電子系統(tǒng)在我們的生活中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。無論是通過智能手機(jī)進(jìn)行通信，還是駕駛配備高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS） 的汽車，我們都依靠電子設(shè)備來簡(jiǎn)化甚至執(zhí)行我們的日常任務(wù)。這些系統(tǒng)很容易被黑客入侵，而且它們相互連接的事實(shí)放大了威脅。隨著可信情報(bào)承擔(dān)關(guān)鍵活動(dòng)（例如，個(gè)人醫(yī)療監(jiān)控），網(wǎng)絡(luò)攻擊和破壞的后果會(huì)增長(zhǎng)到包括人身傷害甚至死亡。在這個(gè)新的現(xiàn)實(shí)中，構(gòu)建能夠抵御此類攻擊的電子系統(tǒng)勢(shì)在必行。

安全啟動(dòng)是構(gòu)建安全電子系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著微控制器的工藝尺寸不斷縮小，板載嵌入式閃存正逐漸被外部 NOR 閃存所取代。這種架構(gòu)演變通過暴露的總線接口、克隆可能性等創(chuàng)造了更大的攻擊面。解決這一日益嚴(yán)重的漏洞的一種方法是使用安全 NOR 閃存進(jìn)行設(shè)計(jì)以保護(hù)存儲(chǔ)并幫助 MCU 在啟動(dòng)時(shí)建立安全的信任鏈。

安全啟動(dòng)——安全系統(tǒng)的基礎(chǔ)

通電時(shí)，每個(gè)電子系統(tǒng)都會(huì)啟動(dòng)。對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，這通常通過運(yùn)行存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中的引導(dǎo)代碼來實(shí)現(xiàn)。要啟用安全啟動(dòng)，系統(tǒng)需要建立信任根，從原始硬件存儲(chǔ)啟動(dòng)，并使用原始受信任啟動(dòng)代碼啟動(dòng)（參見圖 1）。

建立信任根

當(dāng) MCU 開始啟動(dòng)時(shí)，它必須從受信任的位置運(yùn)行。這通常通過小型內(nèi)部 ROM 或受信任的嵌入式閃存來實(shí)現(xiàn)。此代碼必須是不可變的，以便系統(tǒng)可以從本質(zhì)上信任它。它作為信任根層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。從這里系統(tǒng)可以通過驗(yàn)證硬件和驗(yàn)證存儲(chǔ)內(nèi)容將信任擴(kuò)展到外部存儲(chǔ)。

非對(duì)稱密鑰算法。

為了建立信任根，ROM 代碼通常依賴于預(yù)先存儲(chǔ)的密鑰。如果使用非對(duì)稱密鑰算法，該密鑰通常是公鑰。MCU 使用此公鑰來驗(yàn)證第二階段引導(dǎo)加載程序的簽名，該引導(dǎo)加載程序駐留在外部閃存設(shè)備上。與實(shí)際引導(dǎo)加載程序一起存儲(chǔ)的簽名是引導(dǎo)加載程序的摘要值，并使用與公鑰加密配對(duì)的私鑰進(jìn)行簽名。如果 MCU 使用公鑰成功驗(yàn)證了引導(dǎo)加載程序簽名并從當(dāng)前引導(dǎo)加載程序計(jì)算出相同的摘要值，則可以確定引導(dǎo)加載程序代碼沒有被更改。這樣，信任根就建立起來了?，F(xiàn)在可以安全地執(zhí)行這個(gè)經(jīng)過驗(yàn)證的第二階段引導(dǎo)加載程序。

對(duì)稱密鑰算法

通常，對(duì)稱密鑰算法的執(zhí)行速度比對(duì)稱算法慢。出于這個(gè)原因，在啟動(dòng)時(shí)間很關(guān)鍵的應(yīng)用程序中，用戶經(jīng)常選擇對(duì)稱密鑰算法。使用對(duì)稱密鑰，主機(jī) MCU 和外部閃存共享相同的密鑰?？梢栽诂F(xiàn)場(chǎng)部署之前（即在制造期間）在安全環(huán)境中提前建立此共享秘密。隨后，共享密鑰可用于通過在軟件上使用基于密鑰的哈希來快速驗(yàn)證第二階段引導(dǎo)加載程序。

圖 1：建立信任根

從原始硬件存儲(chǔ)啟動(dòng)

如果整個(gè)啟動(dòng)代碼都存儲(chǔ)在 MCU 內(nèi)的嵌入式閃存中，那么從原始硬件存儲(chǔ)啟動(dòng)可能不是主要問題。這是因?yàn)樵诓粨p壞 MCU 主機(jī)的情況下更換嵌入式閃存可能是不可能的。然而，隨著行業(yè)向 22-nm MCU 發(fā)展，在 MCU 中嵌入閃存變得越來越困難。超過 28nm 的技術(shù)可能會(huì)被迫將引導(dǎo)代碼存儲(chǔ)在外部閃存中。因此，為了安全啟動(dòng)，主機(jī)必須考慮是否更換了外部閃存。

為了防止黑客使用原始內(nèi)存內(nèi)容克隆硬件，主機(jī)MCU可以在制造過程中與引導(dǎo)存儲(chǔ)設(shè)備執(zhí)行配對(duì)過程。之后，只有這個(gè)配對(duì)的存儲(chǔ)設(shè)備才能提供啟動(dòng)代碼進(jìn)行啟動(dòng)。因此，必須在設(shè)備上使用安全的硬件標(biāo)識(shí)符來提供這種配對(duì)能力。標(biāo)識(shí)符可以是非常強(qiáng)的設(shè)備 ID，不能被篡改或克隆。因此，配對(duì)后的認(rèn)證過程可以基于這樣的標(biāo)識(shí)符。

使用原始的、受信任的引導(dǎo)代碼進(jìn)行引導(dǎo)

在識(shí)別出原始硬件存儲(chǔ)之后，下一步是驗(yàn)證啟動(dòng)代碼，以確保它沒有被篡改或修改。有多種方法可以做到這一點(diǎn)，每種方法都需要不同的處理能力并提供相應(yīng)的安全級(jí)別。

簡(jiǎn)單保護(hù)

與大多數(shù)傳統(tǒng)的 NOR 閃存一樣，用戶可以在引導(dǎo)代碼所在的內(nèi)存范圍內(nèi)啟用基于塊或扇區(qū)的保護(hù)。這種保護(hù)也可以防止意外寫入并從受保護(hù)區(qū)域中擦除。簡(jiǎn)單保護(hù)中沒有安全元素，因此這種保護(hù)對(duì)于更改代碼的故意攻擊很弱。黑客可以輕松發(fā)出命令來取消對(duì)該區(qū)域的保護(hù)并修改啟動(dòng)代碼。即使保護(hù)方案包括密碼，由于密碼本質(zhì)上是靜態(tài)的，它也可能被復(fù)雜的攻擊破解。

校驗(yàn)和驗(yàn)證

如果已從原始引導(dǎo)代碼計(jì)算出校驗(yàn)和，則可以在后續(xù)引導(dǎo)中使用它來驗(yàn)證代碼未被修改。這個(gè)過程必須由宿主完成；因此，它要求主機(jī)從引導(dǎo)設(shè)備讀取整個(gè)引導(dǎo)代碼并計(jì)算校驗(yàn)和，然后才能開始運(yùn)行它。請(qǐng)注意，主機(jī)不能依賴存儲(chǔ)設(shè)備來提供校驗(yàn)和值，因?yàn)檫@可能會(huì)在攻擊期間被修改。

使用加密存儲(chǔ)引導(dǎo)代碼

加密的引導(dǎo)代碼可以使用密鑰存儲(chǔ)在 NOR 閃存中。MCU 內(nèi)部可能有硬件在啟動(dòng)時(shí)透明地解密數(shù)據(jù)。由于引導(dǎo)代碼純文本不會(huì)暴露在總線上，因此無法竊聽。只要用于加密的密鑰不被泄露，這種方法就是安全的。但是，如果加密密鑰被泄露，則必須重新刷新外部閃存上的引導(dǎo)代碼內(nèi)容。這個(gè)過程可能很乏味，甚至不可能在已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備上實(shí)施。

閃存設(shè)備輔助驗(yàn)證

如果設(shè)備提供此類功能，則可以將驗(yàn)證任務(wù)卸載到 NOR 閃存，而不是 MCU 將整個(gè)引導(dǎo)加載程序讀取到 RAM 以進(jìn)行驗(yàn)證。在對(duì)引導(dǎo)時(shí)間敏感的系統(tǒng)中，卸載驗(yàn)證任務(wù)可以幫助 MCU 更快地開始執(zhí)行引導(dǎo)加載程序。看門狗定時(shí)器可用于在驗(yàn)證失敗的情況下重置系統(tǒng)。使用這種方法，MCU 可以在閃存設(shè)備驗(yàn)證代碼時(shí)開始處理一些緊急任務(wù)。當(dāng)然，在驗(yàn)證完成之前，只能運(yùn)行非安全功能。這意味著主機(jī)必須實(shí)現(xiàn)一個(gè)安全的中斷處理程序，該處理程序可以通過中斷事件從 NOR 閃存獲取驗(yàn)證結(jié)果。

安全 NOR 閃存

傳統(tǒng)的 NOR 閃存能夠提供簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)保護(hù)，無論是否有密碼。這使得使用傳統(tǒng) NOR 閃存實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)功能變得困難。賽普拉斯等公司提供的下一代安全 NOR 閃存集成了安全功能，可實(shí)現(xiàn)更高級(jí)別的安全啟動(dòng)。

設(shè)備識(shí)別復(fù)合引擎 （DICE）

由可信計(jì)算組 （TCG） 指定的 DICE 提供了一種方法，用于根據(jù)每個(gè)設(shè)備的唯一設(shè)備機(jī)密來獲取強(qiáng)大且安全的設(shè)備 ID。使用存儲(chǔ)引導(dǎo)代碼的設(shè)備上的 DICE，系統(tǒng)可以在引導(dǎo)時(shí)建立信任根基礎(chǔ)。

DICE 建立在唯一設(shè)備密鑰 （UDS） 之上。UDS 是每個(gè)設(shè)備上的真正隨機(jī)數(shù)，沒有任何關(guān)聯(lián)。UDS 在客戶的設(shè)施中生成并存儲(chǔ)在設(shè)備上的一個(gè)秘密位置，一旦寫入，就無法讀取 UDS。由證書提供的設(shè)備標(biāo)識(shí)源自 UDS。因此，一旦 MCU 與特定的閃存設(shè)備配對(duì)，就不可能克隆包含相同 UDS 的設(shè)備。

安全存儲(chǔ)區(qū)域

可以將安全 NOR 閃存配置為在設(shè)備內(nèi)具有多個(gè)獨(dú)立的安全區(qū)域。具有不同訪問級(jí)別的區(qū)域可用于存儲(chǔ)可能需要不同安全級(jí)別的固件或軟件。個(gè)別區(qū)域也可以配置為一般數(shù)據(jù)的非安全存儲(chǔ)。隨著安全級(jí)別的提高，設(shè)備的讀取吞吐量會(huì)因加密措施而降低。通過提供各種訪問級(jí)別，用戶可以決定系統(tǒng)每個(gè)部分的性能和安全性之間的權(quán)衡。

如果固件引導(dǎo)加載程序存儲(chǔ)在配置為需要身份驗(yàn)證的區(qū)域中，則用戶可以確定固件未被任何未經(jīng)授權(quán)的方修改。如果固件包含用戶不想暴露在 SPI 總線上的敏感數(shù)據(jù)，則可以將其存儲(chǔ)在需要加密的區(qū)域中，這樣只有加密的數(shù)據(jù)才會(huì)傳輸?shù)娇偩€上。

快速安全啟動(dòng)

某些應(yīng)用程序（例如汽車系統(tǒng)）需要及時(shí)安全地啟動(dòng)。在現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)中，引導(dǎo)代碼或應(yīng)用軟件可能非常龐大，以至于 MCU 需要大量時(shí)間來讀取和驗(yàn)證整個(gè)軟件。在這種情況下，安全 NOR 閃存可以在啟動(dòng)期間卸載 MCU，以驗(yàn)證存儲(chǔ)在設(shè)備上的軟件。這是通過提前在 MCU 和設(shè)備之間存儲(chǔ)共享秘密信息來實(shí)現(xiàn)的。在啟動(dòng)過程中，可以快速驗(yàn)證此共享密鑰，以確保設(shè)備和存儲(chǔ)軟件的原創(chuàng)性。該設(shè)備還可以在 MCU 開始處理一些基本任務(wù)時(shí)驗(yàn)證軟件應(yīng)用程序代碼。因此，可以縮短整個(gè)啟動(dòng)時(shí)間，以滿足汽車應(yīng)用的嚴(yán)格要求。

汽車、工業(yè)和通信領(lǐng)域的現(xiàn)代電子系統(tǒng)需要高度安全的閃存存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)人員面臨著構(gòu)建能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。賽普拉斯串行和并行NOR 閃存等安全存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)了安全功能，使外部存儲(chǔ)能夠支持快速安全的啟動(dòng)。

審核編輯：郭婷