利用FPGA的新功能DeviceDNA保證視頻設(shè)計安全性

2010/04/29

　　越來越多的消費應(yīng)用開始在設(shè)計中集成流式視頻，結(jié)果引入了許多標準和專有的加密算法。但是加密方案以及實現(xiàn)方法不統(tǒng)一導(dǎo)致視頻接收設(shè)備在設(shè)計和支持方面存在巨大的挑戰(zhàn)。DeviceDNA作為FPGA的一項新功能，可保證視頻接收機的設(shè)計安全，同時還可為測試和驗證流程提供支持，從而提供成本經(jīng)濟的高質(zhì)量安全解決方案，支持多種不同的視頻流加密協(xié)議。

　　視頻越來越多地應(yīng)用在我們生活中，除了在電視上的應(yīng)用，還被應(yīng)用在計算機、汽車、PDA/PMP、iPod和手機上。現(xiàn)在，甚至冰箱上可能也應(yīng)用視頻！

　　消費者希望能夠隨時隨地享有視頻所帶來的便利，但是如此廣泛的視頻需求產(chǎn)生了大量不同的流式視頻壓縮標準，以滿足對不同屏幕尺寸分辨率以及高帶寬的要求。


　　要為這么多不同種類的設(shè)備提供視頻內(nèi)容支持，因此在傳統(tǒng)有線電視和衛(wèi)星供應(yīng)商之外又誕生了許多新的視頻流提供源（以及相應(yīng)的廠商）。電話線、因特網(wǎng)和無線通信，在支持流式視頻發(fā)展的同時也為流式視頻帶來了明顯的安全問題。為了解決這一問題，不同的流式視頻源引入并采用了越來越多的標準和專有加密算法。然而，不同廠商間加密方案以及實現(xiàn)方法不統(tǒng)一導(dǎo)致視頻接收設(shè)備在設(shè)計和支持方面存在巨大的挑戰(zhàn)。

　　FPGA提供靈活的解決方案

　　多年來，低成本FPGA器件已經(jīng)成為機頂盒和視頻網(wǎng)關(guān)的關(guān)鍵器件，可提供視頻增強、丟失像素替換、視頻轉(zhuǎn)換、產(chǎn)品靈活性以及產(chǎn)品差異等功能。此外，這些器件還允許生產(chǎn)商方便地支持不同的技術(shù)和協(xié)議，如圖2所示。


　　FPGA平臺的傳統(tǒng)靈活性以及專用的算法功能是解決多種不斷變化的標準和專有加密算法的理想解決方案。器件重配置能力可以根據(jù)需要方便地改變解密算法。通過FPGA器件重配置，設(shè)計可利用更少的邏輯門和更少的器件，從而以更低的總體成本支持更多算法�，F(xiàn)場可升級能力能夠快速方便地應(yīng)對新算法和算法變化，因此可保證產(chǎn)品是未來適用的（future-proofing），并且不必進行昂貴的現(xiàn)場更換即可延長現(xiàn)有產(chǎn)品的壽命。

　　硬件安全問題

　　視頻源提供商的擔心已經(jīng)不僅局限于視頻流本身的安全性，而是已經(jīng)擴展到接收硬件的安全性。有些視頻源提供商正在設(shè)法將其許可和視頻流限定范圍定為能夠提供安全視頻接收機的系統(tǒng)。這需要很多企業(yè)尋求減少支持的數(shù)量并提高器件級的安全性，以進一步提高總體設(shè)計的安全水平。可編程邏輯器件生產(chǎn)商賽靈思公司提供的FPGA平臺則可解決這一問題。該平臺的DeviceDNA技術(shù)可提供支持多種解密算法的能力和更高的器件級安全性。

　　 DeviceDNA允許設(shè)備生產(chǎn)商將一個獨一無二的非易失工廠序列號直接寫入到FPGA器件中。每個器件的ID都不同，因此可以將設(shè)計綁定到特定的FPGA器件中。DeviceDNA可以作為接收設(shè)備的獨特序列號，一個唯一的許可代碼，或者與用戶定義的寫在FPGA構(gòu)造中的認證算法配合使用，從而將特定的設(shè)計與特定FPGA器件緊密綁定在一起。如果某些人試圖克隆或拷貝認證過的設(shè)計，或者將位流寫入另一片不同的FPGA器件，那么由于器件的ID號碼變化，設(shè)計就不會通過認證。DeviceDNA是一個57位長的序列號，可以通過器件內(nèi)部的邏輯構(gòu)造讀取。

　　DeviceDNA與用戶定義認證算法緊密結(jié)合能夠以合理的系統(tǒng)成本實現(xiàn)所需要的安全度。在采用認證算法的方法中，安全性的關(guān)鍵是算法本身。在本方法中，安全過程中必須有某些部分要保密，在本案例中則是用戶定義的算法本身。由于算法在PPGA邏輯構(gòu)造中實現(xiàn)，因此成為FPGA數(shù)百萬配置位中的少數(shù)位。除非知道這些位如何組合在一起，或者知道算法本身，否則參于任何試圖拷貝設(shè)計的人來說，看起來都僅僅是一堆數(shù)字。

　　用戶定義的算法可以如系統(tǒng)所需要的一樣簡單或復(fù)雜 - 例如：可以是簡單的哈希算法，或者更為復(fù)雜的三次DES、AES6?、128或256位，甚至是完全定制的算法。同時還可以將用戶定義的認證算法集成到接收器的認證流程內(nèi)部。這樣可以進一步將接收單元與視頻流系統(tǒng)、設(shè)計與特定的接收單元捆綁在一起，從而進一步提高抵抗克隆的安全能力。此外，算法可以改變以支持不同的視頻解密協(xié)議配置，甚至在不同型號或不同代產(chǎn)品間采用不同的算法，從而進一步保證安全性。

　　安全性提高對生產(chǎn)的影響

　　硬件安全性問題同樣適用于生產(chǎn)流程，特別是板級測試和驗證。因此，設(shè)計中經(jīng)常將JTAG功能移除，因為JTAG功能易使設(shè)計導(dǎo)致反向工程。許多企業(yè)都采用JTAG來縮短測試時間并提高測量和驗證流程中的系統(tǒng)測試覆蓋范圍。然而，沒有JTAG，就需要更多的測試，特別是系統(tǒng)級測試來保證一定的測試覆蓋范圍。不使用JTAG技術(shù)會提高生產(chǎn)成本，并最終影響到系統(tǒng)總成本。

　　JTAG的問題在于INTEST命令，用于檢查設(shè)計的內(nèi)部邏輯功能。反向工程時，這一命令可用來判斷設(shè)計的功能。圖3給出了一個簡單的例子，其中數(shù)據(jù)移入寄存器，執(zhí)行INTEST命令，這樣數(shù)據(jù)會在時鐘作用下移入邏輯構(gòu)造，進入下一寄存器，結(jié)果可以被讀出。由于可將總體設(shè)計的復(fù)雜度縮小到更小的邏輯模塊，因此這一命令可使反向工程的工作更容易。

　　一些FPGA平臺可幫助防止發(fā)生這一過程，同時仍然允許生產(chǎn)商完成其管腳至管腳（pin-to-pin）功能。例如，在Xilinx? Spartan?-3A 平臺中， 可在設(shè)計中使用BSCAN_SPARTAN3A宏模塊，其檢測邏輯可監(jiān)控FPGA構(gòu)造中的JTAG控制信號，如圖4所示。如果檢測到JTAG控制信號的活動，用戶在設(shè)計可以立即繞過關(guān)鍵邏輯或關(guān)斷關(guān)鍵功能，不再執(zhí)行正確的功能。這樣反向工程人員讀到的將是不正確的功能模塊，在不能完成預(yù)期功能的解決方案上浪費時間和資源。


　　支持DeviceDNA的FPGA平臺可保證視頻接收機的設(shè)計安全，同時還可為測試和驗證流程提供支持，從而能夠提供成本經(jīng)濟的高質(zhì)量安全解決方案，支持多種不同的視頻流加密協(xié)議。欲了解更多DeviceDNA或JTAG的詳細信息，請登陸www.xilinx.com/cn參考《Spartan-3系列配置用戶手冊》。
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