CN111611602A - 一种基于国密芯片的安全可控量产方法 - Google Patents

一种基于国密芯片的安全可控量产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于国密芯片的安全可控量产方法，本方法基于M_KEY和量产工具实现，M_KEY内部设有国密芯片，量产工具设置在生产厂商电脑内，M_KEY在量产固件完成后进行固件加密，量产前将M_KEY插入生产厂商电脑内，量产工具主动识别并认证M_KEY，认证成功后，通过M_KEY和量产工具进行固件解密，固件解密成功后进行量产。本方法可以防止未经授权的厂商拿到芯片、固件及量产工具进行非法量产，保证待量产芯片的数量、生成过程、品质可控。

Description

一种基于国密芯片的安全可控量产方法
技术领域
本发明涉及一种基于国密芯片的安全可控量产方法，属于芯片生产技术领域。
背景技术
随着智能电子设备的进步和大规模推广，现今出现了通过抄板并且盗取原厂固件进行加工生产、刷机的盗版行为。尤其是大量盗版产品进入市场，产品质量无法得到保障，很容易损害产品原厂利益，针对安全类产品，这种情况会危害到企业，行业甚至是国家的安全。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于国密安全芯片的安全可控量产方法，可以防止未经授权的厂商拿到芯片、固件及量产工具进行非法量产，保证待量产芯片的数量、生成过程、品质可控。
为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于国密芯片的安全可控量产方法，本方法基于M_KEY和量产工具实现，M_KEY内部设有国密芯片，量产工具设置在生产厂商电脑内，M_KEY在量产固件完成后进行固件加密，量产前将M_KEY插入生产厂商电脑内，量产工具主动识别并认证M_KEY，认证成功后，通过M_KEY和量产工具进行固件解密，固件解密成功后进行量产。
进一步的，固件加密的过程为：量产固件的原始二进制文件a完成后，每批次M_KEY记录一组量产密钥key及预设信息，使用量产密码key通过SM4加密算法加密量产固件原始二进制文件a得到b，b为外发给生产厂商的加密固件；M_KEY使用芯片ID（后面简称m_id）作为保护密钥通过SM4加密算法将key加密生成enc_key，将enc_key存储到国密芯片内部的flash中。
进一步的，固件解密的过程为：量产工具生成一组SM2密钥对，SM2密钥对包括加密公钥sm_pub和加密私钥sm_pri，然后将加密公钥sm_pub通过私有指令发送给M_KEY，M_KEY读取内部存储的enc_key与m_id，通过sm4解密计算得到量产密码key，再使用加密公钥sm_pub将key通过SM2加密生成s_key并发送给量产工具，量产工具使用加密私钥sm_pri通过SM2解密s_key得到key；量产工具读取加密固件b，使用key通过SM4解密b得到量产固件的原始二进制文件a。
进一步的，量产工具认证M_KEY的过程为：量产工具发送一段认证数据至M_KEY，M_KEY对比自身存储的量产授权信息，对比一致表示M_KEY与当前MPTOOL是互信的，则认证成功，否则认证失败。
进一步的，量产分为两个阶段：量产引导阶段和执行量产固件阶段，量产工具将量产引导程序下载到待量产芯片的RAM中，掉电丢失，量产引导程序引导待量产芯片的RAM中运行该程序，接收解析量产固件并且将其写入到待量产芯片，执行量产固件阶段在待量产芯片内运行量产固件。
进一步的，量产过程中，量产工具结合待量产芯片的id(后面简称chip_id)，将量产固件通过SM4加密分多段传送并且中间掺杂一定的干扰数据包，量产引导程序解析接收到的数据，将无用的数据包丢弃，将有效的量产固件写入到待量产芯片；写入完成后，量产引导程序控制量产固件进行引导。
进一步的，量产过程中，量产工具更新M_KEY里面的量产剩余次数，最后量产工具将厂商信息和M_KEY的信息写入待量产芯片，完成整个量产过程；当M_KEY中的剩余次数减少到0，M_KEY将锁定，需要返厂重新获取授权。
进一步的，量产固件与量产工具只支持单连接，即不允许多个上位机进程链接固件代码。
进一步的，每次认证M_KEY和固件密码解析只在M_KEY插入后进行一次，一旦拔出M_KEY需要重新进行认证。
进一步的，每批次待量产芯片对应的key不同。
本发明的有益效果：本发明通过M_KEY和量产工具结合，通过M_KEY来控制合法厂商进行量产，保证量产的安全可控，量产阶段的关键控制信息都存储与M_KEY中，并且M_KEY的信息不可明文读取。整个量产过程加密传输，并且量产固件与MPTOOL为单连接，防止注入和阻拦攻击。量产固件每批次可以变动a的密文状态，大大增加破解a的难度，整个过程安全，可控，适用于对产品生产过程有安全性要求的行业和领域，例如保密类产品，军用类产品等，相比传统量产过程，大大增家了安全性和生产品质可控，有广泛的市场前景和应用领域。
附图说明
图1为量产密钥与预设信息的示意图；
图2为固件加密的流程图；
图3为固件解密的流程图；
图4为安全量产的流程图；
图5为芯片认证及芯片量产的流程图；
图6为芯片异常保护机制的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
本实施例公开一种基于国密芯片的安全可控量产方法，本方法基于M_KEY和量产工具(简称MPTOOL)实现，M_KEY内部设有国密芯片HX6802，该芯片支持USB3.0接口，内部硬件实现国密SM1、SM2、SM3、SM4等算法，并已获得国家商密资质。量产工具设置在生产厂商电脑内，M_KEY在量产固件完成后进行固件加密，量产前将M_KEY插入生产厂商电脑内，量产工具主动识别并认证M_KEY，认证成功后，通过M_KEY和量产工具进行固件解密，固件解密成功后进行量产。
如图2所示，固件加密的具体过程为：
量产固件的二进制文件（简称a）完成后，每批次M_KEY会记录一组量产密钥（简称key）及预设信息，使用量产密码key通过SM4加密算法加密量产固件原始二进制文件a得到b，b为外发给生产厂商的加密固件；M_KEY使用芯片ID（后面简称m_id）作为保护密钥通过SM4加密算法将key加密生成enc_key，将enc_key存储到国密芯片内部的flash中。
量产密钥与预设信息如图1所示，预设信息包括剩余次数、批次、量产授权信息和激活授权信息，剩余次数根据量产过程进行更新。
量产阶段必须获取到存储在M_KEY中的key才能将b进行解密。每批次销售的芯片，key是变动的，从而b也是变动的，大大增加破解a的难度。
如图3所示，固件解密的具体过程为：
量产前需要插入M_KEY，当MPTOOL（只支持windows版本）检测到M_KEY插入事件ON_WM_DEVICECHANGE时，量产工具会主动识别M_KEY并发送一段认证数据，M_KEY对比本身存储的量产授权信息，对比一致表示M_KEY与当前MPTOOL是互信的。认证成功后，MPTOOL会生成一组SM2密钥对（加密公钥sm_pub、加密私钥sm_pri）。将sm_pub通过私有指令发送给M_KEY，M_KEY读取内部存储的enc_key与m_id，通过sm4解密计算得到key，再使用sm_pub将key加密后的密文（s_key）发送给MPTOOL，MPTOOL使用sm_pri通过sm2将s_key解密后得到key。MPTOOL使用key通过sm4将b进行解密，在量产工具的内存中解密出a后，可进行量产。每次认证M_KEY和解析a的过程只在M_KEY插入后进行一次，一旦拔出M_KEY需要重新进行认证。
如图4所示，安全量产的具体过程为：
量产分为两个阶段code_load和firmware阶段。code_load称为量产引导程
序，由MPTOOL将该段代码下载到待量产芯片的RAM中，掉电即失。code_load主要作用是接收解析量产固件a并且写入到待量产芯片，firmware阶段执行的固件即上文中提及的a。MPTOOL会结合待量产芯片的id(后面简称chip_id)，将a通过SM4加密分多段传送code_load并且中间掺杂一定的干扰数据包，code_load解析接收到的数据，将无用的数据包进行丢弃，将有效的固件写入到芯片。写入完成后，code_load控制a进行引导。MPTOOL与a交互更新M_KEY里面减少量产剩余次数，最后MPTOOL会将厂商信息和M_KEY的信息写入芯片（该信息用于追溯M_KEY），完成整个量产过程（见图4，图5）。当M_KEY中的剩余次数减少到0，M_KEY将锁定，需要返厂重新获取授权。
本方法设有异常保护机制，异常保护机制主要分析针对的是M_KEY破解，及量产过程中是否有注入\阻断攻击。每次量产MPTOOL会检测M_KEY是否存在并且可靠，如果不存在或不可靠会终止量产过程。M_KEY由芯片厂商授权给生产厂商，针对具体需求预设量产剩余数量，并且由芯片厂商记录M_KEY的信息和key，方便将来进行追溯。M_KEY的量产剩余数量只支持减少，当M_KEY中的预设量产数量减少到0，M_KEY会锁定设备，无法再进行使用，必须返回芯片厂商认证通过一定的权限认证后才可以重新配发，强制认证会导致M_KEY永久锁定（图6）导致M_KEY报废。固件代码a与MPTOOL只支持单连接，即不允许多个上位机进程链接固件代码a，如果在M_KEY更新之前阻断后续的更新M_KEY行为，这样会导致芯片中不存在的厂商信息和M_KEY信息。固件a每次启动会检测是否有厂商信息和M_KEY信息，如果不存在，视为本次量产失败，直接进入芯片的待量产阶段，必须重新量产。整个写入a的过程是结合chip_id加密传输，并且中间过程随机掺杂我们干扰数据包，通过抓包的方式无法还原出完整真正的a。
使用本方法可以解决以下非法量产行为：
1、插入M_KEY，授权失败，进行量产，量产失败。
2、插入M_KEY，授权成功，故意使用错误的m_id解密s_key，导致key不正确，解析b得到c（c为错误的固件），下载c到芯片中。固件错误无法执行，需要重新量产。
3、插入M_KEY，然后拔出M_KEY尝试量产，量产不执行，提示需要插入M_KEY。
4、在量产阶段监听a的数据包，数据包为密文，直接下载a的密文，固件错误无法执行，需要重新量产。
5、量产阶段中间缺少a的某些数据包或者掺杂无效的数据包，固件下载完成后，固件错误无法执行，需要重新量产。
6、量产最后阶段，阻止M_KEY更新量产剩余数量，强制结束量产，固件a检测到芯片内部不存在M_KEY信息和厂商信息，固件不执行，需要重新量产。
7、M_KEY锁定后，输入正确的量产授权信息，提示M_KEY已锁定，需要返厂，输入正确的激活权限，M_KEY解锁。
8、M_KEY永久锁定后，输入正确的激活权限，M_KEY依然无法使用，M_KEY报废。
本发明通过M_KEY和量产工具结合，通过M_KEY来控制合法厂商进行量产，保证量产的安全可控，量产阶段的关键控制信息都存储与M_KEY中，并且M_KEY的信息不可明文读取。整个量产过程加密传输，并且量产固件与MPTOOL为单连接，防止注入和阻拦攻击。量产固件每批次可以变动a的密文状态，大大增加破解a的难度，整个过程安全，可控，适用于对产品生产过程有安全性要求的行业和领域，例如保密类产品，军用类产品等，相比传统量产过程，大大增家了安全性和生产品质可控，有广泛的市场前景和应用领域。
以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：本方法基于M_KEY和量产工具实现，M_KEY内部设有国密芯片，量产工具设置在生产厂商电脑内，M_KEY在量产固件完成后进行固件加密，量产前将M_KEY插入生产厂商电脑内，量产工具主动识别并认证M_KEY，认证成功后，通过M_KEY和量产工具进行固件解密，固件解密成功后进行量产。
2.根据权利要求1所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：固件加密的过程为：量产固件的原始二进制文件a完成后，每批次M_KEY记录一组量产密钥key及预设信息，使用量产密码key通过SM4加密算法加密量产固件原始二进制文件a得到b，b为外发给生产厂商的加密固件；M_KEY使用m_id作为保护密钥通过SM4加密算法将key加密生成enc_key，将enc_key存储到国密芯片内部的flash中；m_id表示M_KEY的芯片ID。
3.根据权利要求2所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：固件解密的过程为：量产工具生成一组SM2密钥对，SM2密钥对包括加密公钥sm_pub和加密私钥sm_pri，然后将加密公钥sm_pub通过私有指令发送给M_KEY，M_KEY读取内部存储的enc_key与m_id，通过sm4解密计算得到量产密码key，再使用加密公钥sm_pub将key通过SM2加密生成s_key并发送给量产工具，量产工具使用加密私钥sm_pri通过SM2解密s_key得到key；量产工具读取加密固件b，使用key通过SM4解密b得到量产固件的原始二进制文件a。
4.根据权利要求1所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：量产工具认证M_KEY的过程为：量产工具发送一段认证数据至M_KEY，M_KEY对比自身存储的量产授权信息，对比一致表示M_KEY与当前MPTOOL是互信的，则认证成功，否则认证失败。
5.根据权利要求1所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：量产分为两个阶段：量产引导阶段和执行量产固件阶段，量产工具将量产引导程序下载到待量产芯片的RAM中，掉电丢失，量产引导程序引导待量产芯片的RAM中运行该程序，接收解析量产固件并且将其写入到待量产芯片，执行量产固件阶段在待量产芯片内运行量产固件。
6.根据权利要求5所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：量产过程中，量产工具结合chip_id，将量产固件通过SM4加密分多段传送并且中间掺杂一定的干扰数据包，量产引导程序解析接收到的数据，将无用的数据包丢弃，将有效的量产固件写入到待量产芯片；写入完成后，量产引导程序控制量产固件进行引导；chip_id表示待量产芯片的id。
7.根据权利要求5所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：量产过程中，量产工具更新M_KEY里面的量产剩余次数，最后量产工具将厂商信息和M_KEY的信息写入待量产芯片，完成整个量产过程；当M_KEY中的剩余次数减少到0，M_KEY将锁定，需要返厂重新获取授权。
8.根据权利要求1所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：量产固件与量产工具只支持单连接。
9.根据权利要求1所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：每次认证M_KEY和固件密码解析只在M_KEY插入后进行一次，一旦拔出M_KEY需要重新进行认证。
10.根据权利要求2所述的基于国密芯片的安全可控量产方法，其特征在于：每批次待量产芯片对应的key不同。
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