DS28E01 芯片基礎知識：安全認證與存儲解決方案

　　DS28E01 是一款由 Maxim Integrated（現已被 Analog Devices 收購）公司生產的 1-Wire? 安全驗證器，它集成了安全的 EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）和哈希算法功能。這款芯片主要用于設備認證、知識產權保護、耗材管理以及其他需要高安全性數據存儲和驗證的應用。DS28E01 的核心優勢在于其內置的硬件加密引擎，能夠提供強大的防偽能力，有效阻止克隆和未經授權的訪問。

　　1. DS28E01 芯片概述

　　DS28E01 是一款基于 SHA-1（安全哈希算法 1）的單引腳（1-Wire）安全驗證器。它的設計理念是為了在資源受限的環境中提供強大的安全功能，例如在電池供電的設備、傳感器節點、一次性耗材以及各種需要驗證其真實性的產品中。通過 1-Wire 接口，DS28E01 可以與主控器進行通信，進行數據讀寫和哈希運算。其低功耗特性使其非常適合便攜式和嵌入式應用。

　　2. 1-Wire 接口

　　DS28E01 采用 Maxim 獨特的 1-Wire 接口技術。1-Wire 接口是一種單總線通信協議，僅需一根信號線（DQ）和一個地線（GND）即可實現主設備與從設備之間的雙向通信和供電。這種設計極大地簡化了布線，降低了成本，并減少了連接器引腳的數量。

　　單引腳通信： 數據線（DQ）同時用于電源傳輸和數據通信。在空閑狀態下，DQ 線通常由主設備拉高，為從設備提供寄生電源。當需要通信時，主設備通過拉低 DQ 線來發出信號。

　　寄生電源： DS28E01 在通信間隙通過 DQ 線獲取電源，這在許多低功耗應用中是一個顯著優勢，因為它減少了對獨立電源引腳的需求，從而簡化了電路設計。

　　唯一 64 位注冊碼： 每個 DS28E01 芯片在出廠時都預編程了一個全球唯一的 64 位注冊碼。這個注冊碼可以作為芯片的序列號，用于設備識別和管理。在 1-Wire 網絡中，主設備可以通過枚舉來發現并識別總線上的所有 1-Wire 設備。

　　通信協議： 1-Wire 協議基于嚴格的時序，包括復位脈沖、存在脈沖、讀時隙和寫時隙。主設備通過精確控制 DQ 線的電平翻轉和持續時間來發送和接收數據。這種時序敏感性也是其安全性的一部分，因為非標準時序的嘗試通常會被芯片拒絕。

　　3. 主要功能與特性

　　DS28E01 融合了多項關鍵功能，使其成為一款強大的安全解決方案：

　　SHA-1 哈希引擎： 這是 DS28E01 的核心安全功能。它內置了硬件實現的 SHA-1 算法，可以對輸入數據（通常是主設備提供的挑戰數據、芯片內部的密鑰和/或部分存儲數據）進行哈希運算，生成 20 字節（160 位）的哈希值。主設備可以根據這個哈希值來驗證芯片的真實性。SHA-1 算法是密碼學中一種廣泛使用的單向哈希函數，它具有抗碰撞性，即很難找到兩個不同的輸入能產生相同的哈希輸出。

　　安全 EEPROM： DS28E01 集成了 1024 位（128 字節）的 EEPROM，分為 4 頁，每頁 32 字節。這些存儲區域可以用于存儲各種數據，例如校準數據、生產信息、使用日志、加密密鑰等。重要的是，這些 EEPROM 區域可以被配置為受保護的存儲區域，這意味著在寫入后可以被鎖定，防止進一步的修改，從而增強數據的完整性。部分內存區域甚至可以配置為一次性可編程（OTP）模式，一旦寫入數據就不能更改。

　　密鑰存儲： 芯片內部有一個專用的 64 位秘密密鑰（Secret Key）存儲區域。這個密鑰在制造或系統配置階段寫入，并在芯片正常操作中被保護起來，無法直接讀出。它是 SHA-1 哈希運算的關鍵組成部分，用于生成哈希值，從而實現安全的認證過程。秘密密鑰的安全性至關重要，因為它直接決定了整個認證方案的強度。

　　硬件安全： DS28E01 的設計包含了多層硬件安全機制，旨在防止未經授權的訪問和篡改。這包括對內部存儲器和密鑰的物理保護，以及對功耗分析、故障注入等側信道攻擊的抵抗能力。這些硬件層面的安全措施使得攻擊者很難通過非標準手段提取密鑰或繞過認證機制。

　　一次性可編程存儲器（OTP）： 部分 EEPROM 區域可以配置為 OTP，一旦寫入就不能更改。這對于存儲一些必須永久固定且不可修改的信息非常有用，例如產品批次號、序列號、固件版本信息或者特定的安全標志。

　　壽命計數器（可選）： 雖然 DS28E01 本身沒有內置獨立的壽命計數器，但其 EEPROM 可以用于實現此功能。通過每次使用后遞增 EEPROM 中的某個字節，可以實現對設備使用次數的統計。結合安全哈希和認證機制，可以防止篡改計數，從而有效管理耗材的使用壽命。

　　寬工作電壓范圍： DS28E01 通常支持較寬的電源電壓范圍，使其適用于多種不同的系統設計。

　　4. 安全認證工作原理

　　DS28E01 的安全認證過程通常基于“挑戰-響應”機制，這是一種常見的密碼學認證協議：

　　挑戰（Challenge）： 主控器（例如微控制器、FPGA 或 PC）生成一個隨機數或偽隨機數，作為挑戰數據。這個挑戰數據是臨時的，每次認證都不同，以防止重放攻擊。主控器將這個挑戰數據發送給 DS28E01。

　　哈希運算（Hash Computation）： DS28E01 接收到挑戰數據后，將其與芯片內部的秘密密鑰以及（可選地）芯片的 64 位唯一注冊碼、EEPROM 中的數據等作為輸入，通過其內置的 SHA-1 哈希引擎進行哈希運算。這個哈希運算的結果是一個 160 位的哈希值。 HashValuechip=SHA?1(Challenge∣∣SecretKey∣∣UniqueID∣∣OtherData) 其中，∣∣ 表示連接操作。

　　響應（Response）： DS28E01 將計算出的 160 位哈希值作為響應發送回主控器。

　　驗證（Verification）： 主控器收到 DS28E01 的哈希響應后，使用相同的挑戰數據、主控器內部存儲的秘密密鑰副本（或者通過其他安全方式獲取的密鑰），以及DS28E01 的唯一注冊碼（從 DS28E01 讀取）和相應的其他數據，執行同樣的 SHA-1 哈希運算。 HashValuehost=SHA?1(Challenge∣∣SecretKeyhost∣∣UniqueID∣∣OtherData)

　　比較（Comparison）： 主控器將自己計算出的哈希值 HashValuehost 與從 DS28E01 收到的哈希值 HashValuechip 進行比較。

　　如果兩個哈希值完全匹配，則主控器確認 DS28E01 是一個真實的、被授權的芯片。

　　如果哈希值不匹配，則表明該芯片是偽造的、未經授權的，或者數據已被篡改，主控器將拒絕其認證。

　　這種挑戰-響應機制確保了即使攻擊者截獲了通信數據，也無法通過重放來偽造認證，因為每次的挑戰都是不同的。同時，由于秘密密鑰從未離開芯片，并且攻擊者無法通過簡單讀取獲得，這大大增加了偽造的難度。

　　5. 典型應用場景

　　DS28E01 的安全性使其在多個領域具有廣泛的應用：

　　外設和耗材認證： 這是 DS28E01 最常見的應用之一。例如，打印機墨盒、醫療設備的一次性探頭、電動工具的電池組、凈水器的濾芯等。通過內置 DS28E01 芯片，設備可以驗證耗材是否為原廠正品，從而防止使用劣質或盜版耗材造成的設備損壞、性能下降或安全風險，并保護品牌利益。

　　知識產權（IP）保護： 軟件或硬件制造商可以使用 DS28E01 來保護其設計和代碼。例如，一個設計精密的電路板可以包含 DS28E01，在啟動時進行認證，如果認證失敗則拒絕啟動，從而防止未經授權的復制或使用。

　　系統啟動安全： 在嵌入式系統中，DS28E01 可以用于驗證啟動代碼或固件的完整性和真實性。主控器在啟動時對存儲在 DS28E01 中的特定數據或其哈希值進行驗證，確保固件沒有被篡改或惡意注入。

　　傳感器校準和數據防篡改： 對于某些需要精確校準的傳感器，校準數據可以存儲在 DS28E01 中，并進行哈希保護。這樣可以確保傳感器輸出數據的準確性，防止校準參數被未經授權地修改。

　　電池組認證： 鋰電池組通常需要復雜的電池管理系統（BMS）來確保安全和性能。DS28E01 可以用于驗證電池組的真實性，確保只有經過認證的電池組才能與設備配合使用，從而防止過充、過放、過熱等風險。

　　物聯網（IoT）設備安全： 隨著物聯網設備的普及，設備身份認證變得越來越重要。DS28E01 可以為 IoT 設備提供一種低成本、高效率的身份驗證方法，確保只有合法的設備才能接入網絡并進行通信。

　　資產跟蹤和管理： 在一些高價值資產的管理中，可以將 DS28E01 作為電子標簽，記錄資產的生產日期、維護歷史、使用次數等信息。結合其安全認證功能，可以防止標簽被偽造或數據被篡改。

　　6. 開發與集成注意事項

　　在設計和集成 DS28E01 芯片時，需要考慮以下幾個方面：

　　密鑰管理： 密鑰的生成、存儲和注入是整個安全方案中最關鍵的環節。秘密密鑰必須在安全的生產環境中注入到芯片中，并確保主控器中存儲的密鑰副本也得到妥善保護。不安全的密鑰管理會使得整個安全體系形同虛設。通常，密鑰會通過安全編程器一次性寫入 DS28E01 的密鑰區域，并且一旦寫入就無法讀出。

　　挑戰數據生成： 挑戰數據必須是不可預測的，通常使用真隨機數發生器（TRNG）或偽隨機數發生器（PRNG）來生成。確保每次認證的挑戰都是新的，可以有效防止重放攻擊。

　　1-Wire 協議實現： 主控器需要精確實現 1-Wire 協議的時序要求。這通常通過軟件位操作（bit-banging）或專用的 1-Wire 硬件接口來實現。Maxim 提供了一系列 1-Wire 軟件庫和應用筆記，可以幫助開發者快速實現協議。

　　電源管理： 考慮到 DS28E01 采用寄生電源模式，需要確保 1-Wire 總線在數據通信期間能夠提供足夠的瞬時電流。在某些情況下，可能需要外部上拉電阻來幫助提供足夠的電流。

　　ESD 保護： 1-Wire 接口只有一個信號引腳，更容易受到靜電放電（ESD）的影響。在電路設計中應考慮適當的 ESD 保護措施，例如在 DQ 引腳上增加瞬態電壓抑制器（TVS）。

　　生產流程： 將 DS28E01 集成到產品中需要建立一套安全的生產流程，包括密鑰注入、芯片測試和最終組裝。這對于確保整個供應鏈的安全性至關重要。

　　固件更新： 如果 EEPROM 中存儲了與固件相關的數據，那么在進行固件更新時，需要確保這些數據的一致性和兼容性。

　　功耗考慮： 盡管 DS28E01 本身是低功耗器件，但在電池供電的應用中，仍然需要仔細考慮其在通信和計算時的瞬時功耗，以優化電池壽命。

　　7. 安全性與局限性

　　DS28E01 提供了強大的硬件級別安全保護，但任何安全方案都不是絕對的，它也存在一些局限性：

　　SHA-1 算法： 盡管 DS28E01 提供了硬件 SHA-1 加速，但 SHA-1 算法本身在密碼學領域已經被認為不再是完全安全的，尤其是在面對強大的計算資源時可能存在理論上的碰撞攻擊風險。然而，在大多數 DS28E01 的應用場景中（例如耗材認證），這種理論風險轉化為實際攻擊的成本非常高，通常超過了偽造的經濟價值。對于更高安全要求的應用，可能需要考慮更強的哈希算法（如 SHA-256 或 SHA-3）。

　　側信道攻擊： 盡管 DS28E01 在設計時考慮了對側信道攻擊（如功耗分析、電磁輻射分析）的抵抗，但這些攻擊并非完全不可能。高級攻擊者仍可能通過精密的設備和技術嘗試提取密鑰。

　　物理篡改： 如果攻擊者能夠物理接觸并長時間操作芯片，理論上仍然可能通過微探針或其他侵入性方法來嘗試提取內部數據或密鑰。芯片的物理封裝提供了基礎的防篡改能力，但對于有決心和資源的攻擊者來說，物理攻擊始終是一種潛在威脅。

　　主控器安全性： DS28E01 的安全性很大程度上取決于主控器的安全性。如果主控器中的秘密密鑰被泄露，或者主控器的認證邏輯存在漏洞，那么 DS28E01 的安全優勢將大大降低。因此，主控器端的安全編程、密鑰存儲和防篡改措施同樣重要。

　　密鑰管理鏈： 整個安全體系的強度取決于其最薄弱的環節。如果密鑰在生產、分發或存儲的任何環節存在泄露風險，都可能危及整個系統的安全性。

　　8. 總結

　　DS28E01 是一款經濟高效、功能強大的 1-Wire 安全驗證器，為各種嵌入式和物聯網應用提供了可靠的設備認證和數據保護功能。其內置的 SHA-1 哈希引擎和安全 EEPROM，結合其獨特的 1-Wire 接口，使其成為外設認證、知識產權保護和耗材管理等場景的理想選擇。

　　通過理解其工作原理、充分利用其安全特性并注意開發和集成過程中的潛在風險，工程師可以有效地將 DS28E01 集成到其產品中，從而顯著提升系統的安全性和防偽能力。雖然 SHA-1 算法存在一些已知局限性，但在許多實際應用中，DS28E01 提供的安全性級別足以應對常見的偽造和篡改威脅。