嵌入式系統(tǒng)的安全性

分類：技術教程日期：2007-03-20 00:00:00

嵌入式系統(tǒng)的安全性往往最后才會被考慮到。工程師們在設計產品時往往以迅速上市為目標，而將安全性問題留待將來的版本升級時再行解決。這也并非不合邏輯，因為高級別的安全性會增加產品的成本，并延遲上市時間。
然而，許多系統(tǒng)一開始時就需要高級別的安全性。有些情況下，安全要求出自政府或某些貿易組織。例如，Visa和MasterCard信用卡公司制訂的PCI要求，對于銷售點終端或PIN鍵盤的安全性要求提供了詳細說明。在其他一些情況下，安全性設計被用來保護企業(yè)營收。安全應用能夠阻止逆向工程設計，防止產品被仿制，或者提供真正的篡改偵測功能。
安全微控制器究竟做了些什么呢，為什么安全微控制器對于敏感應用如此之重要？
只有密鑰安全，系統(tǒng)才會安全
安全性不僅僅取決于加密環(huán)節(jié)。盡管加密算法和密鑰管理程序的選擇很關鍵，但它們常常并不是安全應用中的薄弱環(huán)節(jié)。設想這樣一種場景，Alice和Bob各有一部只能彼此通信的安全電話。電話的加密措施牢不可破，即使使用當今世界所有的計算能力，也需要一個世紀才能破解。那么，薄弱環(huán)節(jié)在哪兒呢？電話！如果攻擊者控制了其中的一個電話，他或她就可以佯裝Alice或Bob，立刻得到他們的秘密信息。攻擊者甚至用不著偷電話，只要趁Alice或Bob不覺，簡單地安裝一個竊聽裝置就可以了。
在此場景中，加密措施并未被攻破，而是執(zhí)行加密的設備，或者“密鑰”，安全性被輕而易舉地攻破了。在嵌入式系統(tǒng)中，密鑰通常是一個很大的密碼，被加密程序用來加密信息或認證數(shù)據(jù)。所以，一個安全嵌入式系統(tǒng)最為重要的工作就是保護該密鑰。如果系統(tǒng)遭到攻擊，必須清除該密鑰，防止其落入攻擊者之手。密鑰的破壞使設備無法工作，避免攻擊者獲取敏感信息，例如銀行帳號和密碼。
為保證密鑰的安全性，密鑰應永不離開嵌入式系統(tǒng)的邊界，否則就為攻擊者攻破設備的安全屏障提供了捷徑(見圖1)。設計專門的存儲器保存密鑰的做法不可取，因為微控制器和存儲器之間的通信是可見的。最安全的做法是使密鑰停留在處理器內部，并用它實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密和認證。這就是說，系統(tǒng)微控制器需要有內部的非易失存儲器。

圖1:密鑰數(shù)據(jù)不應離開設備，甚至不應在芯片間傳送

引發(fā)線和塑料保護
即使密鑰數(shù)據(jù)只保存在微控制器中，攻擊者還是有可能發(fā)現(xiàn)安全信息。例如，如果攻擊者可以訪問微控制器地址和數(shù)據(jù)總線，他就可以通過插入指令的辦法使密鑰數(shù)據(jù)暴露于外部I/O口。更高級的攻擊者還可以移除微控制器的塑料封裝，使用微探針讀取內部存儲器的內容。所以，安全系統(tǒng)需要采取措施阻止這種訪問，甚至在必要時令微控制器擦除其存儲器內容。應對這一安全挑戰(zhàn)的一個簡單方法是將整個“敏感區(qū)域”(例如微控制器、時鐘和存儲器)密封在某種足夠牢靠的材料內，可能需要將印制板上的一塊區(qū)域用塑料填充或用金屬罩覆蓋。感應線裝置可以用來感測高溫或外殼的移動。然而，如果微控制器處于低功耗狀態(tài)而不能采取行動，這種感測就沒有作用。
DS5250：真正安全的密鑰保護方案
DS5250—Dallas Semiconductor精湛的安全微控制器技術的結晶，解決了這些問題，可協(xié)助設計者實現(xiàn)高度安全的系統(tǒng)，足以滿足政府和金融應用之需。其所有出發(fā)點都聚焦于存儲器。
NV SRAM
DS5250內部的非易失性SRAM (NV SRAM)為敏感信息和密鑰提供了理想的存儲手段。這種常規(guī)的、低泄漏的SRAM滿足兩個關鍵要求：
1) 數(shù)據(jù)必須是非易失的。利用一個很小的廉價電池，就可以保持關鍵數(shù)據(jù)長達數(shù)年。
2) 數(shù)據(jù)必須易于迅速擦除。一旦芯片的入侵偵測電路被觸發(fā)，DS5250的SRAM瞬間即被擦除。
電池供電的入侵偵測及其反應
除了NV SRAM外，一個安全系統(tǒng)還應有一些傳感器來偵測攻擊行為。DS5250有多個電池供電的入侵傳感器。無需微控制器處于活動狀態(tài)即可對入侵事件作出反應。
利用其片上溫度和電壓傳感器，DS5250可以偵測故障注入攻擊手段。當工作電壓或溫度超出微控制器工作范圍，DS5250立即清除其內部NV SRAM。這種機制消除了攻擊者獲取任何密鑰數(shù)據(jù)的機會。為阻止對NV SRAM單元的微探針探測，DS5250的硅片頂層設置了一層超細網格。如果網格線被短路，DS5250即觸發(fā)自毀，清除密鑰數(shù)據(jù)。
DS5250還提供了允許外電路觸發(fā)自毀的輸入。這樣系統(tǒng)可以實現(xiàn)多層保護。外部自毀觸發(fā)電路沒有任何限制。一些常見的外部傳感器包括：
外殼上的侵入偵測開關。印制板上的連線當外罩被移動時斷開。利用光傳感器檢測外殼是否被打開或被窺視。
加密的代碼空間
最初裝載系統(tǒng)時，DS5250使用一個隨機生成的3DES密鑰將指令代碼加密后再存儲到外部存儲器中(圖2)。這可避免攻擊者向DS5250加入惡意代碼并運行之，也可阻止對應用進行逆向工程。代碼里也可以加入完整性檢查，以便偵測攻擊者改變程序代碼的企圖。經過加密的代碼空間不僅阻止攻擊者對應用進行逆向工程，而且可以阻止設備被非法仿制。因為密鑰由每個DS5250隨機生成，所以任何兩個系統(tǒng)的外部閃存里的數(shù)據(jù)都不同。只有在攻擊者知道密鑰后，外部閃存數(shù)據(jù)才有用，而從上面的敘述中我們已經看到，從DS5250獲取密鑰并非易事。

圖2:經過加密的代碼空間可保護外部存儲空間中的算法和數(shù)據(jù)