嵌入式系統(tǒng)越來越普遍地采用云技術(shù)來進行數(shù)據(jù)采集、事件檢測和軟件更新。這些遠程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備普遍通過固件完成設(shè)置，這些固件有可能存儲在主機MCU中，也有可能存儲在外置非易失性存儲器的用戶空間中。而這些非易失性存儲器中的內(nèi)容則是惡意攻擊的主要對象。對于所有全新開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來說，采取應(yīng)對措施防止非易失性存儲器的非授權(quán)修改，已成為一項基本的設(shè)計要求。

圖 1 - 作為節(jié)點的互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)

本文將對分立閃存存儲器領(lǐng)域開始涌現(xiàn)的加密和安全基礎(chǔ)設(shè)施進行介紹，并探討如何將這些新特性用于物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備的安全保障。

新一代安全NOR閃存產(chǎn)品

NOR閃存制造商已經(jīng)開發(fā)出了一些NOR閃存產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通過集成加密基礎(chǔ)設(shè)施，能夠提供高水準(zhǔn)安全性。設(shè)備配對(主機MCU和NOR閃存)與認證寫入(編程與擦除)操作已通過使用對稱加密來實現(xiàn)。這些設(shè)備通常都是基于HMAC引擎和非易失性累加計數(shù)器。在配置過程中，需要先將對稱密鑰同時加載到主機MCU和安全NOR閃存器件中，以便在正常操作時執(zhí)行經(jīng)認證的讀寫操作。

圖 2 - 采用集成加密的新一代NOR閃存器件(使用串行外設(shè)接口)

最近，內(nèi)部NOR閃存基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展已經(jīng)超出了內(nèi)部狀態(tài)機實際管理的范疇。較新型設(shè)備集成了CPU子系統(tǒng)(CPUSS)，能夠執(zhí)行透明負載均衡和壞塊替換等高級功能。一旦CPU子系統(tǒng)成為閃存器件基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，那么增添加密硬件塊和數(shù)據(jù)包緩存的想法就能很快成為現(xiàn)實。通過使用這種全新的基礎(chǔ)存儲器件，就能夠開發(fā)出一系列安全功能，從而為加密安全提供支持。在NOR閃存領(lǐng)域，用戶存儲陣列的訪問控制和執(zhí)行前的分層代碼驗證是得到大量關(guān)注的兩個特性。

將用戶存儲空間劃分為安全區(qū)域

較新型NOR器件的用戶存儲空間能夠劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域可以單獨配置，用于傳統(tǒng)(非安全)訪問或安全訪問。配置為安全訪問的區(qū)域能夠設(shè)定為受控讀/寫訪問或認證訪問。

配置為受控訪問的安全區(qū)域能夠獨立啟用或禁用讀/寫操作。啟用/禁用設(shè)置由認證序列(需要主機MCU證明其知曉共享密鑰)進行管理。在制造過程中，共享密鑰將被同時加載到主機MCU和存儲器。試圖訪問禁用區(qū)域的讀或?qū)憣⒃谧x取期間返回未定義數(shù)據(jù)，并且寫入嘗試將會被阻斷。配置為受控訪問狀態(tài)的區(qū)域可以選擇配置成加電讀/寫訪問狀態(tài)。例如，可以將啟動區(qū)域配置為加電時可讀不可寫，而將其余區(qū)域配置為禁用所有讀/寫訪問。

此外，安全區(qū)域也可以配置為只支持經(jīng)認證的讀寫訪問。認證區(qū)域不支持傳統(tǒng)讀寫。認證讀寫操作是通過數(shù)據(jù)包傳輸來執(zhí)行的，其中包含HMAC，表示知曉共享密鑰和非易失性命令累加計數(shù)器值。在訪問請求中使用命令累加計數(shù)器能防范重放攻擊。

圖3 - 用戶陣列的安全分區(qū)

軟件層之間的安全性

此外，分層驗證軟件也成為安全環(huán)境中的常見做法?？尚庞嬎憬M織的設(shè)備身份合成引擎(DICE)工作組已發(fā)布一項策略，即每層代碼在釋放控制前都需要向下一層代碼進行證實。當(dāng)主機MCU無法集成可編程存儲器時，系統(tǒng)級場景會變得更加復(fù)雜。從NOR閃存CPUSS ROM開始(推定為可信)，分立閃存器件開始支持DICE策略的變化。

NOR閃存CPUSS ROM在加電重置(PoR)時執(zhí)行，在將代碼執(zhí)行移交給CPUSS閃存前，先驗證其捕獲的閃存器件啟動代碼(在CPUSS閃存內(nèi)，未暴露給用戶陣列)是否完整。完成這種DICE 0層復(fù)合器件識別符(CDI)計算需要結(jié)合使用唯一的器件密鑰(對每個閃存器件有唯一性)，以及對駐留在0層中的閃存器件啟動代碼的測量值。

國際標(biāo)準(zhǔn)文檔NIST SP800-56C介紹了在CDI計算中使用的可接受的加密單向函數(shù)。唯一器件密鑰用于0層CDI計算。0層CDI驗證將計算值與NOR制造商提供的存儲在片上的預(yù)期值進行比較。

在確認CPUSS閃存有效后，代碼執(zhí)行就從ROM啟動代碼傳遞到(0層)CPUSS閃存器件啟動代碼。接下來，NOR器件將驗證由系統(tǒng)制造商編程到用戶陣列中的系統(tǒng)級啟動代碼。測得的系統(tǒng)級啟動代碼值將被用于與器件配置過程中存儲在片上的預(yù)期值進行比較。這兩步驗證發(fā)生在閃存器件運行其PoR序列的過程中，在可供主機MCU訪問之前。請注意，在整個啟動過程中，務(wù)必確保CDI值不被暴露給更高層的代碼，當(dāng)然還有惡意行為者。

圖4 - 安全軟件分層

在完成閃存器件PoR序列的執(zhí)行后，系統(tǒng)級啟動代碼將會暴露給主機MCU供其執(zhí)行。在確認系統(tǒng)級啟動代碼的真實性后，系統(tǒng)啟動流程能夠繼續(xù)運行。分層驗證策略還能繼續(xù)執(zhí)行，方便主機CPU對每個新軟件層的驗證工作進行管理。

圖4描繪了從閃存啟動代碼到用戶應(yīng)用的線性推進過程。實際情況很可能復(fù)雜得多，尤其是在程序控制權(quán)被移交給操作系統(tǒng)后。請注意，一旦系統(tǒng)級啟動代碼取得程序控制權(quán)，每個后續(xù)層的證實值都能夠與本地值(存儲在閃存器件中)進行比較，或更理想的話，還能夠與遠程駐留(可能是云服務(wù)器)值進行比較。如果使用DICE規(guī)范中規(guī)定的數(shù)字證書，遠程驗證的安全性還能進一步提高。

結(jié)論

片上加密基礎(chǔ)模塊顯著緩解了傳統(tǒng)非易失性存儲器的受到的安全威脅。反克隆問題能夠通過主機MCU與閃存存儲器之間的設(shè)備配對得到解決。使用陣列分區(qū)和可配置訪問權(quán)限能夠處理非授權(quán)訪問。通過可信計算組織制定的DICE策略，解決了惡意篡改代碼的檢測和恢復(fù)問題。集成在新型閃存存儲器中的加密功能模塊成功地解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的大量安全漏洞，說明外置Flash架構(gòu)能夠解決未來可能出現(xiàn)的安全問題。