使用有安全保障的閃存存儲構(gòu)建安全的汽車系統(tǒng)

在現(xiàn)代汽車嵌入式系統(tǒng)中，高度安全的數(shù)據(jù)存儲是必不可少的，尤其是在面對日益高明的網(wǎng)絡(luò)攻擊時。本文將介紹設(shè)計師正確使用閃存的步驟。

對電子嵌入式系統(tǒng)的安全和安全保障需求從未有今天這樣強烈。隨著汽車的自動化程度不斷提高，我們需要提高其安全保障水平，防止它們被黑客攻破。對于采用大量機器人與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，需要處理敏感數(shù)據(jù)的工廠來說，同樣如此。

對所有此類嵌入式系統(tǒng)來說，非易失性閃存存儲器必不可少。閃存可用作代碼存儲、文件系統(tǒng)存儲或直接運行代碼的微控制器單元（MCU）存儲器。如果要實現(xiàn)系統(tǒng)安全性，必須首先確保系統(tǒng)使用的閃存存儲器是安全的。本文探討閃存存儲器的安全需求，幫助開發(fā)人員為汽車、工業(yè)和通信應(yīng)用構(gòu)建安全有保障的嵌入式系統(tǒng)。

閃存存儲器的使用方式

如果我們仔細觀察現(xiàn)代汽車的電子系統(tǒng)，我們會發(fā)現(xiàn)閃存在整車上都得到廣泛使用。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，我們需要更大容量的代碼存儲和數(shù)據(jù)存儲。車內(nèi)的所有子系統(tǒng)，包括高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、儀表系統(tǒng)（即將與信息娛樂合并）、傳動和車身系統(tǒng)，都需要嵌入式系統(tǒng)才能實時運行。

所有這些嵌入式系統(tǒng)都需要某種類型的閃存存儲器，用作代碼存儲和數(shù)據(jù)存儲。例如，圖1所示的是一個使用多個NOR閃存器件的ADAS子系統(tǒng)。

圖1.該ADAS子系統(tǒng)使用多個NOR閃存

在當今的ADAS應(yīng)用中，復(fù)雜的算法和人工智能流程依賴在閃存存儲器中存儲的代碼和數(shù)據(jù)來運行。存儲必須提供故障安全和安全保障，因為系統(tǒng)故障或惡意攻擊可能導(dǎo)致嚴重的人身傷害乃至身故。

在工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，也存在對存儲解決方案的類似安全與安全保障需求。在互聯(lián)互通程度不斷提高的大背景下，黑客能突破任何與互聯(lián)網(wǎng)相連的薄弱實體，竊取敏感信息，或者將被攻破的設(shè)備當作跳板，在整個網(wǎng)絡(luò)中的其他地方發(fā)起攻擊。因此，構(gòu)建有安全保障的系統(tǒng)，避免發(fā)生這種類型的攻擊，變得至關(guān)重要。

有安全保障的閃存存儲

多年來，閃存存儲器廠商一直提供純粹的數(shù)據(jù)存儲。對于這些應(yīng)用，耐久度和保持能力是衡量閃存存儲器質(zhì)量的兩大指標。安全保障并非是對這類型閃存器件的要求，這就意味著存儲在閃存上的數(shù)據(jù)要么完全不受保護，要么使用未經(jīng)認證的命令進行保護。

例如，一些閃存器件通過正常命令集提供基本的保護功能，例如針對編程或擦除操作對扇區(qū)提供非易失性或易失性保護、針對編程或讀取操作的密碼保護等。這些功能雖是好功能，但不足以抵御手段高明的攻擊。如果黑客能夠訪問閃存器件的總線接口，他們就能輕易地提取或修改設(shè)備上的數(shù)據(jù)。

為了保障安全，閃存器件必須保護存儲的代碼和數(shù)據(jù)免受多種手段的攻擊。下面總結(jié)了閃存存儲設(shè)備需要加以防范的幾種攻擊。

?   中間人（MIM）攻擊

MIM攻擊中的黑客常模仿通信信道的發(fā)送方，發(fā)送命令或消息給另一側(cè)，以竊取或修改數(shù)據(jù)（圖2）。因此，有必要認證主機和閃存設(shè)備間的每一條消息。認證可通過在主機和閃存上使用公共密鑰，生成伴隨實際消息的消息認證碼（MAC）來實現(xiàn)。接收方可以在對消息采取行動之前先驗證MAC。

圖2.中間人攻擊常模仿通信的信道發(fā)送方發(fā)送命令或消息，最終目的是竊取或修改數(shù)據(jù)

為了防止在密鑰受損時系統(tǒng)被永久破壞，通常需要使用臨時密鑰。臨時密鑰會在一定時間或在一定次數(shù)后失效。這樣做的目的是盡可能避免密鑰被破壞性物理分析（DPA）或其它迭代攻擊等方法進行解密。

另一種中間人攻擊則是在一定時間以后重放截獲的合法消息。為了防范重放攻擊，主機和閃存設(shè)備必須使用累加計數(shù)器（值隨每個消息遞增）生成MAC。由于當前的累加計數(shù)器值與上一消息的值不同。重放相同的消息就不能通過MAC驗證，

?   克隆

一些黑客可以使用先進的技術(shù)讀取閃存芯片中的全部內(nèi)容，通過非法克隆牟利。為了防范此類攻擊，每個閃存芯片都必須擁有任何人都不能讀取的唯一設(shè)備秘密（UDS）。UDS值具有唯一性，是每個芯片內(nèi)的真實隨機值。一個芯片和另一個芯片中的UDS之間毫無關(guān)聯(lián)。

UDS可用于推導(dǎo)復(fù)合設(shè)備標識符（CDI），而這個標識符是生成可信計算工作組織（TCG）設(shè)備標識符組合引擎（DICE）規(guī)格定義的設(shè)備ID證書的基礎(chǔ)。一般來說，設(shè)備也在CDI的基礎(chǔ)上，為所有用主機導(dǎo)出的密鑰生成別名私鑰公鑰對。這樣就無需暴露設(shè)備ID的私鑰。

有了UDS和DICE流程后，由于UDS在物理上不可克隆，因此黑客就無法克隆設(shè)備。

?   竊聽

被動偵聽是另外一種已知的攻擊方式。攻擊者通過在總線上竊聽，可從通過總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中搜集敏感信息或機密情報。為保護重要數(shù)據(jù)，用戶可選擇在通過總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到閃存設(shè)備，并存儲數(shù)據(jù)前為數(shù)據(jù)加密。當主機從設(shè)備檢索數(shù)據(jù)時，也應(yīng)對數(shù)據(jù)進行加密處理，讓潛在的黑客永遠無機可乘。

也許有人會說，加密方法不需要有安全保障的閃存存儲解決方案，因為主機可以直接加密數(shù)據(jù)并將其存儲到閃存中。只有主機才能解密數(shù)據(jù)。

然而，這樣做也有一定的缺點。其中之一是主機不能輕易地棄用加密密鑰。例如，假設(shè)使用KeyA加密數(shù)據(jù)并將其存儲在閃存中，后來用戶發(fā)現(xiàn)KeyA已被攻破，就需要在系統(tǒng)上使用不同的密鑰，即KeyB。

這時，主機陷入兩難境地：它不能直接棄用KeyA，因為它需要保留該密鑰，才能解密從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。然而，如果KeyA被攻破，用戶可能不想永久保留它。如果要使用新的數(shù)據(jù)加密密鑰，用戶不得不采取更復(fù)雜的措施。先擦除閃存上的原始加密數(shù)據(jù)，再用新加密的數(shù)據(jù)為閃存編程。這種操作在現(xiàn)場并非易事，且存在一定風(fēng)險。

另一方面，如果有安全保障的閃存能夠提供加密和解密功能，它就能在其有安全保障的存儲中安全地存放明文數(shù)據(jù)，并在將數(shù)據(jù)發(fā)回給主機之前進行加密處理。如果當前的加密密鑰被攻破，主機可以簡單地與設(shè)備交換新的密鑰。存儲中的數(shù)據(jù)保持完整且有安全保障，與存儲加密數(shù)據(jù)相比，是一種簡單得多的方法。

保護措施

下面介紹開發(fā)安全閃存存儲的各個步驟：

?   提供靈活的存儲器架構(gòu)

在現(xiàn)代的多核嵌入式系統(tǒng)中，多個MCU或硬件安全模塊（HSM）可能可以訪問同一個閃存存儲。閃存設(shè)備有必要提供一種靈活的存儲器架構(gòu)，可以對其進行分區(qū)和配置，以便通過不同的內(nèi)核管理不同的區(qū)域。這些不同區(qū)域可提供不同水平的安全保障，或者在完全不需要時，取消安全保障。

通過了解eMMC標準和UFS標準，我們顯然可以看到支持多個安全區(qū)域的趨勢。當前的eMMC標準規(guī)定了重放保護內(nèi)存塊（RPMB）。最新的UFS（v3.0）標準可為四個RPMB分區(qū)提供智能支持，它們由四個不同的密鑰進行管理。這樣的存儲器架構(gòu)靈活性在多核SoC環(huán)境中更加合適。

?   提供快速的安全啟動功能

眾多嵌入式系統(tǒng)都在閃存中存儲啟動代碼。部分是因為需要快速啟動，例如汽車子系統(tǒng)需要在加電重置（POR）的100ms內(nèi)處理CAN消息。系統(tǒng)不僅需要安全啟動（即驗證啟動代碼），還需要快速啟動。這就給嵌入式設(shè)計師提出更高的挑戰(zhàn)。

一般情況下，在運行存儲并下載（SnD）模式時，主機從閃存讀取引導(dǎo)加載程序并映射給RAM執(zhí)行。然而，要想安全啟動，就需要檢查認證整個引導(dǎo)加載程序代碼，以確保其可信性。這個過程需要在MCU上花費時間。有安全保障的閃存存儲能夠提供引導(dǎo)加載認證，大幅度縮短啟動時間。

安全的閃存設(shè)備能夠使用內(nèi)部安全散列函數(shù)檢查引導(dǎo)加載程序，并為主機提供驗證用散列值。如果散列值未發(fā)生改變，就說明引導(dǎo)加載程序未被篡改，可以安全地用于啟動。

?   提供安全的固件無線更新（FOTA）

對于現(xiàn)代的嵌入式應(yīng)用而言，現(xiàn)場升級是必備功能。通過遠程升級系統(tǒng)的固件或軟件，制造商能夠快速解決問題、提供新增特性、提升用戶體驗。然而，遠程升級也會對系統(tǒng)構(gòu)成安全威脅。沒人希望黑客利用現(xiàn)成的更新通道，讓系統(tǒng)運行惡意固件或軟件。

除了依靠CPU提供的安全保障，閃存設(shè)備內(nèi)部的安全引擎也能大幅提高FOTA流程的安全水平（圖3）。采用這樣的安全引擎后，提供啟動代碼存儲的閃存設(shè)備不僅可以用閃存設(shè)備旁邊的主機認證固件提供商，也可以在遠程云上進行認證。通過這種方式，可以為閃存中的固件更新或軟件更新建立端到端的通道安全。

圖3.閃存設(shè)備中的安全引擎有助于實現(xiàn)更安全的固件無線更新流程

現(xiàn)代汽車、工業(yè)、通信使用的嵌入式系統(tǒng)需要有高度安全保障的數(shù)據(jù)存儲。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是，如何構(gòu)建能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全系統(tǒng)。集成安全保障特性的閃存，如賽普拉斯的Semper Flash，通過防范各種針對嵌入式系統(tǒng)的攻擊，提高整體系統(tǒng)的安全性。