了解DSSHA1可合成SHA-1协处理器

质询和响应身份验证要求 MAC 发起方和 MAC 接收方根据隐藏的机密和公共数据计算消息认证代码。发起方通常是 SHA-1 身份验证器或具有 SHA-1 引擎的受保护内存。MAC 接收方是应用程序的主机处理器。本应用笔记介绍了DSSHA1可合成SHA-1协处理器，该协处理器可在专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）中实现，作为DS2460 SHA-1协处理器或基于微处理器的替代方案。

介绍

质询和响应身份验证基于消息身份验证代码 （MAC） 的计算。该方法涉及两个实体，即 MAC 发起方和 MAC 接收方，它们共享一个隐藏的机密。为了证明 MAC 发起方的真实性，MAC 接收方会生成一个随机数，并将其作为质询发送给发起方。然后，MAC 发起方必须根据机密、消息和质询计算新的 MAC，并将其发送回接收方。如果发起方证明能够为任何质询生成有效的MAC，则非常确定它知道该机密，因此可以被认为是真实的。计算消息身份验证代码的彻底审查和国际认证的算法是SHA-1，它由美国国家标准与技术研究院（NIST）开发。

ADI公司生产一系列采用SHA-1算法的认证器件。教程3675“通过安全认证保护研发投资”以安全存储器和DS2460 SHA-1协处理器的形式解释了ADI公司的认证解决方案。DSSHA1存储器映射SHA-1协处理器允许DS2460的计算能力在专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）中实现，无需开发软件即可执行复杂的SHA-1计算。DSSHA1或DS2460计算的MAC仅适用于ADI公司的SHA-1器件。

描述

DSSHA1 是一款可合成的内存映射 SHA-1 协处理器，包括一个存储 64 字节消息的 64 字节通用 RAM。输入消息用于计算 SHA-1 MAC。DSSHA1 输入和输出端口信号设计用于内部连接到 32 位总线。通过积极的比较结果，在主机系统和从属附件之间实现了身份验证安全性。

图 1 显示了 DSSHA1 框图。表 1 描述了将 DSSHA1 连接到主机系统的信号。使用数据总线输入、地址和控制信号，将 64 字节 SHA-1 消息插入 RAM。将输入信号RUN_SHA触发至逻辑高电平将启动SHA-1计算。输出 BUSY 信号指示正在发生的计算。完成 BUSY 信号后，结果寄存器包含 20 字节消息摘要以供读取。

图1.方框图。

 

名字	类型*	功能
CLK	I	时钟。在正边，信号 DATAI[31：0] 和 DATAO[31：0] 上的数据被输入和输出。
RSTZ	I	/有效复位。RSTZ信号在CLK信号的正边沿的每个间隔处进行评估。有必要在每次加载 512 位消息和 MAC 计算之前进行重置。
CSZ	I	/有效芯片选择。对于寄存器和存储器的所有访问，此信号必须为低电平。
WRZ	I	低电平有效写使能。在所有写入操作期间，此信号必须为低电平。
ADDR[4:0]	I	地址 [4：0]。这五个信号就是地址信号。
DATAI[31:0]	I	数据总线输入。这32个信号是输入数据总线。
DATAO[31:0]	O	数据总线输出。这32个信号是输出数据总线。
BUSY	O	忙。当信号为高电平时，此信号表示SHA-1协处理器正忙于执行计算。当此信号为高电平时，不应有数据访问。
RUN_SHA	I	运行 SHA-1。该信号必须只有一个时钟周期宽，并在CLK信号的正边沿启动SHA-1计算。
*I = 输入，O = 输出。

 

详细寄存器说明

DSSHA1 存储器由 32 个 2 位字组成，从输入缓冲器开始，以寄存器结束，用于读取 MAC 结果（表 <>）。

 

地址（十六进制）	类型	访问	功能
00h 至 0Fh	RAM	读/写	64字节缓冲器输入。这是 512 位输入块，通常包括 64 位从设备密钥和由随机质询和各种数据组成的 448 位输入消息。
10小时至14小时	寄存 器	读	20 字节结果。这是用于与 SHA-1 从设备接收到的 MAC 进行比较的 MAC。

 

输入缓冲器（00h 至 0Fh）

SHA-1 引擎通过 64 字节输入缓冲区接收要处理的数据。此缓冲区保存 SHA-512 引擎处理以生成 MAC 的 1 位消息。机密和其他消息数据包含在输入缓冲区中。密钥的安全性是留给设计人员的任务。数据的格式由每个ADI公司的SHA-1从器件定义。

MAC 结果（10 小时至 14 小时）

SHA-20 计算的 1 字节 MAC 驻留在 MAC 结果地址空间中。

设备操作

DSSHA1在应用中的典型用途包括写入、读取和运行SHA-1引擎，并使用MAC结果将该模块与1-Wire SHA-1器件的MAC进行外部比较。所有这些活动都通过具有独立数据输入和输出线的 32 位接口进行控制，以便轻松连接到 ASIC 或 FPGA 内部总线。下面的 SHA-1 引擎控制部分介绍了数据输入和输出格式以及如何指示 SHA-1 引擎执行 MAC 计算。

SHA-1 发动机控制

DSSHA1执行SHA-1发动机的工作。输入缓冲区接受消息。MAC 输出缓冲区接收生成的 SHA-1 计算。图 2 说明了流入和流出 SHA-1 引擎的数据流。

应用电源复位启动使用 SHA-1 引擎的第一步。接下来，以表 3 的格式将消息加载到输入缓冲区中。消息加载完成后，用户向RUN_SHA输入信号发送脉冲。在 SHA-1 计算期间，BUSY 信号变为并保持逻辑高电平。当SHA-1计算完成时，忙信号再次变为逻辑低电平。所有五个MRR寄存器（见表4）都包含用于读取的MAC结果。

图2.数据流图。

 

M0[31：24] = （IB + 0）	M0[23：16] = （IB + 1）	M0[15：8] = （IB + 2）	M0[7：0] = （IB + 3）
M1[31：24] = （IB + 4）	M1[23：16] = （IB + 5）	M1[15：8] = （IB + 6）	M1[7：0] = （IB + 7）
M2[31：24] = （IB + 8）	M2[23：16] = （IB + 9）	M2[15：8] = （IB + 10）	M2[7：0] = （IB + 11）
M3[31：24] = （IB + 12）	M3[23：16] = （IB + 13）	M3[15：8] = （IB + 14）	M3[7：0] = （IB + 15）
M4[31：24] = （IB + 16）	M4[23：16] = （IB + 17）	M4[15：8] = （IB + 18）	M4[7：0] = （IB + 19）
M5[31：24] = （IB + 20）	M5[23：16] = （IB + 21）	M5[15：8] = （IB + 22）	M5[7：0] = （IB + 23）
M6[31：24] = （IB + 24）	M6[23：16] = （IB + 25）	M6[15：8] = （IB + 26）	M6[7：0] = （IB + 27）
M7[31：24] = （IB + 28）	M7[23：16] = （IB + 29）	M7[15：8] = （IB + 30）	M7[7：0] = （IB + 31）
M8[31：24] = （IB + 32）	M8[23：16] = （IB + 33）	M8[15：8] = （IB + 34）	M8[7：0] = （IB + 35）
M9[31：24] = （IB + 36）	M9[23：16] = （IB + 37）	M9[15：8] = （IB + 38）	M9[7：0] = （IB + 39）
M10[31：24] = （IB + 40）	M10[23：16] = （IB + 41）	M10[15：8] = （IB + 42）	M10[7：0] = （IB + 43）
M11[31：24] = （IB + 44）	M11[23：16] = （IB + 45）	M11[15：8] = （IB + 46）	M11[7：0] = （IB + 47）
M12[31：24] = （IB + 48）	M12[23：16] = （IB + 49）	M12[15：8] = （IB + 50）	M12[7：0] = （IB + 51）
M13[31：24] = （IB + 52）	M13[23：16] = （IB + 53）	M13[15：8] = （IB + 54）	M13[7：0] = （IB + 55）
M14[31：24] = （IB + 56）	M14[23：16] = （IB + 57）	M14[15：8] = （IB + 58）	M14[7：0] = （IB + 59）
M15[31：24] = （IB + 60）	M15[23：16] = （IB + 61）	M15[15：8] = （IB + 62）	M15[7：0] = （IB + 63）
Mt = SHA-1 发动机的输入缓冲区;0 ≤ t ≤ 15;32 位字，起始地址为 00h，结束地址为 0Fh。 IB = 输入缓冲区。

 

表 4 显示了保存 MAC 的五个 32 位变量 A 到 E 如何映射到各自的位置。

 

Address (Hex)	MAC Result Registers (MRR)
10h	MRR[31:0] = A[31:0] (least significant)
11h	MRR[31:0] = B[31:0]
12h	MRR[31:0] = C[31:0]
13h	MRR[31:0] = D[31:0]
14h	MRR[31:0] = E[31:0] (most significant)

 

MAC 比较

主站需要针对 DSSHA1 MAC 测试从属 MAC。如果从属 MAC 和 DSSHA1 MAC 的值相等，则验证真实性。如果从属 MAC 和 DSSHA1 MAC 不同，则会验证欺诈行为。

功能验证

要测试 DSSHA1，测试消息“abc”可以验证功能。此具有适当填充的测试消息可以转换为以下输入块：

 

W[0] = 61626380	W[8] = 00000000
W[1] = 00000000	W[9] = 00000000
W[2] = 00000000	W[10] = 00000000
W[3] = 00000000	W[11] = 00000000
W[4] = 00000000	W[12] = 00000000
W[5] = 00000000	W[13] = 00000000
W[6] = 00000000	W[14] = 00000000
W[7] = 00000000	W[15] = 00000018

 

使用表 3 的格式，此测试消息的输入块将是表 5 中的值。

 

M0[31：24] = 61h	M0[23：16] = 62h	M0[15：8] = 63h	M0[7：0] = 80h
M1[31：24] = 00h	M1[23：16] = 00h	M1[15：8] = 00h	M1[7：0] = 00h
M2[31：24] = 00h	M2[23：16] = 00h	M2[15：8] = 00h	M2[7：0] = 00h
M3[31：24] = 00h	M3[23：16] = 00h	M3[15：8] = 00h	M3[7：0] = 00h
M4[31：24] = 00h	M4[23：16] = 00h	M4[15：8] = 00h	M4[7：0] = 00h
M5[31：24] = 00h	M5[23：16] = 00h	M5[15：8] = 00h	M5[7：0] = 00h
M6[31：24] = 00h	M6[23：16] = 00h	M6[15：8] = 00h	M6[7：0] = 00h
M7[31：24] = 00h	M7[23：16] = 00h	M7[15：8] = 00h	M7[7：0] = 00h
M8[31：24] = 00h	M8[23：16] = 00h	M8[15：8] = 00h	M8[7：0] = 00h
M9[31：24] = 00h	M9[23：16] = 00h	M9[15：8] = 00h	M9[7：0] = 00h
M10[31：24] = 00h	M10[23：16] = 00h	M10[15：8] = 00h	M10[7：0] = 00h
M11[31：24] = 00h	M11[23：16] = 00h	M11[15：8] = 00h	M11[7：0] = 00h
M12[31：24] = 00h	M12[23：16] = 00h	M12[15：8] = 00h	M12[7：0] = 00h
M13[31：24] = 00h	M13[23：16] = 00h	M13[15：8] = 00h	M13[7：0] = 00h
M14[31：24] = 00h	M14[23：16] = 00h	M14[15：8] = 00h	M14[7：0] = 00h
M15[31：24] = 00h	M15[23：16] = 00h	M15[15：8] = 00h	M15[7：0] = 18h
Mt = SHA-1 发动机的输入缓冲区;0 ≤ t ≤ 15;32 位字，起始地址为 00h，结束地址为 0Fh。

 

此块的计算输出为：

A[31：0] = 42541B35
B[31：0] = 5738D5E1
C[31：0] = 21834873
D[31：0] = 681E6DF6
E[31：0] = D8FDF6AD

ADI公司器件首先将这些字作为最高有效字，将独立字节作为最低有效字节（LSB）。因此，MAC 的字节级传输序列将是：

 

AD F6 FD D8	F6 6D 1E 68	73 48 83 21	E1 D5 38 57	35 1B 54 42
(E)	(D)	(C)	(B)	(A)

 

时序规格

图 3 和图 4 显示了写入和读取 DSSHA1 的时序图。表6显示了使用ARM TSMC CL50G（50.018μm通用工艺）0.18V SAGE-X标准电池库（版本1q8v2004）在+3°C下从1%电源到25%电源测量的延迟值。 输出信号未加载。输入信号以 0.200ns 的标准压摆驱动，电源的 10% 至 90%。

 

参数	象征	最小值	麦克斯	单位
CLK循环（注1）	tCYC	12.500		ns
CLK上升沿前的芯片选择设置（注1）	tCSS	0.229		ns
CLK上升沿后芯片选择保持（注1）	tCSH	0.000		ns
CLK上升沿前的地址和数据设置（注1）	tAS	0.229		ns
CLK上升沿后的地址和数据保持（注1）	tAH	0.000		ns
有效输出时间至DATAO有效（注释1、2）	tAO		0.984	ns
停用数据[31：0] （注1）	tD		0.984	ns
注1：这些值取决于用于实现电路的过程。显示的值仅用于示例目的，并使用 ARM 台积电 CL018G（0.18μm 通用工艺）1.8V SAGE-X 标准细胞库 2004q3v1 进行建模。ARM 部件号为 A0082。 注2：此时间定义为典型拐角的有效输出的最长可能延迟。

 

图3.写入周期。

图4.读取周期。

应用信息

FPGA 或 ASIC 集成了设计的 DSSHA1。使用多个模块，可实现的身份验证方法使设计安全。在图5中，带有微处理器的设计模块可以将SHA-1计算卸载到DSSHA1。在图5中，设计人员首先制作一个随机生成的质询，并将DSSHA1的结果与DS28E01-100的响应进行比较。如果结果和响应匹配，则设计已经过身份验证，可以启用产品的功能。通常需要在软件和硬件的身份验证过程中进行更改。这使得成功攻击的可能性降低。更多信息请参考应用笔记1098：“白皮书3：为什么1-Wire SHA-1器件安全？

图5.典型的 FPGA 或 ASIC 应用。

物理估计

门数 6，423（NAND 2x1 用于计算）。

面积为85，470μm²，无布线。

面积为102，256μm²，布线估计值。

用于估算的库：

ARM 台积电 CL018G （0.18μm 通用工艺） 1.8V SAGE-X 标准电池库，版本 2004Q3V1。ARM 部件号为 A0082。

验证

业界通常使用以下约定来表示 IP 块的验证级别：

黄金IP一直是针对硅的。

银牌IP一直是FPGA中的硅目标。

铜牌 IP 已在具有逻辑时序收敛功能的硅模型中得到验证。

开发中的 IP 尚未得到验证。

注意：DSSHA1已获得银牌地位。

交付

DSSHA1 软件包随附：

Verilog HDL

威瑞格测试台

有关安装程序和脚本的自述文件

总结

DSSHA1可合成SHA-1协处理器是DS2460或基于微处理器的替代方案。它可以嵌入到FPGA或ASIC中，在那里它显示为存储器映射器件。对于操作，首先在 16 字输入缓冲区中填充用于 MAC 计算的数据。激活RUN_SHA信号将启动计算过程，从而将 BUSY 信号从低电平更改为高电平。在 BUSY 信号恢复为低电平后，MAC 准备就绪，可以从 5 字结果寄存器读取。主机处理器将 DSSHA1 计算的 MAC 与安全内存提供的 MAC 进行比较。如果两个 MAC 值相同，则确认真实性。

审核编辑：郭婷