DS1991L多密钥iButton替代方案

DS1991L多密钥iButton替代方案

摘要：DS1991L多密钥iButton是由Maxim的6英寸晶圆厂生产，该晶圆厂的生产工艺已过时，且不再使用。DS1991L所提供的密码保护已不再是数据安全领域的新技术。Maxim已开发出安全级别高于DS1991L而且成本更低的替代方案。因此，为了降低旧设备升级到新的生产工艺时的开发成本，Maxim启动了最后一次采购DS1991L的流程，并鼓励所有DS1991L用户在现有库存用完之前，将产品移植到更新、更安全的iButton器件。本应用笔记讨论了替代现有DS1991L应用的三种选择。每种替代方案都具有更好的性能。

DS1991L概述及背景资料

密码保护不再属于先进技术。基于密码保护的系统其最大缺陷是通过窃听通信可以最终破译密码。

由于DS1991L不提供任何写保护功能，恶意攻击者可以很容易篡改密钥信息(标识、密码、数据)，从而造成器件在应用中失效。具有质询-响应认证功能以及对应用数据加密的器件成为更安全、性价比更高的替代方案。

在DS1991L应用中，1-Wire®主机必须知道如何识别相关密钥，必须知道对应的密码。使用DS1991L之前，必须安装识别码、密码和密钥数据。在此之后，器件可以进行现场操作，经常需要读取密钥数据、更换密钥。该器件优势之一是内置电池的NV SRAM技术，即便主机(读写头)掉电，也能保证从暂存器到加密数据区域的复制过程不受影响。

DS1991L替代方案

三款iButton可用来替代DS1991L。这三款器件是DS1977、DS1961S和DS1963S。表1列出了这三款器件与DS1991L以及各自特性比较。

DS1977与DS1991L类似，采用密码保护功能，两者特性非常接近。DS1961S和DS1963S采用基于SHA-1的认证方案，即采用加密措施。没有加密时，应用数据是公开的，并可读取。DS1961S和DS1977采用EEPROM工艺，DS1963S采用NV SRAM工艺。

表1. 器件比较

	器件型号
特性	DS1991L	DS1977	DS1961S	DS1963S
用户存储器	3 x 48字节，称为密钥	32K字节	128字节	8 x 2页，每页32字节(共512字节)
安全性	三个独立的8字节密码(每个密码对应一个密钥)，读、写操作采用同一密码	两个8字节密码(一个用于读操作、一个用于完全访问)	一个8字节密钥，用于安全写操作	八个8字节密钥
数据管理	三个8字节密钥标示区域(每个区域对应一个密钥)	推荐1-Wire文件系统	推荐1-Wire文件系统	推荐1-Wire文件系统
用于中间存储和数据验证的数据缓存器	64字节暂存器	64字节暂存器	8字节暂存器	32字节暂存器
认证	—	—	3字节质询码；20字节MAC码响应	3字节质询码；20字节MAC码响应
写操作计数器	0	0	0	16个(8个用于存储器页、8个用于密钥)
工艺	NV SRAM	EEPROM	EEPROM	NV SRAM
电源	内置电池	主机寄生供电	主机寄生供电	内置电池
1-Wire速率	标准速率	标准速率和高速模式	标准速率和高速模式	标准速率和高速模式
相对成本¹	—	高于DS1991L	远低于DS1991L	略高于DS1991L
温度范围	-40°C至+70°C	-40°C至+85°C	-40°C至+85°C	-40°C至+85°C
其它功能	密码不匹配时，伪随机数发生器产生虚假数据	可工作在无密码保护状态	存储器和密钥带有写保护；EPROM仿真模式	伪随机数发生器；可用作SHA-1协处理器

¹实际产品价格，请参考定购信息以及Maxim网站的价格信息。

DS1977密码保护的32KB EEPROM iButton

与DS1991L相比，DS1977存储器容量更大(32KB)、支持1-Wire高速模式并使用两个密码，一个用于读操作，另一个用于完全访问操作。可禁止DS1977的密码保护功能，使其用于无需安全保护的设备。尽管成本高于DS1991L，但从单字节成本看，DS1977在所有替代型号和DS1991L中成本最低。

由于采用EEPROM，DS1977应用中的1-Wire主机必须能够实现强上拉，以便为读、写操作提供电源。在接触式操作环境下，可能导致读操作错误，在写操作时需要额外的防护措施。如果使能密码保护，则1-Wire主机必须知道至少一个密码(读操作或完全访问)。对于任何基于密码保护的系统，可通过窃听通信最终破译密码。

将DS1977用于密码保护之前，必须安装密码并使能了密码保护功能。为了优化大容量存储器的使用，建议按照1-Wire文件系统(参考应用笔记114：“1-Wire File Structure”)格式化并使用存储器。然后将应用文件(或数据)写入DS1977。写操作完成后，该器件准备就绪，可用于存储区域操作，即可以访问存储器数据并更改数据。

为将当前的DS1991L应用升级到DS1977，需要更改相应的应用程序，以识别新器件、器件命令，并在正确的时间置于强上拉状态，为器件供电。通常，建议在更改密码前先禁止密码保护功能。安装密码时，须确保已定义密码的所有8个字节。发送Copy Scratchpad命令之前，需要验证暂存器内容。在新密码从暂存器成功复制到对应的存储区域后，应采用不同数据覆盖暂存器内容，以便擦除“开放空间”保留的密码。为在接触式操作环境下可靠运行，强烈建议按照应用笔记159：“在iButton应用中通过软件方法实现可靠的1-Wire通信”中有关保证数据完整性的措施进行设计。

DS1961S带有SHA-1引擎的1K位保护EEPROM iButton

DS1961S的安全性比DS1991L高得多。DS1961S采用EEPROM，并支持1-Wire高速通信模式。与基于密码的系统不同，该器件的安全功能基于所安装的密钥，而且永远不会在存储区之间传输(暴露信息)。密钥可以是器件特定信息，如：利用主机密钥、存储器数据、注册码以及常数按照SHA-1算法计算得到密钥。除密钥外，所有保存在DS1961S的数据开放读取权限。但是，进行写操作时需要知道密钥。需要进行数据加密，以防止公众得到器件存储的数据。这三款替代型号，包括DS1991L在内，DS1961S的成本最低。由于采用EEPROM，DS1961S可从1-Wire主机获得供电电源。在接触式操作环境下，器件的写操作与NV SRAM器件相比，数据遭到破坏的风险略高一些。

在5V电源、采用2.2kΩ或更低上拉电阻的环境中，DS1961S 应用中的1-Wire主机无需采取任何特殊的供电措施。如果上拉电压低于5V，应减小上拉电阻(最方便的方法，见应用笔记4255：“为1-Wire器件的扩展功能供电”)，或采用强上拉以便提供写操作和器件运行SHA-1引擎所需的额外功率。DS1961S主机必须知道或能够计算所需的密钥，以便验证DS1961S是系统合法用户，从而可以更改EEPROM数据。与计算自身SHA-1 MAC码(信息认证码)不同，主机可使用带EEPROM的DS2460 SHA-1协处理器。

使用DS1961S之前，必须先定义、安装器件密钥。经过计算的密钥其安全性要高于类似于加载密码的固定密钥(常数)。其次，应用所需的数据必须写入器件。对于容量相对较小的存储器，可选择使用1-Wire文件系统。如果适用，可对单页或所有存储器页以及密钥进行写保护，以防止使用过程中发生变化。也可以将其中一个存储器页置于EPROM仿真模式，该模式下对应位只能从1变为0；该项功能在一些应用中非常有用。初始设置完成后，DS1961S准备就绪可以进行现场操作，即访问存储器数据、改写数据。

为将现有的DS1991L应用升级到DS1961S，需要以下两个改动：

1. 修改应用软件，使其识别新器件并知道如何使用。
2. 如果工作在低压环境，必须通过软件激活强上拉功能，以便为计算和安装新密钥、计算页MAC和更新EEPROM提供所需的功率。

发送Copy Scratchpad命令之前，始终验证暂存器。为保证在接触式操作环境下可靠运行，强烈建议按照应用笔记159中有关保证数据完整性的措施进行设计(参见上文)。有关SHA-1安全性的其它信息，请参考本文档最后给出的应用笔记列表。需要强调的是应用笔记1820：“White Paper 1: SHA Devices Used in Small Cash Systems”中说明了DS1961S在电子支付应用中作为令牌的使用情况。

DS1963S SHA iButton

DS1963S的安全性远远高于DS1991L。DS1963S采用NV SRAM，对存储器页和密钥执行写操作计数，并支持1-Wire高速通信模式。DS1963S和DS1961S类似，均采用密钥进行认证；密钥已安装但永远不会在存储区之间传输(暴露信息)。器件支持8个密钥，每个密钥对应两个存储器页。这些密钥可以是器件特定信息，如：利用主机密钥、存储器数据、注册码、存储器页号以及常数按照SHA-1算法计算得到的密钥。除密钥外，保存在DS1963S的数据可以开放读取权限。为了防止公众得到器件存储的数据，需要进行数据加密。DS1963S与DS1961S的不同之处在于：在不知道密钥的情况下也可以更改DS1963S的数据；器件的存储器页或密钥不带写保护功能。DS1963S成本低于DS1977；如果四个或多个应用共用一片DS1963S，每个应用的成本低于其它几款替代型号。由于采用NV SRAM，读操作、写操作以及SHA-1计算所需电源均由内部电池提供。这一功能对写操作非常有利。一旦接受Copy Scratchpad命令，即使器件断开与主机的连接也不会影响数据传送到存储器页或密钥。

DS1963S的存储器数据在无需知道密钥的前提下即可进行修改。因此，必须保留部分器件提供的应用数据空间，用于存储“签名”，以便验证应用数据的有效性。器件通过质询-响应进行认证后，还要进行其它认证操作，利用存储器页的内部密钥进行验证。签名可以是20字节的SHA-1 MAC码。密钥用来计算签名数据，通常不存储在DS1963S内；除器件认证密钥外，主机必须知道签名密钥，以便验证数据并产生将要写入器件的验证数据。与计算自身SHA-1 MAC不同，主机应使用带EEPROM的DS2460 SHA-1协处理器。在存储旧数据的地址(例如，电子支付应用中完成一次支付后)，为防止回复攻击，嵌入签名的计算必须包含页的写操作计数值。

使用DS1963S之前，必须先定义、安装器件认证密钥。经过计算的密钥其安全性要高于类似于加载密码的固定密钥(常数)。其次，应将所需的数据，包括用于数据认证的有效嵌入签名，写入器件。为允许多个应用共用一个DS1963S，推荐使用1-Wire文件系统。初始化设置完成后，DS1963S就绪可以进行现场操作，即可访问存储器并更改数据。

为将现有的DS1991L应用升级到DS1963S，需要对应用软件进行修改，以识别新型号、了解命令、识别相应的数据页(多页)并可验证器件及其存储数据的有效性。典型情况下，应用改变存储区的数据，需要计算并在新的数据页嵌入有效签名。发送Copy Scratchpad命令之前总是需要验证暂存器。为保证在接触式操作环境下可靠运行，建议按照应用笔记159有关保证数据完整性的措施进行设计。有关SHA-1安全性的详细信息，请参考本文档最后给出的应用笔记列表。需要强调的是应用笔记1820中说明了DS1963S在电子支付应用中作为令牌使用以及SHA-1协处理器的情况。

方案选择

上述每款替代器件需要对现有软件进行改动(如DS1977)或需要开发新软件。DS1977需要(DS1961S可能需要)将1-Wire主机升级到支持强上拉，以便提供足够的功率。表2列出了每种替代方案的优、缺点。

表2. 替代方案

	DS1977	DS1961S	DS1963S
所需主机硬件改动	增加强上拉	增加强上拉(必要时)	无
应用软件改动	修改现有软件	需要开发新软件	需要开发新软件
优点	• 存储器容量远大于DS1991L、DS1961S以及DS1963S • 独立密码，分别用于读操作和完全访问	• 成本最低 • 无法捕获密码 • 写操作需要知道器件密钥 • 基于质询-响应认证和安全写操作，支持更高的安全等级	• 无法捕获密码 • 基于质询-响应认证、数据内嵌签名和写操作计数值，支持更高的安全等级 • 多达8个程序可以共用同一器件
缺点	• 安全性与DS1991L相似 • 单个程序或多个程序共用同一密钥	• 单个程序或多个程序共用同一密钥	• 没有密钥的情况下可以更改数据或使其无效

如果不能修改硬件(强上拉)，则DS1977无法用作替代产品。

如果硬件接口无法提供足够的电流支持DS1961S通信，DS1963S则是唯一选择。由于该器件的安全性基于密钥(而不是密码)，DS1963S的安全性更高，如果4个应用或更多应用共用同一器件，性价比也更高。DS1963S的应用软件比较复杂，但速度不会低于DS1991L，因为该器件支持1-Wire高速通信模式。DS1963S的缺点是每个程序由于嵌入签名，数据容量较低。但是，单个程序可利用多个数据存储器页和密钥补偿这一缺陷。

如果系统能够选择强上拉或不需要强上拉，DS1961S则是一个性价比较高的选择。由于DS1977与DS1991L的原理最接近，使用该器件对软件的改动最少。

总结

本应用笔记讨论了替代现有DS1991L应用的三款器件以及采用新技术的优势。每个器件都需要对应用软件进行修改(有些情况下改动较大)以及对1-Wire主机硬件进行修改(DS1963S除外，DS1961S在某些情况下不需要)。尽管软件改动较大，但采用基于SHA-1认证的应用具有更高的安全性，并且性价比高于DS1991L。利用DS2460 SHA-1协处理器有助于简化实现SHA-1安全算法所需的软件改动。



补充文档

应用笔记#	标题	注释	适用性
114	1-Wire File Structure	1-Wire文件系统详细说明。	所有存储器iButton；不适合DS1991L
152	SHA iButton Secrets and Challenges	质询-响应应用中使用密钥和质询的建议。	DS1961S, DS1963S
159	在iButton应用中通过软件方法实现可靠的1-Wire通信	接触式环境下实现iButton可靠通信的软件说明。	所有存储器iButton
190	Challenge and Response with 1-Wire SHA devices	质询-响应认证概述。	DS1961S, DS1963S
1098	白皮书3：为什么1-Wire SHA-1器件是安全的?	各种攻击方式介绍，说明SHA-1如何防止这些攻击。	DS1961S, DS1963S
1099	White Paper 4: Glossary of 1-Wire SHA-1 Terms	质询-响应认证的相关技术术语解释。	DS1961S, DS1963S
1201	白皮书8: 1-Wire SHA-1概述	SHA-1安全性说明及其它信息。	DS1961S, DS1963S
1820	White Paper 1: SHA Devices Used in Small Cash Systems	详细说明DS1961S和DS1963S在金融领域的应用，提供详细的示例流程图。	DS1961S, DS1963S
4255	为1-Wire器件的扩展功能供电	1-Wire器件供电的设计指南。	DS1977, DS1961S