基于TPM可信物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)芯片級安全關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)面臨很多的安全風險，如果處理不當，不僅會造成敏感信息泄露、設(shè)備劫持，更有甚者會危害人身安全。目前很多物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)缺乏體系化的安全設(shè)計，同時，物聯(lián)網(wǎng)安全與傳統(tǒng)的計算機信息系統(tǒng)安全相比，有兩個難點： （1）復(fù)雜的部署環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如智能電表系統(tǒng)部署在千家萬戶，智能手環(huán)隨身佩戴，智能車載終端隨車移動，中間經(jīng)過各類網(wǎng)絡(luò)如藍牙、RF、PLC、運營商網(wǎng)絡(luò)等。 （2）受限的計算和網(wǎng)絡(luò)資源。很多物聯(lián)網(wǎng)場景中傳感器、終端以及部分網(wǎng)關(guān)的資源往往非常有限，包括計算、存儲及能源，難以運行復(fù)雜的安全協(xié)議以及部署安全Agent。網(wǎng)絡(luò)帶寬也很有限，很多本地網(wǎng)絡(luò)運行在幾十Kbps共享帶寬下。

1、芯片級安全技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的硬件基礎(chǔ)是超大型集成電路或者芯片，這些芯片決定了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備如何運行，如何處理數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備為生活帶來便捷的同時，也帶來了困擾。當物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遭受攻擊時，它可能會泄露個人隱私或商業(yè)機密，甚至可能造成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)癱瘓。而且由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備本身計算資源有限，系統(tǒng)和硬件高度定制化、不通用、以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和工作環(huán)境等限制，難以部署傳統(tǒng)的安全防護措施。 針對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全問題，芯片級的安全技術(shù)是不錯的解決方案，芯片級的安全技術(shù)包括可信平臺模塊（TPM）、安全啟動（Secure Boot）、TEE、內(nèi)存安全以及側(cè)信道防護等等。 這些芯片級的安全技術(shù)具有從根本上解決物聯(lián)網(wǎng)安全問題的能力，芯片級安全技術(shù)軟硬結(jié)合的防御措施，使攻擊者難以竊取數(shù)據(jù)，竊取了也讀不懂、讀懂了也篡改不了。芯片級安全技術(shù)是物理安全的發(fā)展方向之一，目前越來越多的芯片廠商在設(shè)計的芯片中增加了安全機制，如TrustZone，同時國際上也成立了可信計算組織TCG（Trusted Computing Group），以推動安全技術(shù)的發(fā)展。

2、可信計算與TPM芯片

可信計算是一項由可信計算組織TCG（Trusted Computing Group）推動和開發(fā)的技術(shù)?？尚庞嬎阃ㄟ^保證計算機操作系統(tǒng)和引導程序的完整性，來保障系統(tǒng)和應(yīng)用的行為可以按預(yù)期執(zhí)行。所以防篡改是可信計算的核心目的之一，通過基于硬件的安全芯片來校驗系統(tǒng)和引導程序的完整性。 當前大部分信息安全系統(tǒng)主要是由防火墻、入侵檢測和防病毒軟件組成，這些在計算資源有限、部署環(huán)境復(fù)雜的IoT設(shè)備上難以部署，而且這些手段面對越來越系統(tǒng)化、隱蔽化、多樣化的攻擊方式也逐漸捉襟見肘。 對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，一是用戶認證，認證使用者的權(quán)限，對于智能音箱、家庭攝像頭這類的設(shè)備，隱私安全尤為重要。二是設(shè)備認證，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署環(huán)境復(fù)雜，即使在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，也有可能受到惡意設(shè)備的攻擊，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備應(yīng)該要求它們之間進行身份驗證，確保攻擊者無法使用隱含的信任作為進入系統(tǒng)的憑證。

3、可信計算的機制

可信計算可以在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中建立起主動防御機制。通過鏈式校驗和專有的可信操作系統(tǒng)確保完成某些操作的應(yīng)用程序能夠按照預(yù)期的行為完成任務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上建立整個可信環(huán)境，首先需要一個可信根，然后建立一條可信鏈，再將可信傳遞到系統(tǒng)的各個模塊，之后就能建立整個系統(tǒng)的可信。 可信根是可信系統(tǒng)的底層機制，是系統(tǒng)可信的源頭，可信根應(yīng)具備密碼服務(wù)功能、針對系統(tǒng)啟動工程的度量能力和控制能力，先于其他部分啟動。在TCG定義的可信計算中，可信根由具備密碼服務(wù)功能的可信平臺模塊（TPM）以及系統(tǒng)BIOS中的度量代碼段（CRTM）組成。TPM為系統(tǒng)提供了密碼服務(wù)引擎，CRTM執(zhí)行對系統(tǒng)的度量功能并且可以在度量未通過時實施控制。 可信鏈是由可信根開始，通過逐層擴展的方式實現(xiàn)。首先需要用可信根驗證系統(tǒng)硬件和固件的可信性，用固件的驗證機制驗證操作系統(tǒng)引導程序的可信性，用操作系統(tǒng)引導程序驗證操作系統(tǒng)安全部件的可信性，由操作系統(tǒng)安全部件為應(yīng)用程序提供可信運行環(huán)境，從而在系統(tǒng)中構(gòu)建一個完整的信任鏈條，保障應(yīng)用的可信運行。

4、基于TPM可信物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

早期可信計算研究主要以可信計算組織（TCG）為主，在可信計算中最核心的部分就是TPM硬件芯片。到目前為止，TPM規(guī)范已經(jīng)發(fā)展到2.0。TPM1.1b發(fā)布于2003年，是第一個得到廣泛應(yīng)用的TPM規(guī)范。在此之前，TPM已經(jīng)提供如密鑰生成、存儲、安全授權(quán)和設(shè)備健康驗證等基本功能。當前基于TPM安全平臺的技術(shù)有三種，ARM TrustZone、Intel TXT和AMD PSP。

1) ARM TrustZone

TrustZone提供了一種能夠在SoC上創(chuàng)建一個虛擬處理器的功能，從而把軟硬件資源劃分為兩部分，一部分叫安全世界（Secure World，SWd），運行執(zhí)行安全功能的可信軟件；另一個叫正常世界（Normal World），運行其他的操作。安全世界和正常世界可以通過一個叫Monitor Mode的模式轉(zhuǎn)換。這兩個執(zhí)行環(huán)境被SoC的硬件隔離開來，保證主操作系統(tǒng)不會干擾安全世界（SWd）中的程序和數(shù)據(jù)。這使得用戶可以在不能信任整個設(shè)備的情況下，保持對安全世界（SWd）中數(shù)據(jù)的信賴。ARMTrustZone技術(shù)是所有Cortex-A類處理器的基本功能，是通過ARM架構(gòu)安全擴展引入的。 目前，ARM處理器在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用最為普及，如智能手機、電視盒子、車載娛樂系統(tǒng)等。

2) Intel TXT

TXT是Trusted Execution Technology的簡稱，即可信執(zhí)行技術(shù)，是TPM2.0的典型代表。其主要目標是通過使用特定的Intel CPU、專用硬件以及相關(guān)固件，建立一個從一開機就可信的環(huán)境，進而為系統(tǒng)軟件提供多種方法來實現(xiàn)更安全的系統(tǒng)以及更好的數(shù)據(jù)完整性保護。

3)? AMD PSP

AMD安全處理器是獨立于平臺核心處理器的、集成在SoC中的專用安全硬件子系統(tǒng)。它可以提供一個隔離的環(huán)境，一些敏感組件可以在不受其他軟件影響的情況下運行。PSP 可以執(zhí)行系統(tǒng)工作任務(wù)以及可信第三方提供的工作任務(wù)。

5、安全啟動 Secure Boot

嵌入式設(shè)備的啟動流程從芯片上電運行開始，首先運行的是固化在芯片內(nèi)部ROM里的一段代碼（ROM Code），然后ROM Code加載一級引導，一級引導加載Bootloader，Bootloader初始化各種硬件，之后加載并將參數(shù)傳遞給操作系統(tǒng)內(nèi)核，由操作系統(tǒng)內(nèi)核啟動各種服務(wù)。在這個過程中，加載Bootloader和加載操作內(nèi)核階段往往容易受到惡意的攻擊，如篡改內(nèi)核版本、修改 Bootloader傳遞給內(nèi)核的參數(shù)等，或是通過硬件手段往存儲操作系統(tǒng)內(nèi)核的芯片中刷入惡意固件，以達到修改設(shè)備功能的目的。 因此Secure Boot的機制是向物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備啟動的每個階段添加校驗機制，在加載運行下一級之前，對下一級的代碼進行安全校驗，校驗通過才加載運行，校驗不通過則停止運行，這個機制有效的防止未經(jīng)授權(quán)或惡意的修改固件，有效的保護了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的啟動安全。

1）ARM TrustZone中的Secure Boot

TrustZone 中Secure Boot方案將加密檢查添加到安全世界（SWd）啟動過程的每個階段。這個過程用于校驗所有SWd軟件鏡像的完整性，從而防止運行任何未經(jīng)授權(quán)或遭受惡意修改的軟件。 防止惡意攻擊的最簡單方法是將所有安全世界資源執(zhí)行都保留在SoC內(nèi)存位置中。如果代碼和數(shù)據(jù)永遠不會存儲在SoC封裝之外的其他芯片中，那么讀取或修改數(shù)據(jù)就變得更加困難，因為對SoC封裝的物理攻擊要比將邏輯探針連接到PCB走線或封裝引腳困難得多。 安全啟動代碼通常負責將代碼加載到SoC內(nèi)存中，因此，正確地進行身份驗證以避免為攻擊者引入機會之窗至關(guān)重要。假設(shè)正在運行的代碼和所需的簽名已經(jīng)在安全的SoC內(nèi)存中，則在使用加密方法進行身份驗證之前，應(yīng)先將要驗證的二進制或PuK復(fù)制到安全位置。對鏡像進行身份驗證然后將其復(fù)制到安全內(nèi)存位置的設(shè)計有遭受攻擊的風險，攻擊者可以在檢查完成和進行復(fù)制之間的短窗口期中修改鏡像。

2）AMD Secure Boot

AMD在特別的加速處理器（APU）中內(nèi)置了專屬的安全處理器。這套安全處理器是基于ARMTrustZone架構(gòu)的，它運行于硬件之上通過將CPU分割為兩個虛擬的"世界"來建立安全環(huán)境。保密任務(wù)將運行于AMD安全處理器（即"安全世界"）中，而其他的任務(wù)則以"標準操作"方式運行。這樣確保了敏感數(shù)據(jù)的存儲和可信應(yīng)用程序的安全運行。

編輯：黃飛

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