Microchip Technology Inc.

安全產品部 產品營銷經理 Xavier Bignalet

2021年發布的Qi® 1.3標準在確保提高充電器對消費者的安全性方面發揮了很大作用。

新技術的出現受到了反對意見的阻礙，Qi感應式充電技術頗費時日才被廣泛接受。因此，雖然Qi早在2010年就已發布，但又過了五年才占據主導地位。自那時起，無線充電聯盟（WPC）對Qi進行了重大改進，但直到2021年初，聯盟才增加了一項協議，從而使支持Qi的設備制造商能夠驗證充電器的身份及其對Qi規范的遵守情況。這項功能可以剔除那些可能損害甚至損毀其充電產品的充電器，因此無疑是Qi 1.3中最重要的新特性。

具體來說，Qi 1.3規范要求充電器制造商必須在無線充電器中嵌入稱為“產品單元證書”的公鑰基礎架構（PKI），以使其能夠對智能手機進行身份驗證。該關鍵功能通過嵌入式方式實現，因為它采用最穩健但最基礎的方法來提供身份驗證，即構成庫的安全元件，這些元件與單片機相鄰，用于單獨存儲關鍵信息，與器件的主處理器隔離（圖1）。此功能會極大提高繞過安全機制的難度，并且可以使用自己專用的獨立處理能力和存儲器，無需任何共享資源。

圖1. Qi® 1.3標準要求必須進行安全配置

安全元件并非新鮮事物，它已在物聯網、信用卡、支付系統和加密貨幣交易等領域廣泛應用。例如，自2009年以來，現在廣泛用于智能支付的近場通信（NFC）一直依賴于安全元件，從2019年起，幾乎所有智能手機都集成了安全元件，因此，將這項技術添加到無線充電中并不算為時過早。

工作原理

身份驗證過程比較復雜，但此過程是在后臺進行的，不需要人為干預且用時不到一秒。手機是接收器，它位于充電器（在規范中被稱為發射器）上。Qi 1.3規定必須進行單向身份驗證，這意味著發射器必須以加密方式向手機證明其可信且被識別為WPC生態系統的安全成員（圖2）。

圖2. 通過CryptoAuthLib進行單向身份驗證

如果沒有經過身份驗證，手機可以完全拒絕充電，更典型的情況是將接受的充電功率限制在5W而不是15W，從而導致充電緩慢。由于大多數智能手機同時運行多個應用程序，造成的結果是用戶體驗不佳，進而會對充電器制造商的聲譽產生負面影響。

要實現高效、安全的身份驗證，還必須采用安全的生產流程，并結合采用可形成安全存儲子系統（SSS）（通常稱為安全密鑰存儲器件或安全元件）的過程。Qi 1.3使用從充電器到手機的單向身份驗證，在此期間，充電器必須以加密方式向手機證明其可信。如果身份驗證失敗，手機有兩個選擇：它可以將充電功率從最大15W降低到5W，或者拒絕充電器。

如果更深入地研究該過程，手機將要求充電器提供證書和簽名，以驗證其為具有私鑰的WPC認證產品，并簽署由手機發出的質詢，證明其已獲知機密信息且不曾泄露。Qi 1.3標準要求私鑰必須由經過認證的SSS存儲和保護。橢圓曲線數字簽名算法和私鑰都必須在同一物理安全邊界內，以確保可信的身份驗證。

SSS必須根據聯合解析庫（JIL）漏洞評分系統證明其保護加密密鑰的穩健性，該系統于2000年代中期首次推出，用于提高智能卡的效率和安全性，現已成為其他許多需要安全功能的應用的穩健基準。它側重于評估安全元件的存儲強度，以確定其達到的特定JIL級別，JIL從五個方面對性能進行評級：

•  破解算法所需的時長

•  攻擊者必須具備的技能水平

•  要實現成功的攻擊需要對評估對象（TOE）的了解程度（在此種情況下，TOE是指充電器）

•  獲得TOE樣片所需的難度，以及需要的樣片數

•  一次成功攻擊所需的設備類型

在充電器可供銷售之前，需要采取其他步驟來保護充電器在生產時所具備的信任級別，目的是消除對私鑰的暴露。要構建可信鏈，所有私鑰都必須位于生產場地的硬件安全模塊（HSM）中或充電器的SSS內。然后，必須確定這些私鑰的產生、存儲和構成可信鏈的方式。這是通過WPC所謂的密鑰儀式實現的。完成后，現已通過加密方式建立了可信鏈，同時不會暴露給外部合約制造商或第三方。結果是，WPC、手機和充電器三者之間相互信任，這意味著WPC可以信任手機，反之亦然。

認證生態系統

由于可信鏈需要各方的參與，因此認證過程對參與其中的各方來說都是十分艱巨的任務，從單片機制造商到充電器本身的制造商，均是如此。為了解決這一問題，Microchip是率先將這一過程的所有要素結合起來的公司之一，旨在幫助設計人員開發產品，同時無需承擔必須依賴多個來源的艱巨任務。Microchip采取的方法是通過可信平臺提供公司安全元件的初始配置，以加快產品的上市時間。

Microchip是一家獲得WPC許可的制造證書頒發機構，可提供預配置的安全存儲子系統解決方案，以降低復雜性并縮短開發時間。此外，通過由WPC根證書頒發機構來處理整個密鑰儀式，技術門檻也得到降低。作為完整的認證參考設計，可信平臺包括應用MCU、Qi 1.3軟件協議棧、具有支持加密庫的安全存儲子系統，以及面向汽車和消費類應用的配置服務。

可信平臺包含一系列預先配置或完全可定制的安全元件。通過利用公司安裝在Microchip工廠內的硬件安全模塊（HSM），可在每個安全元件的邊界內生成憑證。這些器件還配備了硬件和軟件開發工具，使原型設計變得輕而易舉，而且支持快速跟蹤開發。

總結

對于像充電器這樣看似簡單的設備來說，這一切似乎有點夸張，但市場上充斥著數百種不同的充電器，在Qi 1.3之前，從來沒有一種有效的方法可以驗證它們是優質產品還是劣質產品，后者不僅可能損壞目標設備（智能手機），還可能引發更糟糕的結果。例如，如果充電器安裝在車輛中，不當操作不僅會影響智能手機，還會影響車輛本身的某些部分。這種安全級別由來已久，但它將惠及所有相關方，尤其是消費者。