集成安全組件的優(yōu)點(diǎn)

　　Marius Munder （Silicon Labs 系統架構 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)設備需要一系列片上安全功能，諸如不可變的設備身份、具有信任根的安全啟動(dòng)、密鑰的安全存儲，以及搭配高熵隨機數發(fā)生器的硬件加速加解密等功能。鑒于持續增加的物聯(lián)網(wǎng)安全事件，立法人員正在加速推動(dòng)立法，為部分物聯(lián)網(wǎng)設備或應用領(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(wú)法避免的問(wèn)題，還能提供額外的優(yōu)勢，如安全軟件更新和安全調試端口解鎖，而使用外部安全組件是不容易實(shí)現這些功能的。

　　在過(guò)去，安全組件（Secure Element，SE）是安裝在智能卡或專(zhuān)用的集成電路（IC）上的實(shí)體器件，提供主機系統安全相關(guān)的服務(wù)，如安全密鑰存儲或主機系統的安全識別。主機系統可經(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，在寬松的安全要求下可節省應用的成本。隨著(zhù)安全組件以智能卡的形式出現，安全設備的身份識別可以輕松地從一臺主機轉移到另一臺主機，此模式目前受到許多應用案例的青睞。

　　但是，對于最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設備，強大的安全功能應該是必備的，而非可選項。據福布斯（Forbes）雜志報道，對物聯(lián)網(wǎng)設備的網(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)的智能家居設備，實(shí)際遭受的攻擊數量預計會(huì )少幾個(gè)數量級。然而，連網(wǎng)設備易受攻擊的問(wèn)題已成為負面的新聞話(huà)題，從而影響了物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)以及受攻擊設備的制造商。因應智能設備漏洞的相關(guān)報道，監管機構和消費者權益協(xié)會(huì )一直在游說(shuō)制定相關(guān)的法律框架，強制部分物聯(lián)網(wǎng)設備制定安全級別。如美囯加州最近在實(shí)施規范物聯(lián)網(wǎng)設備安全性的新法律，其他州和國家政府也紛紛效仿。

　　由于市場(chǎng)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(lái)的所有優(yōu)勢已蕩然無(wú)存。而且BOM上的每一個(gè)項目都意味著(zhù)智能設備成本的增加，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。使用集成到主機中的安全組件則可以節省相當可觀(guān)的成本， 除了降低成本和硬件設計的復雜度之外，因為攻擊主機和安全組件之間的通信線(xiàn)路而導致的安全性問(wèn)題也可得到解決。

　　1 安全組件的功能

　　內部和外部的安全組件都可提供下列部分或全部功能。

　　1) 不可變的設備身份

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

　　2) 安全密鑰存儲

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

　　3) 硬件加密加速器

　　硬件加密加速器不僅節省復雜加密操作的時(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(lèi)型的邊信道攻擊。與安全密鑰存儲結合在一起時(shí)，給定的安全密鑰可以永遠不離開(kāi)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行限定的加密操作。只有數據負載在安全組件和應用程序之間交換，在此操作期間，應用程序不但看不到，也無(wú)法提取實(shí)際密鑰。

　　4) 高熵隨機數發(fā)生器

　　秘密的隨機數對于加密算法和密鑰的產(chǎn)生至關(guān)重要，其用于現在許多通信和安全協(xié)議的安全性和加密上。創(chuàng )建真隨機數發(fā)生器（TRNG）是一個(gè)復雜的過(guò)程，因為數字算法先天上就不利于創(chuàng )建真正的隨機數。如果確認生成的隨機數有任何規律，黑客就可以利用該弱點(diǎn)來(lái)減少獲取密鑰所耗費的時(shí)間和精力。為了克服這一限制，隨機數發(fā)生器以片上電路硬件外設的形式實(shí)現，通過(guò)專(zhuān)用的電路設計來(lái)生成非常高熵的隨機數。

　　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特功能。

　　1) 安全解鎖調試端口

　　如果未鎖好，則任何系統級芯片（SoC）的調試端口都將構成一個(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(xiàn)之前須鎖好或是停用調試的存取功能。大多數SoC都包含調試端口鎖定機制。通過(guò)集成的安全組件可以提供安全的調試端口解鎖功能，以更容易對現場(chǎng)取回的設備進(jìn)行故障分析。此舉對于現場(chǎng)試用以及向“友好的客戶(hù)”推薦初始產(chǎn)品特別有用，甚至在往后的階段，我們也希望對從現場(chǎng)退回的設備進(jìn)行故障分析以提高產(chǎn)品質(zhì)量。通過(guò)出示唯一的解鎖令牌可以開(kāi)啟調試端口的訪(fǎng)問(wèn)。此令牌可利用制造商生成的私鑰發(fā)出可撤銷(xiāo)且唯一的身份標識符。安全解鎖調試端口的主要好處在于設備解鎖時(shí)不必刪除設備數據，進(jìn)而減少故障排除時(shí)間，同時(shí)增強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(dòng)

　　常見(jiàn)的安全啟動(dòng)實(shí)現方式包括將用于驗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，因此只有用對應的私鑰簽名的程序代碼才能通過(guò)身份驗證和執行。身份驗證步驟通常由某種形式的啟動(dòng)加載程序執行。

　　我們使用集成的安全組件后，可以根據圖1所示，來(lái)采取完整的信任鏈步驟。依圖示可見(jiàn)，我們實(shí)際上擁有雙核心體系結構，第一個(gè)核心是安全組件本身，具有自己的專(zhuān)用閃存、ROM、RAM和外圍設備。第二個(gè)核心是通常更加強大的應用程序核心，帶有典型的物聯(lián)網(wǎng)SoC設計應具有的存儲器和外圍設備。

　　安全啟動(dòng)過(guò)程從安全組件開(kāi)始。具體看，啟動(dòng)從安全且不可變的ROM開(kāi)始，同時(shí)由安全組件來(lái)執行對第一階段啟動(dòng)加載程序的身份認證。在此過(guò)程中，第一階段啟動(dòng)加載程序的更新檢查也要由安全加載程序執行。一旦安全組件被完全驗證及可以使用后，第二個(gè)（應用程序）核心也隨之啟動(dòng)，同時(shí)對第二階段啟動(dòng)加載程序進(jìn)行身份驗證，并根據需要進(jìn)行安全加載程序的更新。最后，第二階段啟動(dòng)加載程序會(huì )檢查、更新（如果適用）并驗證應用程序代碼。此過(guò)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格的規則，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(dòng)加載程序；

　　● 第二階段啟動(dòng)加載程序；

　　● 應用程序。

　　這種方式可防止通過(guò)安裝較舊的固件來(lái)利用已知漏洞。同時(shí)，這也可以避免反復對簽名和加密的升級程序進(jìn)行解密，因為在這個(gè)過(guò)程中，可以使用邊信道攻擊（例如差分功率分析）來(lái)提取安全密鑰。

　　3 結論

　　智能物聯(lián)網(wǎng)設備需要最先進(jìn)的安全特性，這不僅是為了達到更好的管理，也是為了遵守許多地區和垂直市場(chǎng)所要求的法律規范。在黑客與設備制造商永無(wú)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(lái)確保設備的安全。與專(zhuān)用的外部安全組件相比，集成的安全組件可以節省更多成本。構建安全調試端口解鎖和具有完整信任根的安全啟動(dòng)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(mǎn)足。

　?。ㄗⅲ罕疚膩?lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第57頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。）