基于底層安全機(jī)制構(gòu)建信任根增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性

　　通過組合使用，基于硬件的加密技術(shù)與安全存儲可提供實(shí)現(xiàn)安全物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 設(shè)計(jì)所需的基本功能。但是，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一旦部署，就會面臨多種威脅，這些威脅會破壞這些設(shè)備，發(fā)起即時攻擊，或造成更微妙和高級的持續(xù)性威脅。

　　本文描述了開發(fā)人員應(yīng)如何使用基于底層安全機(jī)制構(gòu)建的信任根來增強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性，這個信任根在 Maxim Integrated、Microchip Technology、NXP Semiconductors 和 Silicon Labs 等廠商推出的安全處理器上可為軟件執(zhí)行提供一個可信任的環(huán)境。

　　什么是信任根，為什么需要信任根？

　　加密方法和安全密鑰是確保任何互聯(lián)設(shè)備安全性的關(guān)鍵促進(jìn)因素。如本系列文章的第 1 部分和第 2 部分所述，它們提供了更高層次協(xié)議所用的基本機(jī)制，以保護(hù)數(shù)據(jù)和通信。要保護(hù)系統(tǒng)本身，需要開發(fā)人員解決可能影響嵌入式系統(tǒng)中的系統(tǒng)操作和軟件執(zhí)行的漏洞。

　　在典型的嵌入式系統(tǒng)中，由于電源故障或關(guān)鍵軟件異常導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)位最終會引起軟件引導(dǎo)過程，從非易失性存儲器重新加載固件映像。通常，軟件重新引導(dǎo)是一種重要的安全機(jī)制，用于恢復(fù)被意外或有意打破穩(wěn)定性的系統(tǒng)功能。在互聯(lián)系統(tǒng)中，黑客使用各種黑帽工具來破壞軟件，而安全專家通常建議通過重新引導(dǎo)，來應(yīng)對影響軟件執(zhí)行的入侵行為。例如，F(xiàn)BI 在 2018 年曾建議消費(fèi)者和企業(yè)主重新啟動路由器，以阻止所發(fā)生的大規(guī)模黑客攻擊活動。

　　實(shí)際上，重新引導(dǎo)并不能保證系統(tǒng)完整性。在固件映像被盜用的情況下重新引導(dǎo)后，系統(tǒng)仍處于黑客的控制之下。為了緩和此類威脅，開發(fā)人員需要確保其軟件在信任鏈上運(yùn)行，而該信任鏈則基于引導(dǎo)時建立的信任根所構(gòu)建，并延伸至軟件執(zhí)行環(huán)境的所有層面。能否達(dá)到此安全級別關(guān)鍵取決于，確保使用可信的固件開始引導(dǎo)過程。

　　驗(yàn)證固件映像進(jìn)行安全引導(dǎo)

　　在嵌入式系統(tǒng)中，主機(jī)處理器將固件映像從閃存加載到主存儲器中并開始執(zhí)行（或者直接從具有芯片內(nèi)執(zhí)行 （XIP） 功能的閃存開始執(zhí)行）。如果黑客已盜用固件映像，則引導(dǎo)過程將會導(dǎo)致系統(tǒng)被劫持。

　　為了在引導(dǎo)之前驗(yàn)證固件的完整性，開發(fā)人員使用了一個從供應(yīng)鏈早期開始的代碼簽名過程。在安全的設(shè)施內(nèi)，通過使用橢圓曲線數(shù)字簽名算法 （ECDSA） 之類的加密穩(wěn)健算法創(chuàng)建的私鑰-公鑰對，可對系統(tǒng)的固件映像進(jìn)行簽名。盡管私鑰從未離開過設(shè)施，但系統(tǒng)公鑰會隨系統(tǒng)一起發(fā)運(yùn)。在引導(dǎo)過程中，處理器會在使用映像之前運(yùn)用此系統(tǒng)公鑰來驗(yàn)證固件簽名。

　　當(dāng)然，在上述過程中，公鑰本身容易受到攻擊，而且在擴(kuò)展時，這會使系統(tǒng)固件容易遭到未經(jīng)授權(quán)的替換。如果公鑰在嵌入式系統(tǒng)中繼續(xù)不受保護(hù)，黑客可能會用自己生成的私鑰-公鑰對中的公鑰來替換它。如果他們以自己擁有的相關(guān)私鑰簽名的惡意固件替換了系統(tǒng)的固件映像，則被盜用的固件簽名將會通過驗(yàn)證過程，并繼續(xù)引導(dǎo)過程，從而導(dǎo)致系統(tǒng)被劫持。

　　因此，安全系統(tǒng)依賴于在安全設(shè)施內(nèi)的安全元件中預(yù)配置的有效公鑰。Maxim Integrated 的 DS28C36 和 Microchip Technology 的 ATECC608A 這類安全 IC 不僅可以安全地存儲傳統(tǒng)安全元件，還能安全地執(zhí)行 ECDSA 等認(rèn)證算法進(jìn)行固件簽名認(rèn)證。

　　例如，在引導(dǎo)之前，主機(jī)處理器可通過串行接口將固件發(fā)送到 DS28C36。DS28C36 隨即使用先前在安全設(shè)施中預(yù)配置的系統(tǒng)公鑰，來驗(yàn)證固件簽名是否確實(shí)由同一安全設(shè)施中的關(guān)聯(lián)私鑰創(chuàng)建。最后，DS28C36 將驗(yàn)證結(jié)果發(fā)送至主機(jī)處理器，如果簽名有效，主機(jī)處理器會繼續(xù)加載固件映像（圖 1）。

圖 1：開發(fā)人員可以使用 Maxim Integrated 的 DS28C36 這類安全 IC 來驗(yàn)證固件簽名，以防止主機(jī)處理器引導(dǎo)被盜用的固件。（圖片來源：Maxim Integrated）

　　更安全的引導(dǎo)過程可保護(hù)固件映像，以消除密鑰或映像被盜用造成的問題。通過使用安全存儲和加密加速器，有效的安全引導(dǎo)功能已內(nèi)置到越來越多的處理器中，包括 Silicon Laboratories 的 Gecko 系列 2 處理器、NXP 的 LPC55S69JBD100、Maxim Integrated 的 MAX32520 和 Microchip Technology 的 ATSAML11D16A 等等。利用這些功能，此類安全處理器可以提供所需的信任根，以創(chuàng)建用于系統(tǒng)和應(yīng)用軟件執(zhí)行的可信環(huán)境。

　　通過安全引導(dǎo)提供信任根

　　此類安全處理器提供安全引導(dǎo)選項(xiàng)，旨在確保信任根所依托的固件映像的完整性。例如，Silicon Laboratories 的 EFR32MG21A 和 EFR32BG22 Gecko 系列 2 處理器分別通過基于硬件安全元件和虛擬安全元件 （VSE） 的多級引導(dǎo)過程來構(gòu)建此信任根（圖 2）。

圖 2：Silicon Laboratories 的 Gecko 系列 2 EFR32MG21A 處理器在多級引導(dǎo)過程的第一級使用集成的硬件安全元件（如本圖所示），而 EFR32BG22 則使用虛擬安全元件來啟動多級引導(dǎo)過程。（圖片來源：Silicon Laboratories）

　　在 EFR32MG21A 中，專用處理器內(nèi)核提供加密功能以及用于安全密鑰存儲的硬件安全元件。在此專用功能的支持下，處理器使用只讀存儲器 （ROM） 中存儲的代碼發(fā)起引導(dǎo)過程，以驗(yàn)證第一級引導(dǎo)程序 （FSB） 代碼。完成驗(yàn)證后，F(xiàn)SB 代碼即會運(yùn)行，接著又會驗(yàn)證第二級引導(dǎo)程序 （SSB） 的代碼簽名。引導(dǎo)序列繼續(xù)執(zhí)行經(jīng)驗(yàn)證的 SSB，后者進(jìn)而會驗(yàn)證應(yīng)用程序代碼的簽名，而該代碼通常包括系統(tǒng)級代碼和更高級別的應(yīng)用程序代碼。最后，經(jīng)驗(yàn)證的應(yīng)用程序代碼運(yùn)行，系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用程序的要求繼續(xù)執(zhí)行操作。

　　由于此過程從 ROM 代碼開始，而且僅運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)證的 FSB、SSB 和應(yīng)用程序代碼，因此該方法將產(chǎn)生經(jīng)驗(yàn)證的信任鏈來執(zhí)行代碼。由于此信任鏈中的第一環(huán)依賴于無法修改的 ROM 代碼，因此信任鏈中后續(xù)的每一環(huán)都會延續(xù)此可信環(huán)境。與此同時，這種方法還允許開發(fā)人員安全地更新應(yīng)用程序代碼，甚至是第一級和第二級引導(dǎo)程序代碼。只要每個代碼包都提供經(jīng)驗(yàn)證的簽名，可信環(huán)境就能保持完好。

　　使用信任根提供這種安全引導(dǎo)的處理器，通常支持多種模式和選項(xiàng)。例如，Silicon Laboratories 的 Gecko 系列 2 處理器提供了更強(qiáng)大的基于證書的安全引導(dǎo)功能。

　　證書可用于常規(guī)公鑰基礎(chǔ)結(jié)構(gòu) （PKI） 事務(wù)處理，包含公鑰以及對一個或多個相關(guān)證書的引用，這些證書最終指向證書頒發(fā)機(jī)構(gòu) （CA） 授予的根證書。此鏈中的每個證書均用于驗(yàn)證其下面的證書，從而形成基于值得信賴的 CA 的信任鏈。在傳輸層安全性 （TLS） 的認(rèn)證階段，瀏覽器依靠此信任鏈來確認(rèn) Web 服務(wù)器的身份。嵌入式系統(tǒng)可采用相同的方法使用證書來確認(rèn)引導(dǎo)程序或應(yīng)用程序代碼源的身份。在這里，按照前述方式執(zhí)行多級引導(dǎo)過程，但需要額外驗(yàn)證與每一級相關(guān)的證書（圖 3）。

圖 3：Silicon Laboratories 的 Gecko 系列 2 處理器通過在引導(dǎo)過程每一級的簽名驗(yàn)證期間驗(yàn)證所用公鑰的證書，來增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。（圖片來源：Silicon Laboratories）

　　NXP 的 LPC55S69JBD100 等其他處理器支持多種不同的固件映像選項(xiàng)。除了簽名的固件映像外，這些處理器還支持使用可信計(jì)算組織推出的設(shè)備標(biāo)識符組合引擎 （DICE） 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引導(dǎo)映像。第三個選項(xiàng)允許開發(fā)人員將映像存儲在支持 PRINCE 加密的處理器閃存特殊區(qū)域內(nèi)，其中 PRINCE 加密是一種低延遲的分組加密，能夠在小得多的硅面積內(nèi)達(dá)到與其他加密相當(dāng)?shù)陌踩珡?qiáng)度。在 LPC55S69JBD100 中可實(shí)現(xiàn) PRINCE 加密，這種技術(shù)能對處理器專用的 PRINCE 閃存區(qū)中存儲的加密代碼或數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時解密。由于解密使用的密鑰僅供 PRINCE 加密引擎訪問，因此該解密過程仍然是安全的。實(shí)際上，這些密鑰由 LPC55S69JBD100 的物理不可克隆功能 （PUF） 生成的密鑰加密密鑰 （KEK） 提供保護(hù)。（有關(guān) PUF 和 KEK 用法的更多信息，請參見第 2 部分。）

　　這種方法使開發(fā)人員能夠存儲更多固件映像，而這是在避免“封閉”設(shè)備的風(fēng)險情況下，為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供固件無線 （FOTA） 更新方法所需的功能。如果處理器只能使用一個位置來存儲固件映像，則有缺陷的固件映像會將處理器置于不確定或鎖定的狀態(tài)，從而鎖定或阻塞設(shè)備。通過將固件映像存儲在 LPC55S69JBD100 中啟用了 PRINCE 的閃存區(qū)內(nèi)，開發(fā)人員可使用回退策略，即如果新版本引導(dǎo)進(jìn)入無法工作狀態(tài)，則還原固件的上一個正常工作版本。

　　由于所有這些新固件映像都必須通過基礎(chǔ)引導(dǎo)過程中所需的簽名驗(yàn)證檢查，所以開發(fā)人員可充分利用安全 FOTA，在不影響系統(tǒng)或其信任鏈的情況下添加新功能或修復(fù)錯誤。

　　總結(jié)

　　系統(tǒng)和應(yīng)用級別的安全性需要一個只允許授權(quán)軟件運(yùn)行的執(zhí)行環(huán)境。盡管代碼簽名驗(yàn)證是實(shí)現(xiàn)此類環(huán)境的基本功能，但安全系統(tǒng)還需要利用更全面的功能集來構(gòu)建必要的信任鏈，以確保執(zhí)行的是受信任的軟件。這些可信環(huán)境的基礎(chǔ)在于信任根，而信任根可通過安全處理器所支持的安全引導(dǎo)機(jī)制提供。使用此類處理器，開發(fā)人員可以實(shí)現(xiàn)安全的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，使其能夠抵御企圖破壞系統(tǒng)中的軟件執(zhí)行或完全劫持系統(tǒng)的攻擊行為。