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摘要：本文简要分析了3D打印技术的发展趋势，并针对3D打印机嵌入安全识别技术进行剖析。本文网络版地址：http：∥www.eepw.com.cn/article/263363.htm
关键词：3D打印技术；剃须刀-刀片模式；安全认证
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.9.007
3D打印技术正在掀起制造格局的革命浪潮。您能想象通过发送双脚的3DHEU模型来定制一双合脚的鞋吗？这并非遥不可及。
现代化的3D打印技术也称为增材制造，是利用3D模型或其它电子数据源制作几乎任何形状的三维固态物体的过程。作为一种增材制造方法，制造商通过向制作对象上逐层“增加”材料，形成最终产品（图1）。随着3D打印技术以及多种不同3D打印方法的快速发展，种种迹象表明3DHEU是或应该是一种颠覆性的技术。从这点上看，说3D打印将改变世界也不完全是夸大其词。
3D打印技术已经发展为被汽车、航空航天、卫生保健及消费领域用来建立3D模型和原型。追捧者相信3D模型能够帮助公司以较少的时间和/或较少的资源完成项目。因此，3D打印如雨后春笋般快速发展，成为快速原型到快速制造根本性转化的动力。
对于这一领域的厂商而言，其梦想是让3DHEU机进入千家万户。成本往往是2，000美元起，现在有些3D打印机的定价还不足1，000美元。许多人视其为发展迅速但目前尚处于起步阶段的市场。独立市场研究公司Canalys预测，3D打印市场的总规模（包括打印机销售、材料和相关服务）在2014年将达到38亿美元，到2018年，这一市场总规模将达到162亿美元，预计在此期间的CAGR（年均增长率）为45.75%。看到这些预测数字，对近年来3D打印技术赚尽眼球这一现象就不会感到奇怪了。作为一项颠覆性技术，3D打印技术具有重塑行业和改变制造过程的能力。尽管如此，仍有很多基本障碍妨碍市场普及，包括打印机成本。即使以现在不足1，000美元的价格，对于一件消费产品而言，仍然非常昂贵。剃须刀一刀片模式是3D打印市场增长的关键吗？
如果您购买过剃须刀及其可更换的刀片，您就已经体验了剃须刀-刀片商业模式。这种商业行为的做法是以折扣价销售主产品，然后以相当高的价格销售备用（往往是一次性的）辅助产品。不仅仅限于剃须刀刀片，这种商业模式已经被长时间成功用于传统打印机市场，并且仍然是非常成功的策略。
有人认为这种剃须刀-刀片商业模式是让3D打印机成为主流、进入千家万户的最佳商业策略和最快途径。简单来说，就是通过以近乎免费的极低价格销售3D打印机，从而提高3D打印的普及率，然后再通过销售墨盒或长丝材料大赚一笔。图2所示为一次性3DHEU耗材的例子。
3D打印机墨盒或打印耗材也使得打印机能够支撑不同价位材料、颜色及色泽的大量组合。就像传统墨盒中客户能够了解每种颜色的墨水量一样，3D打印也可提供耗材的使用状态。
历史经验告诉我们，只有在一次性产品中实施严格的IP保护机制，防止克隆、伪造、复制和假冒，剃须刀.刀片商业模式才有效。毫无疑问，造假者必定会竭尽全力假冒3D墨盒，欺骗这些产品的合法制造商。如何预防IP剽窃？答案很明确：在每台3D打印机及墨盒中嵌入安全识别技术。利用SHA一256质询一应答安全认证系统保证安全
多年以来，在无数产品和应用中，安全散列算法（sHA）安全认证方案是防止IP被仿造和非法复制的有效方法。sHA-2S6安全系统基于美国国家标准与技术研究院（NIST）制定的安全散列标准Publication FIPS PUB180-4，是强大的防伪和防克隆工具。一次性产品的安全认证也有利于控制材料品质，进而大大提高制造商的品牌识别度。
SHA-256通信采用基于对称密钥的双向质询一应答安全认证方案，在其握手协议中，一方（主机或主控制器，以及我们这里讨论的3D打印机）向另一方（从机，本例中的墨盒或阀芯）提出安全请求或质询：从机必须提供有效答案或响应，才能够通过安全认证。并且从机墨盒的应答与接收到的质询及其储存的密钥相关。如果墨盒应答错误，打印机将拒绝墨盒。
安全认证方案的主要组成部分包括256位随机验证码、墨盒的ROMID，以及在制造阶段嵌入至从机IC的唯一密钥。密钥被写入到SHA-256安全认证器（DeepCover DS28E15）的保护存储器中。同样的，相同的密钥也写入打印机墨盒的安全主机认证器（DS2465）中。为保护密钥不被损害，必须采用强大、可靠的密钥管理方法。
墨盒安装到被保护的3D打印机之后，就会立即发生以下的事件序列（图3）。
·3D打印机读取墨盒的ROM ID（例如，储存在DS28E15中）。
·3D打印机产生并向墨盒发送随机质询码。
·墨盒利用其ROM ID、密钥、接收到的随机质询以及其它一些数据单元，计算SHA-2S6信息验证代码（MAC）。墨盒将MAC发送至打印机主机。
·然后3D打印机利用本地储存的密钥、随机质询（与发送至墨盒的密钥相同）以及墨盒的ROM ID在本地计算自身的MAC。
·3D打印机将其MAC值与墨盒计算的MAC值进行比较。
·如果两个MAC一致，则墨盒通过安全认证，从本质上证明墨盒为正品。墨盒安全认证通过后，3D打印机可能从墨盒的存储器中读取附加数据，例如日期、产地、批号、支持的长丝材料和颜色，以及材料使用量。然而，如果两个MAC不一致，则视墨盒为冒牌、仿制品或伪造品。然后打印机立即禁止所有打印功能。
3D墨盒及SHA-256安全认证优势
图4所示为如何在3D打印机及配套墨盒中嵌入SHA-256安全认证。DS28E15安全认证器是墨盒中嵌入的关键保护器件。带有DS2465的3D打印机（及主机）只接受来自于正品墨盒（即从机）的真实应答。所有通信都通过1-Wire通信接口实现，本例中，该接口也为墨盒中的DS28E15供电。这种安全认证方法是基于3D打印机和墨盒具有相同的SHA密钥，密钥需要在制造期间的安全工厂环境下植入。
DS28E15安全认证器具有另一项突出优势，器件内置唯一的64位序列号或识别码（ROM ID），作为SHA-256引擎的输入。这就使得每个256位MAc都是唯一的。DS28E15的存储器也可分区，划分为可公开访问（不受保护）的区域，以及主机（打印机）必须经过从机（墨盒）认证才可进行EEPROM写操作的区域。器件有多种保护模式可用，将在数据手册中进行详细介绍。
激活Ds28E15的EPROM仿真（EM）模式时，每个存储器位只能从1更改为0，但不能从0更改为1。一旦选中EM模式，则不可逆。这实际上是实现倒计数或限制墨盒使用特胜的最佳方式，很难被击破。这种使用限制功能可防止用户打开墨盒后加注自己的长丝材料。
DS28E15的存储器保护模式[7]也为3D打印机支持其它功能提供了平台或途径，包括打印机支持不同打印表面或使用较多材料和颜色组合创建物体的能力。这些能力最终将成为推动3D打印机市场增长的关键因素。
结论
遗憾的是，常见的号称安全的一次性产品遭受到各种高级的管芯级方法攻击，从而提取安全数据和/或改变器件设置。所有这些破坏系统安全的目的都是进行克隆或仿制。为了针对此类恶意攻击提供最高级别的防护，DS28E15采用了专有的管芯级的物理的方法、电路的方法、以及密码的方法，以保护敏感数据、控制信号及密钥。
DS28E15 DeepCover安全认证器能够帮助3D墨盒制造商防止克隆和仿制，并最终推动消费者更快地采用3D打印。利用DS28E15中内嵌的基于SHA的质询-应答安全认证方法，3D打印机市场可确保使用正品、有保障的墨盒。在资产、IP及品牌质量得到保障之后，打印机市场就能够将相当大部分的收入从打印机销售转移到一次性墨盒的销售。
历史经验告诉我们，只有采用严格的IP保护机制，防止克隆、伪造、复制和假冒，剃须刀-刀片商业模式才有效。DS28E15 DeepCover：安全认证器IC是销售更多3D打印机的正确途径，所以我们说3D打印领域的下一个大事件就是DS24E15。
关键词：3D打印技术；剃须刀-刀片模式；安全认证
DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2014.9.007
3D打印技术正在掀起制造格局的革命浪潮。您能想象通过发送双脚的3DHEU模型来定制一双合脚的鞋吗？这并非遥不可及。
现代化的3D打印技术也称为增材制造，是利用3D模型或其它电子数据源制作几乎任何形状的三维固态物体的过程。作为一种增材制造方法，制造商通过向制作对象上逐层“增加”材料，形成最终产品（图1）。随着3D打印技术以及多种不同3D打印方法的快速发展，种种迹象表明3DHEU是或应该是一种颠覆性的技术。从这点上看，说3D打印将改变世界也不完全是夸大其词。
3D打印技术已经发展为被汽车、航空航天、卫生保健及消费领域用来建立3D模型和原型。追捧者相信3D模型能够帮助公司以较少的时间和/或较少的资源完成项目。因此，3D打印如雨后春笋般快速发展，成为快速原型到快速制造根本性转化的动力。
对于这一领域的厂商而言，其梦想是让3DHEU机进入千家万户。成本往往是2，000美元起，现在有些3D打印机的定价还不足1，000美元。许多人视其为发展迅速但目前尚处于起步阶段的市场。独立市场研究公司Canalys预测，3D打印市场的总规模（包括打印机销售、材料和相关服务）在2014年将达到38亿美元，到2018年，这一市场总规模将达到162亿美元，预计在此期间的CAGR（年均增长率）为45.75%。看到这些预测数字，对近年来3D打印技术赚尽眼球这一现象就不会感到奇怪了。作为一项颠覆性技术，3D打印技术具有重塑行业和改变制造过程的能力。尽管如此，仍有很多基本障碍妨碍市场普及，包括打印机成本。即使以现在不足1，000美元的价格，对于一件消费产品而言，仍然非常昂贵。剃须刀一刀片模式是3D打印市场增长的关键吗？
如果您购买过剃须刀及其可更换的刀片，您就已经体验了剃须刀-刀片商业模式。这种商业行为的做法是以折扣价销售主产品，然后以相当高的价格销售备用（往往是一次性的）辅助产品。不仅仅限于剃须刀刀片，这种商业模式已经被长时间成功用于传统打印机市场，并且仍然是非常成功的策略。
有人认为这种剃须刀-刀片商业模式是让3D打印机成为主流、进入千家万户的最佳商业策略和最快途径。简单来说，就是通过以近乎免费的极低价格销售3D打印机，从而提高3D打印的普及率，然后再通过销售墨盒或长丝材料大赚一笔。图2所示为一次性3DHEU耗材的例子。
3D打印机墨盒或打印耗材也使得打印机能够支撑不同价位材料、颜色及色泽的大量组合。就像传统墨盒中客户能够了解每种颜色的墨水量一样，3D打印也可提供耗材的使用状态。
历史经验告诉我们，只有在一次性产品中实施严格的IP保护机制，防止克隆、伪造、复制和假冒，剃须刀.刀片商业模式才有效。毫无疑问，造假者必定会竭尽全力假冒3D墨盒，欺骗这些产品的合法制造商。如何预防IP剽窃？答案很明确：在每台3D打印机及墨盒中嵌入安全识别技术。利用SHA一256质询一应答安全认证系统保证安全
多年以来，在无数产品和应用中，安全散列算法（sHA）安全认证方案是防止IP被仿造和非法复制的有效方法。sHA-2S6安全系统基于美国国家标准与技术研究院（NIST）制定的安全散列标准Publication FIPS PUB180-4，是强大的防伪和防克隆工具。一次性产品的安全认证也有利于控制材料品质，进而大大提高制造商的品牌识别度。
SHA-256通信采用基于对称密钥的双向质询一应答安全认证方案，在其握手协议中，一方（主机或主控制器，以及我们这里讨论的3D打印机）向另一方（从机，本例中的墨盒或阀芯）提出安全请求或质询：从机必须提供有效答案或响应，才能够通过安全认证。并且从机墨盒的应答与接收到的质询及其储存的密钥相关。如果墨盒应答错误，打印机将拒绝墨盒。
安全认证方案的主要组成部分包括256位随机验证码、墨盒的ROMID，以及在制造阶段嵌入至从机IC的唯一密钥。密钥被写入到SHA-256安全认证器（DeepCover DS28E15）的保护存储器中。同样的，相同的密钥也写入打印机墨盒的安全主机认证器（DS2465）中。为保护密钥不被损害，必须采用强大、可靠的密钥管理方法。
墨盒安装到被保护的3D打印机之后，就会立即发生以下的事件序列（图3）。
·3D打印机读取墨盒的ROM ID（例如，储存在DS28E15中）。
·3D打印机产生并向墨盒发送随机质询码。
·墨盒利用其ROM ID、密钥、接收到的随机质询以及其它一些数据单元，计算SHA-2S6信息验证代码（MAC）。墨盒将MAC发送至打印机主机。
·然后3D打印机利用本地储存的密钥、随机质询（与发送至墨盒的密钥相同）以及墨盒的ROM ID在本地计算自身的MAC。
·3D打印机将其MAC值与墨盒计算的MAC值进行比较。
·如果两个MAC一致，则墨盒通过安全认证，从本质上证明墨盒为正品。墨盒安全认证通过后，3D打印机可能从墨盒的存储器中读取附加数据，例如日期、产地、批号、支持的长丝材料和颜色，以及材料使用量。然而，如果两个MAC不一致，则视墨盒为冒牌、仿制品或伪造品。然后打印机立即禁止所有打印功能。
3D墨盒及SHA-256安全认证优势
图4所示为如何在3D打印机及配套墨盒中嵌入SHA-256安全认证。DS28E15安全认证器是墨盒中嵌入的关键保护器件。带有DS2465的3D打印机（及主机）只接受来自于正品墨盒（即从机）的真实应答。所有通信都通过1-Wire通信接口实现，本例中，该接口也为墨盒中的DS28E15供电。这种安全认证方法是基于3D打印机和墨盒具有相同的SHA密钥，密钥需要在制造期间的安全工厂环境下植入。
DS28E15安全认证器具有另一项突出优势，器件内置唯一的64位序列号或识别码（ROM ID），作为SHA-256引擎的输入。这就使得每个256位MAc都是唯一的。DS28E15的存储器也可分区，划分为可公开访问（不受保护）的区域，以及主机（打印机）必须经过从机（墨盒）认证才可进行EEPROM写操作的区域。器件有多种保护模式可用，将在数据手册中进行详细介绍。
激活Ds28E15的EPROM仿真（EM）模式时，每个存储器位只能从1更改为0，但不能从0更改为1。一旦选中EM模式，则不可逆。这实际上是实现倒计数或限制墨盒使用特胜的最佳方式，很难被击破。这种使用限制功能可防止用户打开墨盒后加注自己的长丝材料。
DS28E15的存储器保护模式[7]也为3D打印机支持其它功能提供了平台或途径，包括打印机支持不同打印表面或使用较多材料和颜色组合创建物体的能力。这些能力最终将成为推动3D打印机市场增长的关键因素。
结论
遗憾的是，常见的号称安全的一次性产品遭受到各种高级的管芯级方法攻击，从而提取安全数据和/或改变器件设置。所有这些破坏系统安全的目的都是进行克隆或仿制。为了针对此类恶意攻击提供最高级别的防护，DS28E15采用了专有的管芯级的物理的方法、电路的方法、以及密码的方法，以保护敏感数据、控制信号及密钥。
DS28E15 DeepCover安全认证器能够帮助3D墨盒制造商防止克隆和仿制，并最终推动消费者更快地采用3D打印。利用DS28E15中内嵌的基于SHA的质询-应答安全认证方法，3D打印机市场可确保使用正品、有保障的墨盒。在资产、IP及品牌质量得到保障之后，打印机市场就能够将相当大部分的收入从打印机销售转移到一次性墨盒的销售。
历史经验告诉我们，只有采用严格的IP保护机制，防止克隆、伪造、复制和假冒，剃须刀-刀片商业模式才有效。DS28E15 DeepCover：安全认证器IC是销售更多3D打印机的正确途径，所以我们说3D打印领域的下一个大事件就是DS24E15。