CN108920984A - 一种防克隆篡改安全ssd主控芯片架构 - Google Patents

一种防克隆篡改安全ssd主控芯片架构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，其中，包括：安全闪存控制器用于通过NAND FLASH阵列的每片NAND FLASH固有属性认证NAND FLASH身份，认证不通过CPU不予上电，认证通过后，则CPU上电；安全加解密模块的PUF模块用于输出稳定值，ECC模块对PUF模块输出的稳定值进行纠错，Hash函数模块将ECC模块输出的纠错后的数据进行Hash运算后输出固定长度值，作为加解密算法模块的根密钥；加解密模块用于对数据进行解密，得到的明文再经主机总线接口控制器传输到主机端。

Description

一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构
技术领域
本发明涉及一种可信芯片架构，特别是一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构。
背景技术
在现有的SSD主控芯片中，攻击者通过侵入式或非侵入式等物理攻击进入设备，能够盗取或克隆芯片内部版图，获取固态盘数据，极大地威胁到用户设备及数据安全。为解决这一问题，物理不可克隆函数(Physical Unclonable Function,PUF)应运而生。作为一种硬件部件，PUF能有效地解决关键数据存储安全问题。
PUF利用芯片制造时不可避免的工艺偏差产生特定的上电稳定输出值。即便是同样的电路设计和制造工艺，生产出不同芯片的PUF面对相同的输入挑战，会产生不同的输出响应。由于工艺偏差难以预测，所以这些挑战-响应对也难以预测。因此可以将PUF上电初始响应作为密钥。只有当需要使用密钥时，PUF上电即可输出特定稳定值，平时无需存储在非易失性存储器中，降低了密钥被盗取的风险。
然而，直接使用PUF输出值作为根密钥并非全无缺陷。当非法用户得到PUF的输出值时，通过多种分析方法可以获知PUF内部逻辑和时序。因此，有必要对PUF输出值加密，使芯片内部版图即使被盗取也不能被复制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，用于解决上述现有技术的问题。
本发明一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，其中，包括：主机总线接口控制器、CPU、AXI总线、安全加解密算法模块以及安全闪存控制器；其中安全加解密算法模块包括：加解密模块、PUF模块、ECC纠错模块和Hash函数模块；安全闪存控制器用于通过NAND FLASH阵列的每片NAND FLASH固有属性认证NAND FLASH身份，认证不通过CPU不予上电，认证通过后，则CPU上电；安全加解密模块的PUF模块用于输出稳定值，ECC模块对PUF模块输出的稳定值进行纠错，Hash函数模块将ECC模块输出的纠错后的数据进行Hash运算后输出固定长度值，作为加解密算法模块的根密钥；加解密模块用于对数据进行解密，得到的明文再经主机总线接口控制器1传输到主机端；当用户进行写数据操作时，数据经由主机总线接口控制器传输到AXI总线，CPU调用加解密模块对数据进行加密，得到的密文再经由闪存控制器将存储到NAND FLASH阵列中；当用户进行读数据操作时，密文通过安全闪存控制器由NANDFLASH阵列中读出，传输到AXI总线，CPU调用加解密模块对Hash函数模块输出的数据进行加解密。
根据本发明的防克隆篡改安全SSD主控芯片架构的一实施例，其中，其中安全闪存控制器包括：认证模块和FLASH接口控制器；认证模块对每片NAND FLASH存储单元上电时的固有属性进行认证，认证通过后解除CPU复位状态。
根据本发明的防克隆篡改安全SSD主控芯片架构的一实施例，其中，FLASH接口控制器支持ONFI和Toggle两种NAND闪存接口协议。
根据本发明的防克隆篡改安全SSD主控芯片架构的一实施例，其中，ECC纠错模块通过LDPC纠错算法对稳定输出值进行纠错。
NAND FLASH存储单元的物理组成结构以及NAND FLASH芯片对各个存储单元的组织结构可作为NAND FLASH芯片特有的“签名”，固态SSD主控制芯片可通过对其进行认证来防止NAND FLASH被攻击者替换，保证NAND FLASH芯片的可靠性。本发明使用NAND FLASH内部固有物理特性与固态SSD主控制芯片进行认证，避免了控制芯片或NAND FLASH被替换，使用基于PUF的加解密算法对固态盘数据流进行加解密，实现了数据以密文形式存储在固态盘，提高数据安全性。同时，使用PUF上电稳定输出的Hash值作为加解密算法根密钥，使攻击者难以通过克隆芯片版图获知密钥。
附图说明
图1所示为本发明防克隆篡改安全SSD主控芯片架构；
图2所示为安全加解密算法模块的模块图；
图3所示为安全闪存控制器的模块图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1所示为本发明防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，如图1所示，一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，包括：主机总线接口控制器1，CPU2，AXI总线4，安全加解密算法模块6，安全闪存控制器7。
图2所示为安全加解密算法模块的模块图，如图2所示，其中安全加解密算法模块6包括：PUF模块11、ECC纠错模块10和Hash函数模块9以及加解密模块5。
图3所示为安全闪存控制器的模块图，如图3所示，安全闪存控制器7包括：认证模块12和FLASH接口控制器13。
如图1至图3所示，CPU2与芯片其他功能部分3部分通过AXI总线4双向连接，CPU2与安全加解密算法模块6通过AXI总线4双向连接，加解密算法模块5与PUF模块11单向互联，PUF模块11独立于AXI总线4之外，AXI总线4连接安全闪存控制器7，AXI总线4连接SATA控制器1，认证模块12和FLASH接口控制器13双向互联。
如图1至图3所示，防克隆篡改安全SSD主控芯片架构在上电时，安全闪存控制器7先通过NAND FLASH阵列15的每片NAND FLASH固有属性认证NAND FLASH身份，认证不通过CPU不予上电，认证CPU2上电，开始正常工作。安全加解密模块6的PUF模块11会输出特定的稳定值，对该值通过ECC模块10进行纠错，将纠错后的输出通过Hash函数模块9进行Hash运算后输出固定长度值，作为加解密算法模块5的根密钥。当用户进行写数据操作时，由主机向固态盘发送写命令，数据经由主机总线接口控制器1传输到AXI总线4，CPU2调用加解密模块6对数据进行加密，得到的密文再经由闪存控制器7将存储到NAND FLASH阵列15中。当用户进行读数据操作时，由主机向固态盘发送读命令，密文通过安全闪存控制器7由NANDFLASH阵列15中读出，传输到AXI总线4，CPU2调用加解密模块5对数据进行解密，得到的明文再经主机总线接口控制器1传输到主机端。
如图3所示，能够在上电启动时通过认证模块12对每片NAND FLASH存储单元上电时的固有属性进行认证，认证通过后解除CPU复位状态，芯片方可工作。FLASH接口控制器13，支持ONFI和Toggle两种NAND闪存接口协议。
如图1至图3所示，本发明利用NAND FLASH上电时固有物理属性，安全闪存控制器7对其进行认证，保证了NAND FLASH或控制芯片不被替换。利用独立于总线之外的安全加解密模块6中的PUF模块11防止根密钥泄露，实现了对数据的加解密操作，通过对PUF模块11输出进行Hash运算9避免了攻击者由PUF输出获知PUF模块11内部电路逻辑结构，可有效防止芯片因版图设计被克隆而失泄密。
如图1至图3所示，其中PUF模块11作为一个独立的模块，与芯片内部总线隔离开，仅对加解密模块5输出经Hash运算后的根密钥，可避免攻击者通过利用PUF输出值，通过多种攻击手段获知PUF模块11内部电路结构。由此可以通过对NAND FLASH进行认证、不使用非易失性存储器存储根密钥以及Hash函数对PUF输出值的保护，避免NAND FLASH被替换，防止根密钥或芯片被克隆，实现了安全性和可靠性更高的SSD主控芯片。
如图1至图3所示，由于芯片制造时不可避免的工艺偏差，PUF会在上电之后产生特定的输出。使用NAND FLASH内部PUF和安全闪存控制器进行认证，认证通过则允许固态SSD主控制芯片其他部分开始工作，否则继续保持CPU复位状态。将PUF模块11中PUF的初始输出经ECC模块10纠错之后，经过Hash运算，生成加解密算法根密钥。在用户需要向固态盘写入或者读取数据时，对数据进行加解密操作，使数据以密文形式存储在固态盘。
NAND FLASH存储单元的物理组成结构以及NAND FLASH芯片对各个存储单元的组织结构可作为NAND FLASH芯片特有的“签名”，固态SSD主控制芯片可通过对其进行认证来防止NAND FLASH被攻击者替换。使用PUF上电稳定输出值经过hash运算后作为加解密算法根密钥，同其他SSD主控芯片相比，不需要使用非易失性存储器对密钥进行存储，有效防止密钥泄露。同时由于PUF模块不与总线直连，加密算法使用的根密钥是PUF上电稳定输出经Hash运算之后的值，无需外部输入激励，可避免攻击者通过利用PUF输出值，通过多种攻击手段获知PUF内部电路结构。由此可以通过不使用非易失性存储器存储根密钥以及Hash函数对PUF输出值的保护，防止根密钥或芯片内部版图被克隆。
本发明本发明防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，提供一种固态SSD主控制芯片与NAND FLASH认证方法与一种更为可靠的密钥提取使用方式，保证了固态SSD主控制芯片或NAND FLASH不被替换，消除了密钥存储在非易失性存储介质中被盗取的隐患，解决了非法用户通过多种分析方法逆推PUF内部电路逻辑的缺陷，提高了数据及芯片安全性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，其特征在于，包括：主机总线接口控制器、CPU、AXI总线、安全加解密算法模块以及安全闪存控制器；其中安全加解密算法模块包括：加解密模块、PUF模块、ECC纠错模块和Hash函数模块；
安全闪存控制器用于通过NAND FLASH阵列的每片NAND FLASH固有属性认证NANDFLASH身份，认证不通过CPU不予上电，认证通过后，则CPU上电；
安全加解密模块的PUF模块用于输出稳定值，ECC模块对PUF模块输出的稳定值进行纠错，Hash函数模块将ECC模块输出的纠错后的数据进行Hash运算后输出固定长度值，作为加解密算法模块的根密钥；加解密模块用于对数据进行解密，得到的明文再经主机总线接口控制器传输到主机端；
当用户进行写数据操作时，数据经由主机总线接口控制器传输到AXI总线，CPU调用加解密模块对数据进行加密，得到的密文再经由闪存控制器将存储到NAND FLASH阵列中；当用户进行读数据操作时，密文通过安全闪存控制器由NAND FLASH阵列中读出，传输到AXI总线，CPU调用加解密模块对Hash函数模块输出的数据进行加解密。
2.如权利要求1所述的防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，其特征在于，其中安全闪存控制器包括：认证模块和FLASH接口控制器；
认证模块对每片NAND FLASH存储单元上电时的固有属性进行认证，认证通过后解除CPU复位状态。
3.如权利要求2所述的防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，其特征在于，FLASH接口控制器支持ONFI和Toggle两种NAND闪存接口协议。
4.如权利要求1所述的防克隆篡改安全SSD主控芯片架构，其特征在于，ECC纠错模块通过LDPC纠错算法对稳定输出值进行纠错。
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