2020-10-24

嵌入式安全

1.安全的重要性
（1）為什么安全如此的重要？
對于嵌入式系統正越來越頻繁地遭到黑客入侵，
（2）如今為何需要安全性？
1） 設備需要聯網，比如現在工業4.0的設備，設備連接云
2） 安全攻擊和黑客入侵頻率的增加
3） 保護你的IP（知識產權），應用，
（3）嵌入式系統應用中的安全需求？
1） 機密性、隱私
確保任何意外物體都無法讀取保存的資料或傳輸的報文，

2） 完整性
確保報文始終不發生改變（沒有丟包或被篡改）
3） 真實性
確保某件事務與宣告相符，
不可否認性（查明具體來源和發送方的身份）；
證明/安全引導/安全DFU（提供可靠證據來證明現有代碼是真實的，支持本地或遠程證明）
（4）通過硬體加密實作的安全性更高，
硬體加密以數倍于軟體實作的速度執行加密/解密；
性能更高，代碼更小，
1） 保證應用程式完整性
與軟體相比，硬體可信根更安全，更能保證代碼/應用程式完整性
2） 抵御逆向工程
軟體實作更易受逆向工程攻擊，
3） 抵御非侵入性攻擊，
基于軟體的解決方案更容易受基于功耗分析的攻擊，
4） 秘鑰保護級別更高
使用硬體存盤秘鑰的保護級別要高于使用軟體存盤，

2. 安全的基本概念，演算法和實作方式
   （1）嵌入式安全意味著將安全演算法和非安全應用結合起來，構建一個完整的解決方案，
   1） 機密性：通過加密（包括對稱和非對稱的加密演算法）解決機密性的問題
   2） 完整性：通過哈希演算法（MD5、SHA-1、SHA-256）和對稱的加密演算法來解決完整性問題；
   3） 身份驗證：通過數字簽名來解決身份驗證的問題，
   （2）基本演算法
   哈希運算：哈希運算所采用的是一種強大的不可逆數學變換；不同長度的報文通過哈
   希運算后一般產生相同長度（比如32位元組）的摘要，哈希運算不僅可以驗證報文還可以用于檢查報文的完整性，
   ?強大的哈希運算的特性：
   ?計算摘要謂可容易實作
   ?無法重新生成原始報文
   ?無法在不改變摘要的前提下修改報文
   ?無法找到具有相同摘要的不同報文
   ?輸出稱為“報文摘要”，長度固定
   ?SHA256輸出32位元組摘要，這與輸入的大小無關
   使用哈希運算進行驗證時，結果稱為
   ?MAC = 報文驗證代碼
   ?MIC = 報文完整性代碼

對稱密鑰加解密：所謂的對稱密鑰，就是加密密鑰和解密密鑰相同，由于通信雙方的密鑰相同，因此密鑰的保存非常關鍵，

密鑰分配很簡單
?一個密鑰可公開共享，我們稱其為“公鑰”
?另一個密鑰以極其私密的方式保存，我們稱其為“私鑰”
?此密鑰的安全性和私密性對系統的安全至關重要
?在公鑰基礎架構（即PKI）中，每個元素都有自己的密鑰對
?密鑰對絕對不能共享
?每個元素都具有惟一身份是安全的基礎

非對稱演算法：所謂的非對稱，指的是兩個數學上相關的密鑰，一個密鑰可以公開共享，稱為公鑰，另一個密鑰以及其私密的方式保存，稱為私鑰，一般使用時，我們使用公鑰加密，私鑰來解密，我們可以使用使用非對稱演算法來驗證身份，一般使用私鑰產生數字簽名，使用公鑰進行驗證，即驗證身份的合法性，
數字簽名

它不是對質詢的加密回應
?簽名是一種復雜的數學函式，它利用私鑰、隨機質詢和一個惟一亂數來創建結果
?得到的數字簽名只能使用簽名者的公鑰進行驗證
?…驗證不是解密
?驗證是另一種復雜的數學函式，其惟一目的在于確定發送者的私鑰是否用于創建該數字簽名
?驗證函式的結果為“是/否”結果

證書：證書用于確保物體是真實可靠的，通信雙方在通信之前，必須要建立一個信任鏈，以便彼此共享共同的信任錨或信任根，信任錨通常是OEM，但也可以使證書頒發機構（CA）
（3）證書的簽名和結構
證書內容
?版本和序列號
?演算法ID
?頒發者
?有效期
?開始日期/截止日期
?主題
?主題公鑰資訊
?公鑰演算法
?主題公鑰
?證書簽名演算法
?數字簽名
?頒發者惟一識別符號（可選）
?主題惟一識別符號（可選）
?擴展（可選）

使用加密安全亂數發生器同樣重要
?我們需要與承諾可從嵌入式系統操作中獲得高熵亂數的不法供應商作斗爭

實作強安全性需要什么條件？
高熵亂數發生器
?“熵”是一種嚴重的無序狀態，是隨機性的基礎
?可以信任的不可變真實代碼區域
?用于存盤機密資訊和關鍵加密基元的硬體強制持久安全區域
?通過防篡改保護實作
?強大的加密方法和可靠的信任鏈
?本演示文稿中采用了橢圓曲線加密（ECC）方法，這是現行標準
?由于ECC的密鑰長度較短且安全級別相同，因此正在逐漸取代RSA
?ECC-256位= RSA-3072位
?考慮周全的生態系統和基礎架構

3.系統安全構件
1） 硬體可信根
所有安全系統都需要硬體可信根，其中包含2個屬性：
韌體驗證（又稱為安全引導，適用于所有系統）-- 確保即將運行的軟體為正確的軟體，它涉及映像簽名以及稍后啟動時的程序映像驗證，
可信身份（用于聯網系統）–秘鑰受防篡改保護和邊信道攻擊保護，
這是與可信鏈相關的私鑰或共享秘鑰，應具備根據相關認證標準測驗的防篡改保護和邊信道攻擊保護，
2） 防偽
防止攻擊者仿造一次性物品或復制附件
3） IP保護
防止攻擊者竊取MCU韌體或FPGA RTL中的IP，
價值在于系統代碼內的知識產權(IP)，因此，需要在系統運行期間的任何時刻對已簽名的代碼進行驗證，
原理與安全引導類似，但驗證在運行時進行，
4） 安全更新
利用安全通信和安全引導機制來確保安全傳送真實的映像，
對于聯網系統-安全遠程無線（OTA）更新
?對于非聯網系統-本地更新（例如：U盤），前提是待更新的軟體或韌體安全地存盤在相應的位置，
?代碼/軟體/映像簽名和驗證
?安全加載程式（執行更新的軟體）需要對目標設備、檔案或系統進行身份驗證
5） 安全鏈接
對設備通信進行身份驗證并選擇性進行加密
主機和客戶端所連隧道的加密/解密功能可確保安全通信，從而防止中間人攻擊，即試圖在通信隧道內攔截資料加以篡改，
在建立安全通信的程序中，存在一個密鑰協議階段，該階段將請求必須加以保護的可信根，以便能夠開始推送資料和避免出現冒用身份的客戶端，
?通過IP網路的TCP或UDP實作TLS或DTLS層
?以太網、Wi-Fi?和6LowPan等
?協議堆疊可位于MCU/MPU或無線模塊（例如WINC1500）中，
?FPGA SmartFusion2集成了Cortex? -M3以處理通信
?(D)TLS憑證應位于防篡改的第三方經測驗物理安全邊界中，例如，JIL“高”等級安全元件或MCU/MPU上的等效安全元件（如果有）
?其他通信協議堆疊
?Bluetooth? 、Zigbee? 、LoRa和其他802.15.4無線電等
?始終考慮真實性、保密性和完整性
?請記住：僅加密是不夠的
6） 應用層安全
利用系統的加密功能進一步強化實作（訪問權限）
安全性專門應用于應用層以防止未經授權的訪問，
應用層安全是指保護OSI模型第7層應用免受惡意攻擊的方法，這些惡意攻擊可能暴露私人資訊，
機制示例：
?檢測到篡改時禁止密鑰或韌體操作
?完整性監視
?用戶權限/訪問授權
?內核分離
?硬體防火墻
?篡改宏
?歸零
?安全代碼預配置
?映像簽名/驗證
4. 安全引導
可信根可保證客戶資料/引導檔案免于加載到執行環境
?安全引導加載程式可確保設備的可信根
?安全引導可防止在設備中運行未經授權的應用程式
?由于經過加密和簽名，因此允許加載可信的應用程式
?通過檢查完整性并對其進行解密，允許執行可信的應用程式

安全引導加載程式加載經過加密和簽名的應用程式
?將應用程式映像存盤到外部NVM中之前，先進行加密和簽名
?使用AES-CBC進行加密，實作機密性
?使用AES-CMAC或HASH+RSA進行簽名，實作身份驗證/完整性
?加密密鑰存盤在受保護的熔絲矩陣中
安全引導加載程式的原理
?安全引導加載程式執行經過加密和簽名的應用程式
?將映像從外部NVM下載到嵌入式SRAM中
?對映像進行身份驗證（HASH-RSA –AES-CMAC）
?如果通過身份驗證，則解密嵌入式SRAM中的引導檔案（AES-CBC）
?禁止訪問包含身份驗證/加密密鑰的熔絲
?然后，啟動嵌入式SRAM中的映像

如果映像未通過身份驗證，則根據客戶設定，將檢查下一個存盤器或不執行任何操作，因為它可能是惡意的代碼，
5. 物聯網安全
選擇在安全性方面值得信賴并且進行過試驗的供應商使用經過驗證的標準安全性架構和相關實踐
提供惟一、可信、受保護且可驗證的身份，從而確保身份驗證安全（信任根）
加密通信（TLS1.2）
使用安全的OTA韌體驗證和安全引導，

將私鑰與用戶隔離
?人類是最難預測的安全風險
將私鑰與軟體隔離
?補丁發布后，會向攻擊者暴露軟體的弱點，為物聯網硬體開發補丁往往需要幾個月的時間，而這樣會讓攻擊者有足夠的時間入侵系統，
將密鑰操作與制造階段隔離
?不僅與供應鏈設備隔離，還應與供應鏈中的用戶隔離，
將密鑰與單片機隔離
?請勿將私鑰存盤在閃存中
2）創建帶多個證書的設備身份
設備身份應惟一、可驗證且可信加密密鑰對一個私鑰和一個數學上相關的公鑰（一對一的關系）
身份的可信性依賴于在產品的使用壽命內保密的私鑰以及保持安全的加密演算法實作：
?沒有遭受暴力攻擊的可能
?不存在已知協議弱點
?不存在會導致密鑰材料泄漏的邊信道攻擊

證書不是惟一的身份驗證安全模型，客戶只需使用基本公鑰/私鑰對即可對令牌進行簽名，之后會對令牌進行驗證（Google方案）

用于在聯網設備的使用壽命內安全存盤密鑰材料，密鑰絕不存在于設備之外
?密鑰由器件使用滿足NIST規范的“頂級”亂數發生器（RNG）生成，處于器件的安全邊界內
?所有加密演算法都在防篡改邊界內執行
?將密鑰與應用軟體嚴格隔離
?這樣一來，密鑰、機密資訊和原語便可與所有易受攻擊的資源嚴格隔離