DS28E01 芯片基礎(chǔ)知識(shí)：安全認(rèn)證與存儲(chǔ)解決方案

　　DS28E01 是一款由 Maxim Integrated（現(xiàn)已被 Analog Devices 收購(gòu)）公司生產(chǎn)的 1-Wire? 安全驗(yàn)證器，它集成了安全的 EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）和哈希算法功能。這款芯片主要用于設(shè)備認(rèn)證、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、耗材管理以及其他需要高安全性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和驗(yàn)證的應(yīng)用。DS28E01 的核心優(yōu)勢(shì)在于其內(nèi)置的硬件加密引擎，能夠提供強(qiáng)大的防偽能力，有效阻止克隆和未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。

　　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(yàn)證器。它的設(shè)計(jì)理念是為了在資源受限的環(huán)境中提供強(qiáng)大的安全功能，例如在電池供電的設(shè)備、傳感器節(jié)點(diǎn)、一次性耗材以及各種需要驗(yàn)證其真實(shí)性的產(chǎn)品中。通過(guò) 1-Wire 接口，DS28E01 可以與主控器進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)和哈希運(yùn)算。其低功耗特性使其非常適合便攜式和嵌入式應(yīng)用。

　　2. 1-Wire 接口

　　DS28E01 采用 Maxim 獨(dú)特的 1-Wire 接口技術(shù)。1-Wire 接口是一種單總線通信協(xié)議，僅需一根信號(hào)線（DQ）和一個(gè)地線（GND）即可實(shí)現(xiàn)主設(shè)備與從設(shè)備之間的雙向通信和供電。這種設(shè)計(jì)極大地簡(jiǎn)化了布線，降低了成本，并減少了連接器引腳的數(shù)量。

　　單引腳通信： 數(shù)據(jù)線（DQ）同時(shí)用于電源傳輸和數(shù)據(jù)通信。在空閑狀態(tài)下，DQ 線通常由主設(shè)備拉高，為從設(shè)備提供寄生電源。當(dāng)需要通信時(shí)，主設(shè)備通過(guò)拉低 DQ 線來(lái)發(fā)出信號(hào)。

　　寄生電源： DS28E01 在通信間隙通過(guò) DQ 線獲取電源，這在許多低功耗應(yīng)用中是一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼫p少了對(duì)獨(dú)立電源引腳的需求，從而簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

　　唯一 64 位注冊(cè)碼： 每個(gè) DS28E01 芯片在出廠時(shí)都預(yù)編程了一個(gè)全球唯一的 64 位注冊(cè)碼。這個(gè)注冊(cè)碼可以作為芯片的序列號(hào)，用于設(shè)備識(shí)別和管理。在 1-Wire 網(wǎng)絡(luò)中，主設(shè)備可以通過(guò)枚舉來(lái)發(fā)現(xiàn)并識(shí)別總線上的所有 1-Wire 設(shè)備。

　　通信協(xié)議： 1-Wire 協(xié)議基于嚴(yán)格的時(shí)序，包括復(fù)位脈沖、存在脈沖、讀時(shí)隙和寫(xiě)時(shí)隙。主設(shè)備通過(guò)精確控制 DQ 線的電平翻轉(zhuǎn)和持續(xù)時(shí)間來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這種時(shí)序敏感性也是其安全性的一部分，因?yàn)榉菢?biāo)準(zhǔn)時(shí)序的嘗試通常會(huì)被芯片拒絕。

　　3. 主要功能與特性

　　DS28E01 融合了多項(xiàng)關(guān)鍵功能，使其成為一款強(qiáng)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(nèi)置了硬件實(shí)現(xiàn)的 SHA-1 算法，可以對(duì)輸入數(shù)據(jù)（通常是主設(shè)備提供的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)、芯片內(nèi)部的密鑰和/或部分存儲(chǔ)數(shù)據(jù)）進(jìn)行哈希運(yùn)算，生成 20 字節(jié)（160 位）的哈希值。主設(shè)備可以根據(jù)這個(gè)哈希值來(lái)驗(yàn)證芯片的真實(shí)性。SHA-1 算法是密碼學(xué)中一種廣泛使用的單向哈希函數(shù)，它具有抗碰撞性，即很難找到兩個(gè)不同的輸入能產(chǎn)生相同的哈希輸出。

　　安全 EEPROM： DS28E01 集成了 1024 位（128 字節(jié)）的 EEPROM，分為 4 頁(yè)，每頁(yè) 32 字節(jié)。這些存儲(chǔ)區(qū)域可以用于存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，例如校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)信息、使用日志、加密密鑰等。重要的是，這些 EEPROM 區(qū)域可以被配置為受保護(hù)的存儲(chǔ)區(qū)域，這意味著在寫(xiě)入后可以被鎖定，防止進(jìn)一步的修改，從而增強(qiáng)數(shù)據(jù)的完整性。部分內(nèi)存區(qū)域甚至可以配置為一次性可編程（OTP）模式，一旦寫(xiě)入數(shù)據(jù)就不能更改。

　　密鑰存儲(chǔ)： 芯片內(nèi)部有一個(gè)專用的 64 位秘密密鑰（Secret Key）存儲(chǔ)區(qū)域。這個(gè)密鑰在制造或系統(tǒng)配置階段寫(xiě)入，并在芯片正常操作中被保護(hù)起來(lái)，無(wú)法直接讀出。它是 SHA-1 哈希運(yùn)算的關(guān)鍵組成部分，用于生成哈希值，從而實(shí)現(xiàn)安全的認(rèn)證過(guò)程。秘密密鑰的安全性至關(guān)重要，因?yàn)樗苯記Q定了整個(gè)認(rèn)證方案的強(qiáng)度。

　　硬件安全： DS28E01 的設(shè)計(jì)包含了多層硬件安全機(jī)制，旨在防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)和篡改。這包括對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器和密鑰的物理保護(hù)，以及對(duì)功耗分析、故障注入等側(cè)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(guò)非標(biāo)準(zhǔn)手段提取密鑰或繞過(guò)認(rèn)證機(jī)制。

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

　　壽命計(jì)數(shù)器（可選）： 雖然 DS28E01 本身沒(méi)有內(nèi)置獨(dú)立的壽命計(jì)數(shù)器，但其 EEPROM 可以用于實(shí)現(xiàn)此功能。通過(guò)每次使用后遞增 EEPROM 中的某個(gè)字節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備使用次數(shù)的統(tǒng)計(jì)。結(jié)合安全哈希和認(rèn)證機(jī)制，可以防止篡改計(jì)數(shù)，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(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4. 安全認(rèn)證工作原理

　　DS28E01 的安全認(rèn)證過(guò)程通常基于“挑戰(zhàn)-響應(yīng)”機(jī)制，這是一種常見(jiàn)的密碼學(xué)認(rèn)證協(xié)議：

　　挑戰(zhàn)（Challenge）： 主控器（例如微控制器、FPGA 或 PC）生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)或偽隨機(jī)數(shù)，作為挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)。這個(gè)挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)是臨時(shí)的，每次認(rèn)證都不同，以防止重放攻擊。主控器將這個(gè)挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)發(fā)送給 DS28E01。

　　哈希運(yùn)算（Hash Computation）： DS28E01 接收到挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)后，將其與芯片內(nèi)部的秘密密鑰以及（可選地）芯片的 64 位唯一注冊(cè)碼、EEPROM 中的數(shù)據(jù)等作為輸入，通過(guò)其內(nèi)置的 SHA-1 哈希引擎進(jìn)行哈希運(yùn)算。這個(gè)哈希運(yùn)算的結(jié)果是一個(gè) 160 位的哈希值。 HashValuechip=SHA?1(Challenge∣∣SecretKey∣∣UniqueID∣∣OtherData) 其中，∣∣ 表示連接操作。

　　響應(yīng)（Response）： DS28E01 將計(jì)算出的 160 位哈希值作為響應(yīng)發(fā)送回主控器。

　　驗(yàn)證（Verification）： 主控器收到 DS28E01 的哈希響應(yīng)后，使用相同的挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)、主控器內(nèi)部存儲(chǔ)的秘密密鑰副本（或者通過(guò)其他安全方式獲取的密鑰），以及DS28E01 的唯一注冊(cè)碼（從 DS28E01 讀取）和相應(yīng)的其他數(shù)據(jù)，執(zhí)行同樣的 SHA-1 哈希運(yùn)算。 HashValuehost=SHA?1(Challenge∣∣SecretKeyhost∣∣UniqueID∣∣OtherData)

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

　　如果兩個(gè)哈希值完全匹配，則主控器確認(rèn) DS28E01 是一個(gè)真實(shí)的、被授權(quán)的芯片。

　　如果哈希值不匹配，則表明該芯片是偽造的、未經(jīng)授權(quán)的，或者數(shù)據(jù)已被篡改，主控器將拒絕其認(rèn)證。

　　這種挑戰(zhàn)-響應(yīng)機(jī)制確保了即使攻擊者截獲了通信數(shù)據(jù)，也無(wú)法通過(guò)重放來(lái)偽造認(rèn)證，因?yàn)槊看蔚奶魬?zhàn)都是不同的。同時(shí)，由于秘密密鑰從未離開(kāi)芯片，并且攻擊者無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單讀取獲得，這大大增加了偽造的難度。

　　5. 典型應(yīng)用場(chǎng)景

　　DS28E01 的安全性使其在多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用：

　　外設(shè)和耗材認(rèn)證： 這是 DS28E01 最常見(jiàn)的應(yīng)用之一。例如，打印機(jī)墨盒、醫(yī)療設(shè)備的一次性探頭、電動(dòng)工具的電池組、凈水器的濾芯等。通過(guò)內(nèi)置 DS28E01 芯片，設(shè)備可以驗(yàn)證耗材是否為原廠正品，從而防止使用劣質(zhì)或盜版耗材造成的設(shè)備損壞、性能下降或安全風(fēng)險(xiǎn)，并保護(hù)品牌利益。

　　知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）保護(hù)： 軟件或硬件制造商可以使用 DS28E01 來(lái)保護(hù)其設(shè)計(jì)和代碼。例如，一個(gè)設(shè)計(jì)精密的電路板可以包含 DS28E01，在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行認(rèn)證，如果認(rèn)證失敗則拒絕啟動(dòng)，從而防止未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制或使用。

　　系統(tǒng)啟動(dòng)安全： 在嵌入式系統(tǒng)中，DS28E01 可以用于驗(yàn)證啟動(dòng)代碼或固件的完整性和真實(shí)性。主控器在啟動(dòng)時(shí)對(duì)存儲(chǔ)在 DS28E01 中的特定數(shù)據(jù)或其哈希值進(jìn)行驗(yàn)證，確保固件沒(méi)有被篡改或惡意注入。

　　傳感器校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)防篡改： 對(duì)于某些需要精確校準(zhǔn)的傳感器，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在 DS28E01 中，并進(jìn)行哈希保護(hù)。這樣可以確保傳感器輸出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，防止校準(zhǔn)參數(shù)被未經(jīng)授權(quán)地修改。

　　電池組認(rèn)證： 鋰電池組通常需要復(fù)雜的電池管理系統(tǒng)（BMS）來(lái)確保安全和性能。DS28E01 可以用于驗(yàn)證電池組的真實(shí)性，確保只有經(jīng)過(guò)認(rèn)證的電池組才能與設(shè)備配合使用，從而防止過(guò)充、過(guò)放、過(guò)熱等風(fēng)險(xiǎn)。

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備安全： 隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，設(shè)備身份認(rèn)證變得越來(lái)越重要。DS28E01 可以為 IoT 設(shè)備提供一種低成本、高效率的身份驗(yàn)證方法，確保只有合法的設(shè)備才能接入網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通信。

　　資產(chǎn)跟蹤和管理： 在一些高價(jià)值資產(chǎn)的管理中，可以將 DS28E01 作為電子標(biāo)簽，記錄資產(chǎn)的生產(chǎn)日期、維護(hù)歷史、使用次數(shù)等信息。結(jié)合其安全認(rèn)證功能，可以防止標(biāo)簽被偽造或數(shù)據(jù)被篡改。

　　6. 開(kāi)發(fā)與集成注意事項(xiàng)

　　在設(shè)計(jì)和集成 DS28E01 芯片時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面：

　　密鑰管理： 密鑰的生成、存儲(chǔ)和注入是整個(gè)安全方案中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。秘密密鑰必須在安全的生產(chǎn)環(huán)境中注入到芯片中，并確保主控器中存儲(chǔ)的密鑰副本也得到妥善保護(hù)。不安全的密鑰管理會(huì)使得整個(gè)安全體系形同虛設(shè)。通常，密鑰會(huì)通過(guò)安全編程器一次性寫(xiě)入 DS28E01 的密鑰區(qū)域，并且一旦寫(xiě)入就無(wú)法讀出。

　　挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)生成： 挑戰(zhàn)數(shù)據(jù)必須是不可預(yù)測(cè)的，通常使用真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG）或偽隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（PRNG）來(lái)生成。確保每次認(rèn)證的挑戰(zhàn)都是新的，可以有效防止重放攻擊。

　　1-Wire 協(xié)議實(shí)現(xiàn)： 主控器需要精確實(shí)現(xiàn) 1-Wire 協(xié)議的時(shí)序要求。這通常通過(guò)軟件位操作（bit-banging）或?qū)Ｓ玫?1-Wire 硬件接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。Maxim 提供了一系列 1-Wire 軟件庫(kù)和應(yīng)用筆記，可以幫助開(kāi)發(fā)者快速實(shí)現(xiàn)協(xié)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(shù)據(jù)通信期間能夠提供足夠的瞬時(shí)電流。在某些情況下，可能需要外部上拉電阻來(lái)幫助提供足夠的電流。

　　ESD 保護(hù)： 1-Wire 接口只有一個(gè)信號(hào)引腳，更容易受到靜電放電（ESD）的影響。在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)? ESD 保護(hù)措施，例如在 DQ 引腳上增加瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）。

　　生產(chǎn)流程： 將 DS28E01 集成到產(chǎn)品中需要建立一套安全的生產(chǎn)流程，包括密鑰注入、芯片測(cè)試和最終組裝。這對(duì)于確保整個(gè)供應(yīng)鏈的安全性至關(guān)重要。

　　固件更新： 如果 EEPROM 中存儲(chǔ)了與固件相關(guān)的數(shù)據(jù)，那么在進(jìn)行固件更新時(shí)，需要確保這些數(shù)據(jù)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(yīng)用中，仍然需要仔細(xì)考慮其在通信和計(jì)算時(shí)的瞬時(shí)功耗，以優(yōu)化電池壽命。

　　7. 安全性與局限性

　　DS28E01 提供了強(qiáng)大的硬件級(jí)別安全保護(hù)，但任何安全方案都不是絕對(duì)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(xué)領(lǐng)域已經(jīng)被認(rèn)為不再是完全安全的，尤其是在面對(duì)強(qiáng)大的計(jì)算資源時(shí)可能存在理論上的碰撞攻擊風(fēng)險(xiǎn)。然而，在大多數(shù) DS28E01 的應(yīng)用場(chǎng)景中（例如耗材認(rèn)證），這種理論風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際攻擊的成本非常高，通常超過(guò)了偽造的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。對(duì)于更高安全要求的應(yīng)用，可能需要考慮更強(qiáng)的哈希算法（如 SHA-256 或 SHA-3）。

　　側(cè)信道攻擊： 盡管 DS28E01 在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了對(duì)側(cè)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(jí)攻擊者仍可能通過(guò)精密的設(shè)備和技術(shù)嘗試提取密鑰。

　　物理篡改： 如果攻擊者能夠物理接觸并長(zhǎng)時(shí)間操作芯片，理論上仍然可能通過(guò)微探針或其他侵入性方法來(lái)嘗試提取內(nèi)部數(shù)據(jù)或密鑰。芯片的物理封裝提供了基礎(chǔ)的防篡改能力，但對(duì)于有決心和資源的攻擊者來(lái)說(shuō)，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(rèn)證邏輯存在漏洞，那么 DS28E01 的安全優(yōu)勢(shì)將大大降低。因此，主控器端的安全編程、密鑰存儲(chǔ)和防篡改措施同樣重要。

　　密鑰管理鏈： 整個(gè)安全體系的強(qiáng)度取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。如果密鑰在生產(chǎn)、分發(fā)或存儲(chǔ)的任何環(huán)節(jié)存在泄露風(fēng)險(xiǎn)，都可能危及整個(gè)系統(tǒng)的安全性。

　　8. 總結(jié)

　　DS28E01 是一款經(jīng)濟(jì)高效、功能強(qiáng)大的 1-Wire 安全驗(yàn)證器，為各種嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了可靠的設(shè)備認(rèn)證和數(shù)據(jù)保護(hù)功能。其內(nèi)置的 SHA-1 哈希引擎和安全 EEPROM，結(jié)合其獨(dú)特的 1-Wire 接口，使其成為外設(shè)認(rèn)證、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)和耗材管理等場(chǎng)景的理想選擇。

　　通過(guò)理解其工作原理、充分利用其安全特性并注意開(kāi)發(fā)和集成過(guò)程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)，工程師可以有效地將 DS28E01 集成到其產(chǎn)品中，從而顯著提升系統(tǒng)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(shí)際應(yīng)用中，DS28E01 提供的安全性級(jí)別足以應(yīng)對(duì)常見(jiàn)的偽造和篡改威脅。