完整的金鑰值。
附件2 – SMEC98SP樣例指令
;Pin認證
--> 70 00 00 08 55 66 77 88 99 aa bb cc
<-- 9000
;雜湊演算法認證
--> 71 00 00 10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F
<-- 9000 3BD683BFC40F33254DE1BD6D0C2650BA1D07A56A
;實現一個簡單演算法，計算圓周長，外部輸入的是半徑，計算出周長。C = 2*3.14*R
--> 72 00 00 01 02
<-- 9000 0C
;外部認證,先取隨機數,再做認證
--> 84 00 00 08
<-- 9000 D309685B156B398B ;隨機數每次不同
--> 82 00 00 08 7fa49dbf221a8751 ;根據隨機數,外部認證金鑰計算
<-- 9000
;取晶片唯一序列號
--> 83 00 00 0C
<-- 9000 33D60D08844C905016707726 ;每個加密晶片不同ID號
;取隨機數
--> 84 00 00 08
<-- 9000 27F5EEDC149FE9FB
;內部認證
--> 88 00 00 08 11 22 33 44 55 66 77 88 ;假設主控晶片隨機數1122334455667788
<-- 9000 56BE32F01E736D0D
;產生過程金鑰 先取SMEC98SP的隨機數, 再送入隨機數, 計算出過程金鑰
--> A0 00 00 08 11 22 33 44 55 66 77 88 ;假設主控晶片隨機數1122334455667788
<-- 9000 2E2AB595F5186905 ;SMEC98SP隨機數每次不同
;過程金鑰為:fede17ed454baa2e (303132333435363738393A3B3C3D3E3F =>(1122334455667788 ^ 2E2AB595F5186905)3DES加密結果)
;埠資料運算
--> A2 00 00 08 df51daa6c1fdb929 ;假設埠資料為:0000, 過程金鑰:fede17ed454baa2e,(傳入資料:df51daa6c1fdb929 為過程金鑰fede17ed454baa2e 對 0000000000000000(埠資料0000+6位元組00填充)做DES加密 )
<-- 9000 C0E7FECFABB13417 ;輸出資料C0E7FECFABB13417,用過程金鑰解密後為ffffffffffffffff, 即為0000000000000000的取反"演算法", 該"演算法"可以根據需要修改
;讀取FLASH
--> B0 00 00 10
<-- 9000 FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
;密文讀取FLASH
--> B1 00 00 10
<-- 9000 C0E7FECFABB13417C0E7FECFABB13417 ;用過程金鑰fede17ed454baa2e解密後為FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF
;寫FLASH
--> D6 00 00 10 0102030405060708090A0B0C0D0E0F10
<-- 9000