DS28E01 芯片基础知识：安全认证与存储解决方案

　　DS28E01 是一款由 Maxim Integrated（现已被 Analog Devices 收购）公司生产的 1-Wire® 安全验证器，它集成了安全的 EEPROM（电可擦可编程只读存储器）和哈希算法功能。这款芯片主要用于设备认证、知识产权保护、耗材管理以及其他需要高安全性数据存储和验证的应用。DS28E01 的核心优势在于其内置的硬件加密引擎，能够提供强大的防伪能力，有效阻止克隆和未经授权的访问。

　　1. DS28E01 芯片概述

　　DS28E01 是一款基于 SHA-1（安全哈希算法 1）的单引脚（1-Wire）安全验证器。它的设计理念是为了在资源受限的环境中提供强大的安全功能，例如在电池供电的设备、传感器节点、一次性耗材以及各种需要验证其真实性的产品中。通过 1-Wire 接口，DS28E01 可以与主控器进行通信，进行数据读写和哈希运算。其低功耗特性使其非常适合便携式和嵌入式应用。

　　2. 1-Wire 接口

　　DS28E01 采用 Maxim 独特的 1-Wire 接口技术。1-Wire 接口是一种单总线通信协议，仅需一根信号线（DQ）和一个地线（GND）即可实现主设备与从设备之间的双向通信和供电。这种设计极大地简化了布线，降低了成本，并减少了连接器引脚的数量。

　　单引脚通信： 数据线（DQ）同时用于电源传输和数据通信。在空闲状态下，DQ 线通常由主设备拉高，为从设备提供寄生电源。当需要通信时，主设备通过拉低 DQ 线来发出信号。

　　寄生电源： DS28E01 在通信间隙通过 DQ 线获取电源，这在许多低功耗应用中是一个显著优势，因为它减少了对独立电源引脚的需求，从而简化了电路设计。

　　唯一 64 位注册码： 每个 DS28E01 芯片在出厂时都预编程了一个全球唯一的 64 位注册码。这个注册码可以作为芯片的序列号，用于设备识别和管理。在 1-Wire 网络中，主设备可以通过枚举来发现并识别总线上的所有 1-Wire 设备。

　　通信协议： 1-Wire 协议基于严格的时序，包括复位脉冲、存在脉冲、读时隙和写时隙。主设备通过精确控制 DQ 线的电平翻转和持续时间来发送和接收数据。这种时序敏感性也是其安全性的一部分，因为非标准时序的尝试通常会被芯片拒绝。

　　3. 主要功能与特性

　　DS28E01 融合了多项关键功能，使其成为一款强大的安全解决方案：

　　SHA-1 哈希引擎： 这是 DS28E01 的核心安全功能。它内置了硬件实现的 SHA-1 算法，可以对输入数据（通常是主设备提供的挑战数据、芯片内部的密钥和/或部分存储数据）进行哈希运算，生成 20 字节（160 位）的哈希值。主设备可以根据这个哈希值来验证芯片的真实性。SHA-1 算法是密码学中一种广泛使用的单向哈希函数，它具有抗碰撞性，即很难找到两个不同的输入能产生相同的哈希输出。

　　安全 EEPROM： DS28E01 集成了 1024 位（128 字节）的 EEPROM，分为 4 页，每页 32 字节。这些存储区域可以用于存储各种数据，例如校准数据、生产信息、使用日志、加密密钥等。重要的是，这些 EEPROM 区域可以被配置为受保护的存储区域，这意味着在写入后可以被锁定，防止进一步的修改，从而增强数据的完整性。部分内存区域甚至可以配置为一次性可编程（OTP）模式，一旦写入数据就不能更改。

　　密钥存储： 芯片内部有一个专用的 64 位秘密密钥（Secret Key）存储区域。这个密钥在制造或系统配置阶段写入，并在芯片正常操作中被保护起来，无法直接读出。它是 SHA-1 哈希运算的关键组成部分，用于生成哈希值，从而实现安全的认证过程。秘密密钥的安全性至关重要，因为它直接决定了整个认证方案的强度。

　　硬件安全： DS28E01 的设计包含了多层硬件安全机制，旨在防止未经授权的访问和篡改。这包括对内部存储器和密钥的物理保护，以及对功耗分析、故障注入等侧信道攻击的抵抗能力。这些硬件层面的安全措施使得攻击者很难通过非标准手段提取密钥或绕过认证机制。

　　一次性可编程存储器（OTP）： 部分 EEPROM 区域可以配置为 OTP，一旦写入就不能更改。这对于存储一些必须永久固定且不可修改的信息非常有用，例如产品批次号、序列号、固件版本信息或者特定的安全标志。

　　寿命计数器（可选）： 虽然 DS28E01 本身没有内置独立的寿命计数器，但其 EEPROM 可以用于实现此功能。通过每次使用后递增 EEPROM 中的某个字节，可以实现对设备使用次数的统计。结合安全哈希和认证机制，可以防止篡改计数，从而有效管理耗材的使用寿命。

　　宽工作电压范围： DS28E01 通常支持较宽的电源电压范围，使其适用于多种不同的系统设计。

　　4. 安全认证工作原理

　　DS28E01 的安全认证过程通常基于“挑战-响应”机制，这是一种常见的密码学认证协议：

　　挑战（Challenge）： 主控器（例如微控制器、FPGA 或 PC）生成一个随机数或伪随机数，作为挑战数据。这个挑战数据是临时的，每次认证都不同，以防止重放攻击。主控器将这个挑战数据发送给 DS28E01。

　　哈希运算（Hash Computation）： DS28E01 接收到挑战数据后，将其与芯片内部的秘密密钥以及（可选地）芯片的 64 位唯一注册码、EEPROM 中的数据等作为输入，通过其内置的 SHA-1 哈希引擎进行哈希运算。这个哈希运算的结果是一个 160 位的哈希值。 HashValuechip=SHA−1(Challenge∣∣SecretKey∣∣UniqueID∣∣OtherData) 其中，∣∣ 表示连接操作。

　　响应（Response）： DS28E01 将计算出的 160 位哈希值作为响应发送回主控器。

　　验证（Verification）： 主控器收到 DS28E01 的哈希响应后，使用相同的挑战数据、主控器内部存储的秘密密钥副本（或者通过其他安全方式获取的密钥），以及DS28E01 的唯一注册码（从 DS28E01 读取）和相应的其他数据，执行同样的 SHA-1 哈希运算。 HashValuehost=SHA−1(Challenge∣∣SecretKeyhost∣∣UniqueID∣∣OtherData)

　　比较（Comparison）： 主控器将自己计算出的哈希值 HashValuehost 与从 DS28E01 收到的哈希值 HashValuechip 进行比较。

　　如果两个哈希值完全匹配，则主控器确认 DS28E01 是一个真实的、被授权的芯片。

　　如果哈希值不匹配，则表明该芯片是伪造的、未经授权的，或者数据已被篡改，主控器将拒绝其认证。

　　这种挑战-响应机制确保了即使攻击者截获了通信数据，也无法通过重放来伪造认证，因为每次的挑战都是不同的。同时，由于秘密密钥从未离开芯片，并且攻击者无法通过简单读取获得，这大大增加了伪造的难度。

　　5. 典型应用场景

　　DS28E01 的安全性使其在多个领域具有广泛的应用：

　　外设和耗材认证： 这是 DS28E01 最常见的应用之一。例如，打印机墨盒、医疗设备的一次性探头、电动工具的电池组、净水器的滤芯等。通过内置 DS28E01 芯片，设备可以验证耗材是否为原厂正品，从而防止使用劣质或盗版耗材造成的设备损坏、性能下降或安全风险，并保护品牌利益。

　　知识产权（IP）保护： 软件或硬件制造商可以使用 DS28E01 来保护其设计和代码。例如，一个设计精密的电路板可以包含 DS28E01，在启动时进行认证，如果认证失败则拒绝启动，从而防止未经授权的复制或使用。

　　系统启动安全： 在嵌入式系统中，DS28E01 可以用于验证启动代码或固件的完整性和真实性。主控器在启动时对存储在 DS28E01 中的特定数据或其哈希值进行验证，确保固件没有被篡改或恶意注入。

　　传感器校准和数据防篡改： 对于某些需要精确校准的传感器，校准数据可以存储在 DS28E01 中，并进行哈希保护。这样可以确保传感器输出数据的准确性，防止校准参数被未经授权地修改。

　　电池组认证： 锂电池组通常需要复杂的电池管理系统（BMS）来确保安全和性能。DS28E01 可以用于验证电池组的真实性，确保只有经过认证的电池组才能与设备配合使用，从而防止过充、过放、过热等风险。

　　物联网（IoT）设备安全： 随着物联网设备的普及，设备身份认证变得越来越重要。DS28E01 可以为 IoT 设备提供一种低成本、高效率的身份验证方法，确保只有合法的设备才能接入网络并进行通信。

　　资产跟踪和管理： 在一些高价值资产的管理中，可以将 DS28E01 作为电子标签，记录资产的生产日期、维护历史、使用次数等信息。结合其安全认证功能，可以防止标签被伪造或数据被篡改。

　　6. 开发与集成注意事项

　　在设计和集成 DS28E01 芯片时，需要考虑以下几个方面：

　　密钥管理： 密钥的生成、存储和注入是整个安全方案中最关键的环节。秘密密钥必须在安全的生产环境中注入到芯片中，并确保主控器中存储的密钥副本也得到妥善保护。不安全的密钥管理会使得整个安全体系形同虚设。通常，密钥会通过安全编程器一次性写入 DS28E01 的密钥区域，并且一旦写入就无法读出。

　　挑战数据生成： 挑战数据必须是不可预测的，通常使用真随机数发生器（TRNG）或伪随机数发生器（PRNG）来生成。确保每次认证的挑战都是新的，可以有效防止重放攻击。

　　1-Wire 协议实现： 主控器需要精确实现 1-Wire 协议的时序要求。这通常通过软件位操作（bit-banging）或专用的 1-Wire 硬件接口来实现。Maxim 提供了一系列 1-Wire 软件库和应用笔记，可以帮助开发者快速实现协议。

　　电源管理： 考虑到 DS28E01 采用寄生电源模式，需要确保 1-Wire 总线在数据通信期间能够提供足够的瞬时电流。在某些情况下，可能需要外部上拉电阻来帮助提供足够的电流。

　　ESD 保护： 1-Wire 接口只有一个信号引脚，更容易受到静电放电（ESD）的影响。在电路设计中应考虑适当的 ESD 保护措施，例如在 DQ 引脚上增加瞬态电压抑制器（TVS）。

　　生产流程： 将 DS28E01 集成到产品中需要建立一套安全的生产流程，包括密钥注入、芯片测试和最终组装。这对于确保整个供应链的安全性至关重要。

　　固件更新： 如果 EEPROM 中存储了与固件相关的数据，那么在进行固件更新时，需要确保这些数据的一致性和兼容性。

　　功耗考虑： 尽管 DS28E01 本身是低功耗器件，但在电池供电的应用中，仍然需要仔细考虑其在通信和计算时的瞬时功耗，以优化电池寿命。

　　7. 安全性与局限性

　　DS28E01 提供了强大的硬件级别安全保护，但任何安全方案都不是绝对的，它也存在一些局限性：

　　SHA-1 算法： 尽管 DS28E01 提供了硬件 SHA-1 加速，但 SHA-1 算法本身在密码学领域已经被认为不再是完全安全的，尤其是在面对强大的计算资源时可能存在理论上的碰撞攻击风险。然而，在大多数 DS28E01 的应用场景中（例如耗材认证），这种理论风险转化为实际攻击的成本非常高，通常超过了伪造的经济价值。对于更高安全要求的应用，可能需要考虑更强的哈希算法（如 SHA-256 或 SHA-3）。

　　侧信道攻击： 尽管 DS28E01 在设计时考虑了对侧信道攻击（如功耗分析、电磁辐射分析）的抵抗，但这些攻击并非完全不可能。高级攻击者仍可能通过精密的设备和技术尝试提取密钥。

　　物理篡改： 如果攻击者能够物理接触并长时间操作芯片，理论上仍然可能通过微探针或其他侵入性方法来尝试提取内部数据或密钥。芯片的物理封装提供了基础的防篡改能力，但对于有决心和资源的攻击者来说，物理攻击始终是一种潜在威胁。

　　主控器安全性： DS28E01 的安全性很大程度上取决于主控器的安全性。如果主控器中的秘密密钥被泄露，或者主控器的认证逻辑存在漏洞，那么 DS28E01 的安全优势将大大降低。因此，主控器端的安全编程、密钥存储和防篡改措施同样重要。

　　密钥管理链： 整个安全体系的强度取决于其最薄弱的环节。如果密钥在生产、分发或存储的任何环节存在泄露风险，都可能危及整个系统的安全性。

　　8. 总结

　　DS28E01 是一款经济高效、功能强大的 1-Wire 安全验证器，为各种嵌入式和物联网应用提供了可靠的设备认证和数据保护功能。其内置的 SHA-1 哈希引擎和安全 EEPROM，结合其独特的 1-Wire 接口，使其成为外设认证、知识产权保护和耗材管理等场景的理想选择。

　　通过理解其工作原理、充分利用其安全特性并注意开发和集成过程中的潜在风险，工程师可以有效地将 DS28E01 集成到其产品中，从而显著提升系统的安全性和防伪能力。虽然 SHA-1 算法存在一些已知局限性，但在许多实际应用中，DS28E01 提供的安全性级别足以应对常见的伪造和篡改威胁。