集成安全組件的優(yōu)點(diǎn)

　　Marius Munder （Silicon Labs 系統(tǒng)架構(gòu) 高級工程經(jīng)理）

　　摘 要：分析了安全組件的功能，和集成安全組件的附加功能及優(yōu)勢。

　　關(guān)鍵詞：安全；集成；組件

　　0 引言

　　為了確保物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的安全，連網(wǎng)設(shè)備需要一系列片上安全功能，諸如不可變的設(shè)備身份、具有信任根的安全啟動、密鑰的安全存儲，以及搭配高熵隨機(jī)數(shù)發(fā)生器的硬件加速加解密等功能。鑒于持續(xù)增加的物聯(lián)網(wǎng)安全事件，立法人員正在加速推動立法，為部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或應(yīng)用領(lǐng)域制定最低的安全級別。集成的安全組件不僅可以協(xié)助解決這些無法避免的問題，還能提供額外的優(yōu)勢，如安全軟件更新和安全調(diào)試端口解鎖，而使用外部安全組件是不容易實(shí)現(xiàn)這些功能的。

　　在過去，安全組件（Secure Element，SE）是安裝在智能卡或?qū)Ｓ玫募呻娐罚↖C）上的實(shí)體器件，提供主機(jī)系統(tǒng)安全相關(guān)的服務(wù)，如安全密鑰存儲或主機(jī)系統(tǒng)的安全識別。主機(jī)系統(tǒng)可經(jīng)加密連接后進(jìn)行通信。這種方法的優(yōu)勢是把物料清單（BOM）中的安全組件變成可選項(xiàng)，在寬松的安全要求下可節(jié)省應(yīng)用的成本。隨著安全組件以智能卡的形式出現(xiàn)，安全設(shè)備的身份識別可以輕松地從一臺主機(jī)轉(zhuǎn)移到另一臺主機(jī)，此模式目前受到許多應(yīng)用案例的青睞。

　　但是，對于最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，強(qiáng)大的安全功能應(yīng)該是必備的，而非可選項(xiàng)。據(jù)福布斯（Forbes）雜志報(bào)道，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)攻擊在2019年激增了300％，僅2019年上半年連接至互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備就遭受到29億次攻擊。那些未直接連接至互聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)備，實(shí)際遭受的攻擊數(shù)量預(yù)計(jì)會少幾個(gè)數(shù)量級。然而，連網(wǎng)設(shè)備易受攻擊的問題已成為負(fù)面的新聞話題，從而影響了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)以及受攻擊設(shè)備的制造商。因應(yīng)智能設(shè)備漏洞的相關(guān)報(bào)道，監(jiān)管機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者權(quán)益協(xié)會一直在游說制定相關(guān)的法律框架，強(qiáng)制部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制定安全級別。如美囯加州最近在實(shí)施規(guī)范物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全性的新法律，其他州和國家政府也紛紛效仿。

　　由于市場渴望特定的產(chǎn)品系列具有安全組件提供的部分或全部安全功能，安全組件在BOM（物料清單）中可選而帶來的所有優(yōu)勢已蕩然無存。而且BOM上的每一個(gè)項(xiàng)目都意味著智能設(shè)備成本的增加，這不僅僅是安全組件本身的硬件成本，還包括印制電路板（PCB）上組件的取放、檢查和測試成本等等。使用集成到主機(jī)中的安全組件則可以節(jié)省相當(dāng)可觀的成本， 除了降低成本和硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度之外，因?yàn)楣糁鳈C(jī)和安全組件之間的通信線路而導(dǎo)致的安全性問題也可得到解決。

　　1 安全組件的功能

　　內(nèi)部和外部的安全組件都可提供下列部分或全部功能。

　　1) 不可變的設(shè)備身份

　　不可變的設(shè)備身份包括唯一且防篡改的設(shè)備身份，用于設(shè)備身份識別和提供設(shè)備認(rèn)證的安全憑證。這個(gè)功能可能包括唯一的設(shè)備識別碼、安全憑證或其他安全手段，例如基于令牌的認(rèn)證。 重點(diǎn)是，除非入侵設(shè)備所付出的代價(jià)遠(yuǎn)高于能獲得的潛在回報(bào)，否則設(shè)備身份識別安全不會受到威脅。

　　2) 安全密鑰存儲

　　安全密鑰存儲實(shí)質(zhì)上就是受保護(hù)的閃存區(qū)，其受安全組件控制且只能經(jīng)由安全組件存取。根據(jù)Kerckhoffs原理，最好的加密算法只有在密鑰數(shù)據(jù)不會受邊信道的攻擊而被提取的情況下才是安全的。在這類攻擊中，無需破解加密算法，也不用暴力侵入設(shè)備，就可以提取密鑰數(shù)據(jù)。安全組件可以確保安全密鑰數(shù)據(jù)不能經(jīng)由設(shè)備的調(diào)試接口被提取，甚至被劫持的應(yīng)用程序也無法取得該數(shù)據(jù)。

　　3) 硬件加密加速器

　　硬件加密加速器不僅節(jié)省復(fù)雜加密操作的時(shí)間和功耗，還可以采取最新對策以防止差分功率分析（DPA）等類型的邊信道攻擊。與安全密鑰存儲結(jié)合在一起時(shí)，給定的安全密鑰可以永遠(yuǎn)不離開安全組件，而是指示安全組件去使用安全密鑰存儲庫中的特定密鑰執(zhí)行限定的加密操作。只有數(shù)據(jù)負(fù)載在安全組件和應(yīng)用程序之間交換，在此操作期間，應(yīng)用程序不但看不到，也無法提取實(shí)際密鑰。

　　4) 高熵隨機(jī)數(shù)發(fā)生器

　　秘密的隨機(jī)數(shù)對于加密算法和密鑰的產(chǎn)生至關(guān)重要，其用于現(xiàn)在許多通信和安全協(xié)議的安全性和加密上。創(chuàng)建真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器（TRNG）是一個(gè)復(fù)雜的過程，因?yàn)閿?shù)字算法先天上就不利于創(chuàng)建真正的隨機(jī)數(shù)。如果確認(rèn)生成的隨機(jī)數(shù)有任何規(guī)律，黑客就可以利用該弱點(diǎn)來減少獲取密鑰所耗費(fèi)的時(shí)間和精力。為了克服這一限制，隨機(jī)數(shù)發(fā)生器以片上電路硬件外設(shè)的形式實(shí)現(xiàn)，通過專用的電路設(shè)計(jì)來生成非常高熵的隨機(jī)數(shù)。

　　2 集成安全組件的附加功能

　　集成的安全組件可以提供下列附加的獨(dú)特功能。

　　1) 安全解鎖調(diào)試端口

　　如果未鎖好，則任何系統(tǒng)級芯片（SoC）的調(diào)試端口都將構(gòu)成一個(gè)重大的安全漏洞。所以最佳的安全性實(shí)踐是產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)線之前須鎖好或是停用調(diào)試的存取功能。大多數(shù)SoC都包含調(diào)試端口鎖定機(jī)制。通過集成的安全組件可以提供安全的調(diào)試端口解鎖功能，以更容易對現(xiàn)場取回的設(shè)備進(jìn)行故障分析。此舉對于現(xiàn)場試用以及向“友好的客戶”推薦初始產(chǎn)品特別有用，甚至在往后的階段，我們也希望對從現(xiàn)場退回的設(shè)備進(jìn)行故障分析以提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過出示唯一的解鎖令牌可以開啟調(diào)試端口的訪問。此令牌可利用制造商生成的私鑰發(fā)出可撤銷且唯一的身份標(biāo)識符。安全解鎖調(diào)試端口的主要好處在于設(shè)備解鎖時(shí)不必刪除設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少故障排除時(shí)間，同時(shí)增強(qiáng)故障根本成因的分析能力。

　　2) 具有完整信任根和安全加載程序的安全啟動

　　常見的安全啟動實(shí)現(xiàn)方式包括將用于驗(yàn)證程序代碼的公鑰存儲到一次性可編程存儲器中。由于公鑰變得不可逆，因此只有用對應(yīng)的私鑰簽名的程序代碼才能通過身份驗(yàn)證和執(zhí)行。身份驗(yàn)證步驟通常由某種形式的啟動加載程序執(zhí)行。

　　我們使用集成的安全組件后，可以根據(jù)圖1所示，來采取完整的信任鏈步驟。依圖示可見，我們實(shí)際上擁有雙核心體系結(jié)構(gòu)，第一個(gè)核心是安全組件本身，具有自己的專用閃存、ROM、RAM和外圍設(shè)備。第二個(gè)核心是通常更加強(qiáng)大的應(yīng)用程序核心，帶有典型的物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計(jì)應(yīng)具有的存儲器和外圍設(shè)備。

　　安全啟動過程從安全組件開始。具體看，啟動從安全且不可變的ROM開始，同時(shí)由安全組件來執(zhí)行對第一階段啟動加載程序的身份認(rèn)證。在此過程中，第一階段啟動加載程序的更新檢查也要由安全加載程序執(zhí)行。一旦安全組件被完全驗(yàn)證及可以使用后，第二個(gè)（應(yīng)用程序）核心也隨之啟動，同時(shí)對第二階段啟動加載程序進(jìn)行身份驗(yàn)證，并根據(jù)需要進(jìn)行安全加載程序的更新。最后，第二階段啟動加載程序會檢查、更新（如果適用）并驗(yàn)證應(yīng)用程序代碼。此過程如圖1所示。

　　關(guān)于防范攻擊的對策，一種很好的做法是要遵循嚴(yán)格的規(guī)則，即僅允許下列可更新部件的固件升級到新的版本：

　　● 第一階段啟動加載程序；

　　● 第二階段啟動加載程序；

　　● 應(yīng)用程序。

　　這種方式可防止通過安裝較舊的固件來利用已知漏洞。同時(shí)，這也可以避免反復(fù)對簽名和加密的升級程序進(jìn)行解密，因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，可以使用邊信道攻擊（例如差分功率分析）來提取安全密鑰。

　　3 結(jié)論

　　智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要最先進(jìn)的安全特性，這不僅是為了達(dá)到更好的管理，也是為了遵守許多地區(qū)和垂直市場所要求的法律規(guī)范。在黑客與設(shè)備制造商永無止境的軍備競賽中，集成的安全組件可提供卓越的價(jià)值和較低的成本來確保設(shè)備的安全。與專用的外部安全組件相比，集成的安全組件可以節(jié)省更多成本。構(gòu)建安全調(diào)試端口解鎖和具有完整信任根的安全啟動這些安全特性所需要的前提條件，只有集成的安全組件才能滿足。

　?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第07期第57頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。）