CN113326484B - 一种使用单向函数对fpga固件进行授权保护的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法。本方法通过授权码和硬件MCU授权单元结合授权的方式，控制FPGA业务单元有效运行，保障开发方、拥有方和生产方三方利益。生产方得到开发方和拥有方授权，才能正常生产有FPGA固件的终端设备，达到合理授权终端设备生产的目的。本方法针对使用FPGA和CPU的终端设备，结合硬件MCU授权单元进行FPGA的固件授权设计。CPU主控单元控制FPGA业务单元启动时，首先MCU授权单元和FPGA业务单元通过两步授权认证,实现授权码分量配对合成，并使用单向函数认证授权码是否合法，如合法，则授权FPGA业务单元正常工作，终端设备系统正常启动，否则,FPGA业务单元停止运行，终端设备系统异常停止。

Description

一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法
技术领域
本发明涉及授权保护技术领域，特别涉及一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法。
背景技术
FPGA固件是业务逻辑实现的核心，FPGA的固件通常是通过配置文件的方式提供，配置文件便于复制，没有特别好的方法对其进行保护，当涉及这类有FPGA的终端进行授权生产时，无法有效控制第三方生产方对终端设备生产，无法保障拥有方、开发方和生产方之间利益关系。
终端设备中FPGA业务单元是业务逻辑实现的关键，本方法通过硬件添加MCU授权单元，MCU授权单元与FPGA业务单元之间通过两步的授权认证，并使用单向函数验证授权码是否合法，如合法，则授权FPGA业务单元运行进入正常状态；否则,FPGA业务单元停止工作，通过这种方法对FPGA业务单元进行授权控制。明确拥有方、开发方和生产方三方利益关系，拥有方掌握授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件，开发方生产MCU授权单元将授权码分量二Auth2写入其中，生产方从拥有方获取授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件，从开发方获取配对的MCU授权单元，生产方将授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件写入CPU主控单元中，将MCU授权单元焊接到终端设备主板，生产终端设备。
发明内容
一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法，有FPGA固件的终端设备在CPU、FPGA和MCU三单元组合的硬件架构基础上，使用单向函数授权认证方式对FPGA固件进行授权保护，通过授权生产的方式，来保护控制FPGA固件启动，明确拥有方、开发方和生产方三方利益关系，具体步骤如下：
步骤1: 终端产权拥有方和开发方对生产方进行授权生产，分别提供授权码文件和匹配的MCU授权单元给生产方，生产方进行终端设备生产；
步骤2: 终端设备采用模块三单元组合的硬件架构，CPU主控单元+FPGA业务单元+MCU授权单元，CPU主控单元通过SPI连接FPGA业务单元，MCU授权单元通过SPI连接FPGA业务单元；
步骤3: 终端设备启动时，MCU授权单元与FPGA业务单元之间通过两步的授权认证实现一对一的授权码分量合成，并使用单向函数验证授权码是否合法，如合法，则授权FPGA业务单元运行进入正常状态；否则,FPGA业务单元停止工作。
针对授权明确拥有方、开发方和生产方三方关系，拥有方拥有授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件，开发方开发MCU授权单元，将授权码分量二Auth2写入其中，生产方从拥有方获取授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件，从开发方获取配对的MCU授权单元，将授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件放入CPU主控单元中，将MCU授权单元焊接到终端设备主板，生产终端设备。
授权码校验值RES和授权码分量一Auth1由CPU主控单元通过SPI配置方式传递到FPGA业务单元中存储，授权码分量二Auth2生产前已固化在MCU授权单元。
两步的授权认证协议实现，协议中^符号表示算数逻辑异或操作，||符号表示字符串拼接操作，首先FPGA业务单元产生随机数Rnd1，随机数Rnd1与授权码分量一Auth1算数逻辑异或，Ref1=Hash(Rnd1||RES)使用单向函数Hash对随机数Rnd1和授权码校验值RES计算杂凑值，并创建授权消息报文1=01||Rnd1||Rnd1^Auth1|| Ref1，通过SPI接口将授权消息报文1发送MCU授权单元，MCU授权单元接收到授权消息报文1后，获取出Rnd1和Auth1,RES*=Hash（Auth1^Auth2）通过Hash（Rnd1|| RES*）计算出结果，判断是否和发送过来的Ref1值一致，如不一致，提示异常，如一致，表示授权单向认证成功，同时产生随机数Rnd2，Ref2=Hash(Rnd1^Rnd2||RES)^Auth2使用单向函数Hash对随机数Rnd1与随机数Rnd2的算数逻辑异或值拼接上授权码校验值RES计算杂凑值最后再异或授权码分量二Auth2，创建授权消息报文2=02||Rnd2|| Ref2，将授权消息报文2发送FPGA业务单元，FPGA业务单元接收到授权消息报文2后，获取Rnd２和Auth2，其中Auth2=Hash（Rnd1^Rnd2||RES）^ Ref2，最后通过Hash（Auth1^Auth2）与RES比较，如不一致，授权失败，FPGA处理单元停止运行，如一致，授权成功，FPGA处理单元正常启动。
上述发明中的有益效果为：
（1）终端产权的拥有方和开发方对生产方进行生产授权方式，控制生产方对终端设备生产数目，达到保障拥有方、开发方和生产方三方利益。
附图说明
图1为本发明的一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法的硬件架构图。
图2为本发明的一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法的生产授权图。
图3为本发明的一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法的授权流程图。
图4为本发明的一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法的授权协议实现图。
具体实施方式
针对本发明实现的技术创新特征和目的功效便于理解，结合图示和列举实例，进行阐述本发明。
如图1所示，为本发明实例终端设备硬件架构。实际过程如下：
A. 生产的终端设备硬件架构设计为三单元组合的硬件架构，CPU主控单元+FPGA业务单元+MCU授权单元，CPU主控单元通过SPI连接FPGA业务单元，MCU授权单元通过SPI连接FPGA业务单元;
B.CPU主控单元主要实现对FPGA业务单元配置打入及管理监控；
C.FPGA业务单元主要实现业务加解密功能；
D.MCU授权单元主要实现对FPGA业务单元启动授权功能；
E.如图2所示，需要拥有方和开发方对生产方授权终端设备生产：
拥有方，掌握授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件；
开发方，将授权码分量二Auth2写入MCU授权单元；
生产方，从拥有方获取授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件；从开发方获取配对的MCU授权单元，将授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件放入CPU主控单元中，将MCU授权单元焊接到终端设备主板，生产出终端设备。
F. 如图3所示，终端设备生产完毕后系统启动过程中，CPU主控单元将FPGA配置文件、授权码校验值RES和授权码分量一Auth1通过SPI接口写入FPGA业务单元中，授权码分量二Auth2生产前已固化在MCU授权单元；
G. 如图4所示，FPGA业务单元通过SPI接口与MCU授权单元交互，通过授权协议两步协商的授权认证，协议中^符号表示算数逻辑异或操作，||符号表示字符串拼接操作，第一步FPGA业务单元产生随机数Rnd1，随机数Rnd1与授权码分量一Auth1算数逻辑异或，Ref1=Hash(Rnd1||RES)使用单向函数Hash对随机数Rnd1和授权码校验值RES计算杂凑值，并创建授权消息报文1=01||Rnd1||Rnd1^Auth1|| Ref1，通过SPI接口将授权消息报文1发送MCU授权单元，MCU授权单元接收到授权消息报文1后，获取出Rnd1和Auth1,RES*= Hash（Auth1^Auth2）通过Hash（Rnd1|| RES*）计算出结果，判断是否和发送过来的Ref1值一致，如不一致，提示异常，如一致，表示授权认证第一步成功，同时产生随机数Rnd2，Ref2=Hash(Rnd1^Rnd2||RES)^Auth2使用单向函数Hash对随机数Rnd1与随机数Rnd2的算数逻辑异或值拼接上授权码校验值RES计算杂凑值再异或授权码分量二Auth2，并创建创建授权消息报文2=02||Rnd2|| Ref2，将授权消息报文2发送FPGA业务单元，FPGA业务单元接收到授权消息报文2后，获取Rnd２和Auth2，其中Auth2=Hash（Rnd1^Rnd2||RES）^ Ref2，最后通过Hash（Auth1^Auth2）与RES比较，如不一致，授权失败，FPGA处理单元停止运行，如一致，授权成功，FPGA处理单元正常启动；
H. FPGA处理单元授权失败, 终端设备系统业务停止处理，FPGA处理单元授权成功, 终端设备系统后续正常运行成功后，业务正常处理；
I．通过使用单向函数对FPGA固件进行授权保护方法，采用发放授权码和硬件MCU授权单元结合方式，限制第三方的生产方在未授权情况下不能生产有效启动的终端设备，保障拥有方、开发方和生产方的利益关系。
相关术语解释：
开发方：系统设计实现者；
拥有方：系统购买拥有者；
生产方：拥有方委托的第三方设备生产者；
CPU：中央处理器(全写为central processing unit)；
FPGA：现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array)；
MCU：微控制单元(Microcontroller Unit)；
SPI：串行外设接口（Serial Peripheral Interface）；
HASH：单向函数，将任意长度的消息压缩到某一固定长度的消息摘要的函数；
^：表示算数逻辑异或操作；
||：表示字符串拼接操作；
Rnd：随机数；
Auth：授权码，Auth=Auth1^Auth2；
Auth1：授权码分量一；
Auth2：授权码分量二；
RES：Auth授权码校验值，RES=HASH(Auth)。
上面所述的实施案例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神前提下，本领域普通工程技术人员对本发明技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (1)

1.一种使用单向函数对FPGA固件进行授权保护的方法，其特征在于：终端设备在CPU、FPGA和MCU三单元组合的硬件架构基础上，使用单向函数授权认证方式对FPGA固件进行授权保护，使得终端产权拥有方和开发方能有效授权生产，明确拥有方、开发方和生产方三方利益关系，具体步骤如下：
步骤1: 终端产权拥有方和开发方对生产方进行授权生产，分别提供授权码文件和匹配的MCU授权单元给生产方，生产方进行终端设备生产；
步骤2: 终端设备采用三单元组合的硬件架构，CPU主控单元+FPGA业务单元+MCU授权单元，CPU主控单元通过SPI连接FPGA业务单元，MCU授权单元通过SPI连接FPGA业务单元；
步骤3: 终端设备启动时，MCU授权单元与FPGA业务单元之间通过两步的授权认证实现一对一的授权码分量合成，并使用单向函数验证授权码是否合法，如合法，则授权FPGA业务单元运行进入正常状态；否则,FPGA业务单元停止工作；
其中，针对授权明确拥有方、开发方和生产方三方利益关系，拥有方拥有授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件，开发方开发MCU授权单元，将授权码分量二Auth2写入其中，生产方从拥有方获取授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件，从开发方获取配对的MCU授权单元，将授权码分量一Auth1文件、授权码校验值RES文件和FPGA配置文件写入到CPU主控单元中，将MCU授权单元焊接到终端设备主板，生产终端设备；
其中，授权码校验值RES和授权码分量一Auth1由CPU主控单元通过SPI配置方式传递到FPGA业务单元中存储，授权码分量二Auth2生产已固化在MCU授权单元；
其中，两步的授权认证协议实现，协议中^符号表示算数逻辑异或操作，||符号表示字符串拼接操作，首先FPGA业务单元产生随机数Rnd1，随机数Rnd1与授权码分量一Auth1算数逻辑异或，Ref1=Hash(Rnd1||RES)使用单向函数Hash对随机数Rnd1和授权码校验值RES计算杂凑值，并创建授权消息报文1=01||Rnd1||Rnd1^Auth1|| Ref1，通过SPI接口将授权消息报文1发送MCU授权单元，MCU授权单元接收到授权消息报文1后，获取出Rnd1和Auth1,RES*= Hash（Auth1^Auth2）通过Hash（Rnd1|| RES*）计算出结果，判断是否和发送过来的Ref1值一致，如不一致，提示异常，如一致，表示授权单向认证成功，同时产生随机数Rnd2，Ref2=Hash(Rnd1^Rnd2||RES)^Auth2使用单向函数Hash对随机数Rnd1与随机数Rnd2的算数逻辑异或值拼接上授权码校验值RES计算杂凑值最后再异或授权码分量二Auth2，创建授权消息报文2=02||Rnd2|| Ref2，将授权消息报文2发送FPGA业务单元，FPGA业务单元接收到授权消息报文2后，获取Rnd２和Auth2，其中Auth2=Hash（Rnd1^Rnd2||RES）^ Ref2，最后通过Hash（Auth1^Auth2）与RES比较，如不一致，授权失败，FPGA处理单元停止运行，如一致，授权成功，FPGA处理单元正常启动。
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