CN115202437A - 一种防回滚保护装置及其相关方法 - Google Patents

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Abstract

一种防回滚保护装置，包括实时时钟、时间戳存储器及实时时钟逻辑电路。实时时钟用以产生当前时间。时间戳存储器耦接于该实时时钟，且储存有原时间戳。实时时钟逻辑电路耦接于该时间戳存储器和该实时时钟，用以仅当新时间比该原时间戳所记录的原时间晚时，才将该实时时钟所产生的该当前时间更新为该新时间。

Description

一种防回滚保护装置及其相关方法
技术领域
本发明是关于一种防回滚保护技术，特别是指一种防回滚保护的实时时钟以及其方法。
背景技术
单芯片系统通常包括一个或多个处理器、相关存储器、逻辑和界面。这些系统包含一个实时时钟(Real-Time Clock,RTC)用于指示时间，并追踪日期以及时间。当系统断电时，实时时钟以后备电源继续运行，即使其余处理器和系统断电，实时时钟也能继续保持准确性。
实时时钟是许多电子系统的关键元件，因为维护系统基础架构需要用到实时时钟，例如，网络时间戳、文件编辑日期、日历功能等都与实时时钟精准度有关。
单芯片系统的许多安全功能也使用实时时钟提供的时间戳。例如，系统访问凭证包含时间戳。此外，软件版本会在特定时间启用或停用。
实时时钟对保持准确的时间至关重要，并且实时时钟需要能防止有人恶意篡改时间设定。对实时时钟最常见的攻击方法是骇客通过将实时时钟设定为已过的时间来回滚时间以达成降级攻击，因此需要一种防止实时时钟回滚的机制，以保证实时时钟(RTC)永远不会回滚超过检查点日期和时间的方法，如此可以克服依赖将实时时钟(RTC)设置为过去某个时间的安全攻击。
发明内容
本发明提供一种防回滚保护装置，包括实时时钟(Real-Time Clock,RTC)、时间戳存储器及实时时钟逻辑电路。实时时钟用以产生当前时间。时间戳存储器耦接于该实时时钟，且储存有原时间戳。实时时钟逻辑电路耦接于该时间戳存储器和该实时时钟，用以仅当新时间比该原时间戳所记录的原时间晚时，才将该实时时钟所产生的该当前时间更新为该新时间。
本发明提供一种防回滚保护方法，是用于一防回滚保护装置，防回滚保护装置包括实时时钟、时间戳存储器和实时时钟逻辑电路。防回滚保护方法包括该实时时钟逻辑电路接收将该实时时钟更新为新时间的请求，确认该新时间是否比储存在该时间戳存储器中的原时间戳所记录的原时间晚，及若该新时间比该原时间晚，将该实时时钟更新至该新时间。若该新时间比该原时间早，则不更新该实时时钟至该新时间。
附图说明
第1图是实施例中防回滚保护装置的示意图。
第2图是第1图中防回滚保护装置的时间戳存储器的示意图。
第3图是第1图中防回滚保护装置的实时时钟逻辑电路的决策流程图。
具体实施方式
保护实时时钟免受错误或非法修改的典型方法是控制对实时时钟修改的权限，只有在处理器上运行的某些安全软件才能设定实时时钟的时间。然而，这种保护方法已经难以保证安全性，因为此方法需要系统架构完备(处理器、总线结构、软件)才能正确实施，并且上述保护方法已可被骇客突破。
为了解决这问题，本发明提出了一种具有防回滚保护的实时时钟，其可以应用于特定应用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)。并且特定应用集成电路可使用单独的电池后备电源，当系统的其余部分断电时，后备电源可供应实时时钟继续运行。
第1图是实施例中防回滚保护装置100的示意图。防回滚保护装置100包括时间戳逻辑电路110、实时时钟(Real-Time Clock,RTC)120、实时时钟逻辑电路130和时间戳存储器140。防回滚保护装置100还包括连接其他电路的总线及/或数据路径及两个输入和输出。
实时时钟120通过振荡源(通常是32kHz石英晶体)的振荡计数来维持时间计算，实时时钟120可每秒更新当前时间。实时时钟120可每秒输出当前时间(包含年、月、日、时、分、秒)以供系统使用。
防回滚保护装置100的功能如下。时间戳存储器140允许将数据永久性的写入。一实施例，时间戳存储器140是一单次写入的存储器元件(例如使用单次可编程(One-TimeProgrammable,OTP)存储器或电子熔丝存储器(e-fuse memory)。
当时间戳逻辑电路110接收到一写入新时间戳请求时(也就是将实时时钟120的当前时间写入该时间戳存储器140的请求)，时间戳逻辑电路110可从实时时钟120取得记录有当前时间的新时间戳，并将当前时间与已储存在时间戳存储器140中最新(晚)时间戳所记录的时间进行比较，若从实时时钟120取得的当前时间比储存在时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间晚，则时间戳逻辑电路110会依据该写入新时间戳请求从实时时钟120取得的新时间戳储存至时间戳存储器140中以将其更新(标示)为时间戳存储器140中最新时间戳。若从实时时钟120取得的当前时间比储存在时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间早，则时间戳逻辑电路110会认为该写入新时间戳请求是为不合理的请求，而不会将从实时时钟120取得的新时间戳储存至时间戳存储器140。所以可上述实施例可知，时间戳逻辑电路110用来确保该时间戳存储器140中的最新时间戳所记录时间的正确性。
该实时时钟逻辑电路130接收的输入是用以接收新时间及更新时间请求。当实时时钟逻辑电路130从防回滚保护装置100的外部接收到新时间及更新实时时钟120的请求(可能是一般性时间调校或是恶意篡改时间设定)时，实时时钟逻辑电路130可将新时间与储存在时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间进行比较，若从防回滚保护装置100的外部接收到的新时间比储存在时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间晚，则实时时钟逻辑电路130可将实时时钟120产生的当前时间更新为从防回滚保护装置100的外部取得的新时间。若从防回滚保护装置100的外部接收到的新时间比储存在时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间早，则实时时钟逻辑电路130会认定是恶意篡改时间设定，而不会更新实时时钟120产生的当前时间。
例如：当内建有该防回滚保护装置100的电子设备(例如：移动设备(mobiledevice)、电脑、笔记本电脑、智能手机、智能平板、掌上电脑(personal digitalassistant,PDA)、联网设备、物联网(IoT)设备、智能家电、…)需要进行程序更新升级(软件更新、固件更新)时，便同时启动写入新时间戳的请求，以确保实时时钟120无法被恶意篡改成程序更新之前的时间设定。
由于该时间戳逻辑电路110与该实时时钟逻辑电路130是彼此独立运作，也就是时间戳存储器140的写入与实时时钟120的更新是彼此独立运作。也就是，在该时间戳逻辑电路110独立运作不受其他电路(如：该实时时钟逻辑电路130)、外部请求的控制，可确保该实时时钟逻辑电路130可以分辨出是一般性时间调校或是恶意篡改时间设定，以避免该实时时钟120被恶意篡改其时间设定。
第2图示出储存的时间戳的可能格式。时间戳存储器140可包括单次写入存储器，用于储存时间戳，单次写入存储器可以是非易失性存储器，亦可是单次可编程存储器或电子熔丝存储器。时间戳存储器140储存提交给系统的每个时间戳的时间。时间戳存储器140中的每个条目可为空白(全为零)或非零。时间戳存储器140包括存储器位置阵列，此处示出为索引为0x000到0x3ff。每个存储器位置可以储存有时间戳的年、月、日、时、分和秒。
由于时间戳存储器140中的每个储存位置仅可被写入一次，因此可在连续的储存位置中加入新的时间戳。时间戳存储器140可以包含足够的存储器空间以储存许多时间戳。在实施例中，时间戳存储器140可例如储存1024个时间戳。
时间戳逻辑电路110控制是否允许将从实时时钟120取得的新时间戳写入时间戳存储器140。当时间戳逻辑电路110要将新时间戳写入时间戳存储器140时，时间戳逻辑电路110可将新时间戳储存到时间戳存储器140中的下一个可用位置中。新时间戳所记录的当前时间必须比时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间晚，否则时间戳逻辑电路110就不允许将新时间戳写入时间戳存储器140。时间戳逻辑电路110还可输出储存在时间戳存储器140中最新时间戳以供系统的其他软件或硬体使用，其他软件或硬体可直接依据最新时间戳作为相关的安全性应用。
实时时钟120的设定由实时时钟逻辑电路130控制。当系统要将更新实时时钟120时，实时时钟逻辑电路130可将输入的新时间与时间戳存储器140中的最高非空白位置的最新时间戳所记录的时间进行比较，仅当新时间比最新时间戳记录的时间晚，才允许将实时时钟120更新至新时间。如果新时间不比最新时间戳记录的时间晚，则实时时钟120不会更新。
第3图为实施例中实时时钟逻辑电路130的决策的流程图。在本实施例中，从左上角比较开始，并沿对角线进行直到做出决定。
首先，实时时钟逻辑电路130将新时间的年份与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的年份(year)进行比较，如果新时间的年份大于等于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的年份，则实时时钟逻辑电路130将新时间的月份(month)与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的月份进行比较，否则拒绝更新实时时钟120。接着，在实时时钟逻辑电路130将新时间的月份与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的月份进行比较时，如果新时间的月份大于等于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的月份，则实时时钟逻辑电路130将新时间的日期(day)与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的日期进行比较，否则拒绝更新实时时钟120。接着，在实时时钟逻辑电路130将新时间的日期与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的日期进行比较时，如果新时间的日期大于等于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的日期，则实时时钟逻辑电路130将新时间的小时(hour)与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的小时进行比较，否则拒绝更新实时时钟120。接下来，在实时时钟逻辑电路130将新时间的小时与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的小时进行比较时，如果新时间的小时大于等于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的小时，则实时时钟逻辑电路130将新时间的分钟(minute)与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的分钟进行比较，否则拒绝更新实时时钟120。接着，在实时时钟逻辑电路130将新时间的分钟与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的分钟进行比较时，如果新时间的分钟大于等于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的分钟，则实时时钟逻辑电路130将新时间的秒数(second)与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的秒数进行比较，否则拒绝更新实时时钟120。最后，在实时时钟逻辑电路130将新时间的秒数与时间戳存储器140中最新时间戳所记录的秒数进行比较时，如果新时间的秒数大于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的秒数，则实时时钟120产生的当前时间会更新为新时间，否则拒绝更新实时时钟120。
当制造特定应用集成电路(ASIC)时，时间戳存储器140的内容应是完全空白，因此可让在实时时钟120通电后(例如出厂前测试)立即进行初始设定，在初始设定时可将时间透过实时时钟逻辑电路130输入实时时钟120。
开始运作后，实时时钟120会保持每秒更新输出的当前时间。并且在某个时刻，系统中的软件会期待可以要求时间戳逻辑电路110提供可预防回滚的时间戳。此时，时间戳逻辑电路110可将实时时钟120传来的时间戳储存到时间戳存储器140的最低空白位置(例如0x000)，然后时间戳逻辑电路110可读取此位置0x000以输出时间戳。
若在未来的某个时间，系统可能会尝试将实时时钟120修改为比储存在时间戳存储器140的位置0x000中的时间更早的时间来回滚实时时钟120，实时时钟逻辑电路130会依照决策的流程而拒绝更新实时时钟120。
日后，系统可能会要再建立一个新的防回滚的时间戳(例如：系统欲进行系统变更时(例如：软件更新升级、固件更新升级、…等程序更新升级)时)。此时，时间戳逻辑电路110依据一输入新时间戳的请求将实时时钟120输出的包含当前时间的新时间戳储存在时间戳存储器140的最低的可用空白位置中，并可更新读取时间戳存储器140的位置以确保之后由时间戳存储器140读取到的时间戳是最新的时间戳。换言之，利用该输入新时间戳请求来追踪系统变动。
在之后的某个时间点，系统软件可能要更新实时时钟120。此时，软件会输入新时间至实时时钟逻辑电路130，实时时钟逻辑电路130确认新时间是否晚于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间，若新时间晚于时间戳存储器140中最新时间戳所记录的时间，则允许更新实时时钟120。
当防回滚保护装置100完全断电时，时间戳存储器140还可继续维持所储存的时间戳。当防回滚保护装置100恢复供电时，时间戳逻辑电路110能通过从时间戳存储器140中的最高位置向下扫描直到非空白位置来确定哪个是最新时间戳。因此，当防回滚保护装置100断电后供电也能执行防回滚保护的功能。
本发明提供了一种方法以保证实时时钟不会在时间戳所记录的时间之后回滚，防止系统被降级攻击，增加了系统安全性。本发明可应用于特定应用集成电路(ASIC)的单芯片系统上。另外，在实时时钟操作的所有阶段，例如系统运作时，断电时或实时时钟使用后备电源运作时，皆可保持对实时时钟执行防回滚保护。本发明提供的时间戳存储器储存有复数个时间戳，用以在程序更新(例如：软件升级)及/或发出安全凭证时提供防回滚保护。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【符号说明】
100:防回滚保护装置
110:时间戳逻辑电路
120:实时时钟
130:实时时钟逻辑电路
140:时间戳存储器

Claims (18)

1.一种防回滚保护装置，包括：
一实时时钟(Real-Time Clock,RTC)，用以产生一当前时间；
一时间戳存储器，耦接于该实时时钟，且储存有一原时间戳；及
一实时时钟逻辑电路，耦接于该时间戳存储器和该实时时钟，用以仅当一新时间晚于该原时间戳所记录的一原时间时，才将该实时时钟所产生的该当前时间更新为该新时间；
其中，该时间戳存储器的写入操作不接受该实时时钟逻辑电路的控制。
2.如权利要求1所述的防回滚保护装置，另包括一时间戳逻辑电路，耦接于该时间戳存储器和该实时时钟，用以当接收到一输入时间戳请求时，将一新时间戳储存至该时间戳存储器。
3.如权利要求2所述的防回滚保护装置，其中，仅当该新时间戳所记录的时间比该原时间晚时，该时间戳逻辑电路将该新时间戳储存至该时间戳存储器。
4.如权利要求2或3所述的回滚保护装置，其中，利用该输入时间戳请求来追踪系统变动。
5.如权利要求2或3所述的回滚保护装置，其中该时间戳逻辑电路与该实时时钟逻辑电路是彼此独立运作。
6.如权利要求1所述的防回滚保护装置，其中该时间戳存储器是为一单次写入存储器。
7.如权利要求6所述的防回滚保护装置，其中该单次写入存储器是为一单次可编程存储器以及一电子熔丝存储器的其中之一。
8.如权利要求1所述的防回滚保护装置，其中该时间戳存储器是一非易失性存储器。
9.如权利要求1所述的防回滚保护装置，其中该时间戳存储器储存有复数个时间戳，用以在程序更新及/或发出安全凭证时提供防回滚保护。
10.一种防回滚保护方法，该防回滚保护装置包括一实时时钟、一时间戳存储器和一实时时钟逻辑电路，该防回滚保护方法包括：
该实时时钟逻辑电路接收将该实时时钟更新为一新时间的请求；
确认该新时间是否比储存在该时间戳存储器中的一原时间戳所记录的一原时间晚；及
若该新时间比该原时间晚，将该实时时钟更新至该新时间；
其中若该新时间比该原时间早，则不更新该实时时钟至该新时间。
11.如权利要求10所述的防回滚保护方法，另包括当接收到一输入时间戳请求时，将一新时间戳储存至该时间戳存储器。
12.如权利要求11所述的防回滚保护方法，其中，仅当该新时间戳所记录的时间比该原时间晚时，将该新时间戳储存至该时间戳存储器。
13.如权利要求11或12所述的防回滚保护方法，其中，利用该输入时间戳请求来追踪系统变动。
14.如权利要求10所述的防回滚保护方法，其中，将该新时间戳储存至该时间戳存储器与实时时钟被更新是彼此独立。
15.如权利要求10所述的防回滚保护方法，其中该时间戳存储器包括一单次写入存储器，该原时间戳是储存于该单次写入存储器。
16.如权利要求15所述的防回滚保护方法，其中该单次写入存储器是为一单次可编程(One-Time Programmable,OTP)存储器以及一电子熔丝存储器的其中之一。
17.如权利要求10所述的防回滚保护方法，其中该时间戳存储器是一非易失性存储器。
18.如权利要求10所述的防回滚保护方法，其中该时间戳存储器储存有复数个时间戳，用以在程序更新及/或发出安全凭证时提供防回滚保护。
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