TW202240337A - 一種防回滾保護裝置及其相關方法 - Google Patents

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Abstract

一種防回滾保護裝置，包括實時時鐘、時間戳記憶體及實時時鐘邏輯電路。實時時鐘用以產生當前時間。時間戳記憶體耦接於該實時時鐘，且儲存有原時間戳。實時時鐘邏輯電路耦接於該時間戳記憶體和該實時時鐘，用以僅當新時間比該原時間戳所記錄的原時間晚時，才將該實時時鐘所產生的該當前時間更新為該新時間。

Description

一種防回滾保護裝置及其相關方法
本發明是關於一種防回滾保護技術，特別是指一種防回滾保護的實時時鐘以及其方法。
單晶片系統通常包括一個或多個處理器、相關記憶體、邏輯和介面。這些系統包含一個實時時鐘(Real-Time Clock, RTC)用於指示時間，並追蹤日期以及時間。當系統斷電時，實時時鐘以後備電源繼續運行，即使其餘處理器和系統斷電，實時時鐘也能繼續保持準確性。
實時時鐘是許多電子系統的關鍵元件，因為維護系統基礎架構需要用到實時時鐘，例如，網路時間戳、文件編輯日期、日曆功能等都與實時時鐘精準度有關。單晶片系統的許多安全功能也使用實時時鐘提供的時間戳。例如，系統訪問憑證包含時間戳。此外，軟體版本會在特定時間啟用或停用。
實時時鐘對保持準確的時間至關重要，並且實時時鐘需要能防止有人惡意篡改時間設定。對實時時鐘最常見的攻擊方法是駭客通過將實時時鐘設定為已過的時間來回滾時間以達成降級攻擊，因此需要一種防止實時時鐘回滾的機制，以保證實時時鐘(RTC)永遠不會回滾超過檢查點日期和時間的方法，如此可以克服依賴將實時時鐘(RTC)設置為過去某個時間的安全攻擊。
本發明提供一種防回滾保護裝置，包括實時時鐘(Real-Time Clock, RTC)、時間戳記憶體及實時時鐘邏輯電路。實時時鐘用以產生當前時間。時間戳記憶體耦接於該實時時鐘，且儲存有原時間戳。實時時鐘邏輯電路耦接於該時間戳記憶體和該實時時鐘，用以僅當新時間比該原時間戳所記錄的原時間晚時，才將該實時時鐘所產生的該當前時間更新為該新時間。
本發明提供一種防回滾保護方法，係用於一防回滾保護裝置，防回滾保護裝置包括實時時鐘、時間戳記憶體和實時時鐘邏輯電路。方法包括該實時時鐘邏輯電路接收將該實時時鐘更新為新時間的請求，確認該新時間是否比儲存在該時間戳記憶體中的原時間戳所記錄之原時間晚，及若該新時間比該原時間晚，將該實時時鐘更新至該新時間。若該新時間比該原時間早，則不更新該實時時鐘至該新時間。
保護實時時鐘免受錯誤或非法修改的典型方法是控制對實時時鐘修改的權限，只有在處理器上運行的某些安全軟體才能設定實時時鐘的時間。然而，這種保護方法已經難以保證安全性，因為此方法需要系統架構完備（處理器、匯流排結構、軟體）才能正確實施，並且上述保護方法已可被駭客突破。
為了解決這問題，本發明提出了一種具有防回滾保護的實時時鐘，其可以應用於特定應用積體電路（Application Specific Integrated Circuit, ASIC）。並且特定應用積體電路可使用單獨的電池後備電源，當系統的其餘部分斷電時，後備電源可供應實時時鐘繼續運行。
第1圖是實施例中防回滾保護裝置100的示意圖。防回滾保護裝置100包括時間戳邏輯電路110、實時時鐘(Real-Time Clock, RTC)120、實時時鐘邏輯電路130和時間戳記憶體140。防回滾保護裝置100還包括連接其他電路的匯流排及/或資料路徑及兩個輸入和輸出。
實時時鐘120通過振盪源（通常是32kHz石英晶體）的振盪計數來維持時間計算，實時時鐘120可每秒更新當前時間。實時時鐘120可每秒輸出當前時間(包含年、月、日、時、分、秒)以供系統使用。
防回滾保護裝置100的功能如下。時間戳記憶體140允許將資料永久性的寫入。一實施態樣，時間戳記憶體140是一單次寫入的記憶體元件（例如使用單次可程式(One-Time Programmable, OTP)記憶體或電子熔絲記憶體( e-fuse memory）。
當時間戳邏輯電路110接收到一寫入新時間戳請求時(也就是將實時時鐘120的當前時間寫入該時間戳記憶體140的請求)，時間戳邏輯電路110可從實時時鐘120取得記錄有當前時間的新時間戳，並將當前時間與已儲存在時間戳記憶體140中最新(晚)時間戳所記錄的時間進行比較，若從實時時鐘120取得的當前時間比儲存在時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間晚，則時間戳邏輯電路110會依據該寫入新時間戳請求從實時時鐘120取得的新時間戳儲存至時間戳記憶體140中以將其更新(標示)為時間戳記憶體140中最新時間戳。若從實時時鐘120取得的當前時間比儲存在時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間早，則時間戳邏輯電路110會認為該寫入新時間戳請求係為不合理的請求，而不會將從實時時鐘120取得的新時間戳儲存至時間戳記憶體140。所以可上述實施例可知，時間戳邏輯電路110用來確保該時間戳記憶體140中的最新時間戳所記錄時間的正確性。
該實時時鐘邏輯電路130接收的輸入係用以接收新時間及更新時間請求。當實時時鐘邏輯電路130從防回滾保護裝置100的外部接收到新時間及更新實時時鐘120的請求(可能是一般性時間調校或是惡意篡改時間設定)時，實時時鐘邏輯電路130可將新時間與儲存在時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間進行比較，若從防回滾保護裝置100的外部接收到的新時間比儲存在時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間晚，則實時時鐘邏輯電路130可將實時時鐘120產生的當前時間更新為從防回滾保護裝置100的外部取得的新時間。若從防回滾保護裝置100的外部接收到的新時間比儲存在時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間早，則實時時鐘邏輯電路130會認定是惡意篡改時間設定，而不會更新實時時鐘120產生的當前時間。
例如：當內建有該防回滾保護裝置100的電子設備(例如：行動載具(mobile device)、電腦、筆電、智能手機、智能平板、個人行動助理（personal digital assistant, PDA）聯網設備、物聯網(IoT)設備、智能家電、…)需要進行程式更新升級(軟體更新、軔體莄新)時，便同時啟動寫入新時間戳的請求，以確保實時時鐘120無法被惡意篡改成程式更新之前的時間設定。
由於該時間戳邏輯電路110與該實時時鐘邏輯電路130係彼此獨立運作，也就是時間戳記憶體140的寫入與實時時鐘120的更新是彼此獨立運作。也就是，在該時間戳邏輯電路110獨立運作不受其他電路 (如：該實時時鐘邏輯電路130)、外部請求的控制，可確保該實時時鐘邏輯電路130可以會分辨出是一般性時間調校或是惡意篡改時間設定，以避免該實時時鐘120被惡意篡改其時間設定。
第2圖示出儲存的時間戳的可能格式。時間戳記憶體140可包括單次寫入記憶體，用於儲存時間戳，單次寫入記憶體可以是非揮發性記憶體，亦可是單次可程式記憶體或電子熔絲記憶體。時間戳記憶體140儲存提交給系統的每個時間戳的時間。時間戳記憶體140中的每個條目可為空白（全為零）或非零。時間戳記憶體140包括記憶體位置陣列，此處示出為索引為0x000到0x3ff。每個記憶體位置可以儲存有時間戳的年、月、日、時、分和秒。
由於時間戳記憶體140中的每個儲存位置僅可被寫入一次，因此可在連續的儲存位置中加入新的時間戳。時間戳記憶體140可以包含足夠的記憶體空間以儲存許多時間戳。在實施例中，時間戳記憶體140可例如儲存1024個時間戳。
時間戳邏輯電路110控制是否允許將從實時時鐘120取得的新時間戳寫入時間戳記憶體140。當時間戳邏輯電路110要將新時間戳寫入時間戳記憶體140時，時間戳邏輯電路110可將新時間戳儲存到時間戳記憶體140中的下一個可用位置中。新時間戳所記錄的當前時間必須比時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間晚，否則時間戳邏輯電路110就不允許將新時間戳寫入時間戳記憶體140。時間戳邏輯電路110還可輸出儲存在時間戳記憶體140中最新時間戳以供系統的其他軟體或硬體使用，其他軟體或硬體可直接依據最新時間戳作為相關的安全性應用。
實時時鐘120的設定由實時時鐘邏輯電路130控制。當系統要將更新實時時鐘120時，實時時鐘邏輯電路130可將輸入的新時間與時間戳記憶體140中的最高非空白位置的最新時間戳所記錄的時間進行比較，僅當新時間比最新時間戳記錄的時間晚，才允許將實時時鐘120更新至新時間。如果新時間不比最新時間戳記錄的時間晚，則實時時鐘120不會更新。
第3圖為實施例中實時時鐘邏輯電路130的決策的流程圖。在本實施例中，從左上角比較開始，並沿對角線進行直到做出決定。
首先，實時時鐘邏輯電路130將新時間的年份與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的年份(year)進行比較，如果新時間的年份大於等於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的年份，則實時時鐘邏輯電路130將新時間的月份(month)與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的月份進行比較，否則拒絕更新實時時鐘120。接著，在實時時鐘邏輯電路130將新時間的月份與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的月份進行比較時，如果新時間的月份大於等於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的月份，則實時時鐘邏輯電路130將新時間的日期(day)與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的日期進行比較，否則拒絕更新實時時鐘120。接著，在實時時鐘邏輯電路130將新時間的日期與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的日期進行比較時，如果新時間的日期大於等於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的日期，則實時時鐘邏輯電路130將新時間的小時(hour)與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的小時進行比較，否則拒絕更新實時時鐘120。接下來，在實時時鐘邏輯電路130將新時間的小時與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的小時進行比較時，如果新時間的小時大於等於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的小時，則實時時鐘邏輯電路130將新時間的分鐘(minute)與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的分鐘進行比較，否則拒絕更新實時時鐘120。接著，在實時時鐘邏輯電路130將新時間的分鐘與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的分鐘進行比較時，如果新時間的分鐘大於等於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的分鐘，則實時時鐘邏輯電路130將新時間的秒數(second)與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的秒數進行比較，否則拒絕更新實時時鐘120。最後，在實時時鐘邏輯電路130將新時間的秒數與時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的秒數進行比較時，如果新時間的秒數大於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的秒數，則實時時鐘120產生的當前時間會更新為新時間，否則拒絕更新實時時鐘120。
當製造特定應用積體電路(ASIC)時，時間戳記憶體140的內容應是完全空白，因此可讓在實時時鐘120通電後(例如出廠前測試)立即進行初始設定，在初始設定時可將時間透過實時時鐘邏輯電路130輸入實時時鐘120。
開始運作後，實時時鐘120會保持每秒更新輸出的當前時間。並且在某個時刻，系統中的軟體會期待可以要求時間戳邏輯電路110提供可預防回滾的時間戳。此時，時間戳邏輯電路110可將實時時鐘120傳來的時間戳儲存到時間戳記憶體140的最低空白位置(例如0x000)，然後時間戳邏輯電路110可讀取此位置0x000以輸出時間戳。
若在未來的某個時間，系統可能會嘗試將實時時鐘120修改為比儲存在時間戳記憶體140的位置0x000中的時間更早的時間來回滾實時時鐘120，實時時鐘邏輯電路130會依照決策的流程而拒絕更新實時時鐘120。
日後，系統可能會要再建立一個新的防回滾的時間戳(例如：系統欲進行系統變更時(例如：軟體更新升級、軔體更新升級、…等程式更新升級)時)。此時，時間戳邏輯電路110依據一輸入新時間戳的請求將實時時鐘120輸出之包含當前時間的新時間戳儲存在時間戳記憶體140的最低的可用空白位置中，並可更新讀取時間戳記憶體140的位置以確保之後由時間戳記憶體140讀取到的時間戳是最新的時間戳。換言之，利用該輸入新時間戳請求來追蹤系統變動。
在之後的某個時間點，系統軟體可能要更新實時時鐘120。此時，軟體會輸入新時間至實時時鐘邏輯電路130，實時時鐘邏輯電路130確認新時間是否晚於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間，若新時間晚於時間戳記憶體140中最新時間戳所記錄的時間，則允許更新實時時鐘120。
當防回滾保護裝置100完全斷電時，時間戳記憶體140還可繼續維持所儲存的時間戳。當防回滾保護裝置100恢復供電時，時間戳邏輯電路110能通過從時間戳記憶體140中的最高位置向下掃描直到非空白位置來確定哪個是最新時間戳。因此，當防回滾保護裝置100斷電後供電也能執行防回滾保護的功能。
本發明提供了一種方法以保證實時時鐘不會在時間戳所記錄的時間之後回滾，防止系統被降級攻擊，增加了系統安全性。本發明可應用於特定應用積體電路(ASIC)之單晶片系統上。另外，在實時時鐘操作的所有階段，例如系統運作時，斷電時或實時時鐘使用後備電源運作時，皆可保持對實時時鐘執行防回滾保護。本發明提供的時間戳記憶體儲存有複數個時間戳，用以在系統變更時(例如軟體升級)及/或發出安全憑證時提供防回滾保護。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:防回滾保護裝置 110:時間戳邏輯電路 120:實時時鐘 130:實時時鐘邏輯電路 140:時間戳記憶體
第1圖是實施例中防回滾保護裝置的示意圖。 第2圖是第1圖防回滾保護裝置之時間戳記憶體的示意圖。 第3圖是第1圖防回滾保護裝置之實時時鐘邏輯電路的決策流程圖。
100:防回滾保護裝置
110:時間戳邏輯電路
120:實時時鐘
130:實時時鐘邏輯電路
140:時間戳記憶體

Claims (18)

  1. 一種防回滾保護裝置，包括： 一實時時鐘(Real-Time Clock, RTC)，用以產生一當前時間； 一時間戳記憶體，耦接於該實時時鐘，且儲存有一原時間戳；及 一實時時鐘邏輯電路，耦接於該時間戳記憶體和該實時時鐘，用以僅當一新時間晚於該原時間戳所記錄的一原時間時，才將該實時時鐘所產生的該當前時間更新為該新時間； 其中，該時間戳記憶體的寫入運作不接受該實時時鐘邏輯電路的控制。
  2. 如請求項1所述的防回滾保護裝置，另包括一時間戳邏輯電路，耦接於該時間戳記憶體和該實時時鐘，用以當接收到一輸入時間戳請求時，將一新時間戳儲存至該時間戳記憶體。
  3. 如請求項2所述的防回滾保護裝置，其中，僅當該新時間戳所記錄的時間比該原時間晚時，該時間戳邏輯電路將該新時間戳儲存至該時間戳記憶體。
  4. 如請求項2或3所述的回滾保護裝置，其中，利用該輸入時間戳請求來追蹤系統變動電路。
  5. 如請求項2或3所述的回滾保護裝置，其中該時間戳邏輯電路與該實時時鐘邏輯電路係彼此獨立運作。
  6. 如請求項1所述的防回滾保護裝置，其中該時間戳記憶體係為一單次寫入記憶體。
  7. 如請求項6所述的防回滾保護裝置，其中該單次寫入記憶體係為一單次可程式記憶體以及一電子熔絲記憶體的其中之一。
  8. 如請求項1所述的防回滾保護裝置，其中該時間戳記憶體係一非揮發性記憶體。
  9. 如請求項1所述的防回滾保護裝置，其中該時間戳記憶體儲存有複數個時間戳，用以在系統變更及/或發出安全憑證時提供防回滾保護。
  10. 一種防回滾保護方法，該防回滾保護裝置包括一實時時鐘、一時間戳記憶體和一實時時鐘邏輯電路，該防回滾保護方法包括： 該實時時鐘邏輯電路接收將該實時時鐘更新為一新時間的請求； 確認該新時間是否比儲存在該時間戳記憶體中的一原時間戳所記錄之一原時間晚；及 若該新時間比該原時間晚，將該實時時鐘更新至該新時間； 其中若該新時間比該原時間早，則不更新該實時時鐘至該新時間。
  11. 如請求項10所述的防回滾保護方法，另包括當接收到一輸入時間戳請求時，將一新時間戳儲存至該時間戳記憶體。
  12. 如請求項11所述的防回滾保護方法，其中，僅當該新時間戳所記錄的時間比該原時間晚時，將該新時間戳儲存至該時間戳記憶體。
  13. 如請求項11或12所述的防回滾保護方法，其中，利用該輸入時間戳請求來追蹤系統變動。
  14. 如請求項10所述的防回滾保護方法，其中，將該新時間戳儲存至該時間戳記憶體與實時時鐘被更新是彼此獨立。
  15. 如請求項10所述的防回滾保護方法，其中該時間戳記憶體包括一單次寫入記憶體，該原時間戳係儲存於該單次寫入記憶體。
  16. 如請求項15所述的方法，其中該單次寫入記憶體係為一單次可程式(One-Time Programmable, OTP)記憶體以及一電子熔絲記憶體的其中之一。
  17. 如請求項10所述的防回滾保護方法，其中該時間戳記憶體係一非揮發性記憶體。
  18. 如請求項10所述的防回滾保護方法，其中該時間戳記憶體儲存有複數個時間戳，用以在系統變更及/或發出安全憑證時提供防回滾保護。
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