如何在硬件(jian)級別實(shi)現安全特性以保(bao)護嵌入(ru)式系(xi)統
時(shi)間(jian)：2024-12-13 來源：華清(qing)遠見
在當今(jin)數字(zi)化(hua)時(shi)代，嵌入式系統廣泛應用(yong)于各個領域，從(cong)智(zhi)能家居到(dao)工業控制(zhi)，從(cong)醫(yi)療(liao)設(she)備(bei)到(dao)汽車電子(zi)。然而(er)，隨著其應用(yong)的(de)不(bu)斷拓展(zhan)，嵌入式系統面臨的(de)安全威脅也日益嚴峻。
一、硬件安全的重要性
嵌入式系(xi)統(tong)通常執行(xing)關(guan)鍵任(ren)務，一(yi)旦(dan)受到攻擊，可(ke)(ke)(ke)能(neng)導致嚴重后果(guo)。比如(ru)醫療設備的(de)故障可(ke)(ke)(ke)能(neng)危及(ji)患者生命，工業(ye)控制(zhi)系(xi)統(tong)的(de)漏(lou)洞可(ke)(ke)(ke)能(neng)引(yin)發(fa)生產事(shi)故，汽車電子系(xi)統(tong)的(de)安(an)(an)全(quan)(quan)問(wen)題可(ke)(ke)(ke)能(neng)造(zao)成交通事(shi)故。軟件層面(mian)的(de)安(an)(an)全(quan)(quan)防護(hu)固(gu)然(ran)重要，但(dan)硬(ying)件級(ji)別的(de)安(an)(an)全(quan)(quan)特性是更基礎、更底層的(de)保障。因為硬(ying)件是軟件運行(xing)的(de)載體，如(ru)果(guo)硬(ying)件本(ben)身存(cun)在安(an)(an)全(quan)(quan)漏(lou)洞，軟件層面(mian)的(de)防護(hu)就可(ke)(ke)(ke)能(neng)被繞過。
二、硬件安全特性的實現方式
（一）安全啟動機制
安(an)(an)全啟(qi)動(dong)是確保(bao)嵌入(ru)式系(xi)統(tong)完整性(xing)的(de)關鍵。在(zai)系(xi)統(tong)啟(qi)動(dong)時，硬件(jian)會(hui)(hui)驗證啟(qi)動(dong)代(dai)碼的(de)真實(shi)性(xing)和(he)完整性(xing)。這(zhe)一過程涉及到使用加密哈希算法，如 SHA - 256。芯片內部的(de)安(an)(an)全模(mo)塊會(hui)(hui)存儲(chu)啟(qi)動(dong)代(dai)碼的(de)哈希值，當系(xi)統(tong)啟(qi)動(dong)時，會(hui)(hui)重新計算啟(qi)動(dong)代(dai)碼的(de)哈希值并(bing)與存儲(chu)值進行(xing)比較。如果(guo)兩者不匹(pi)配，系(xi)統(tong)將拒絕(jue)啟(qi)動(dong)。例如，一些(xie)高端(duan)的(de)物聯網(wang)網(wang)關設備(bei)在(zai)啟(qi)動(dong)時，通過這(zhe)種方式防止(zhi)惡(e)意代(dai)碼在(zai)啟(qi)動(dong)階段植入(ru)系(xi)統(tong)，保(bao)障了整個設備(bei)運(yun)行(xing)的(de)初始(shi)安(an)(an)全。
（二）硬件加密模塊
硬(ying)件(jian)加密(mi)模塊能夠(gou)對(dui)嵌入式系統中的(de)(de)數(shu)據進行高(gao)(gao)效、安(an)全(quan)的(de)(de)加密(mi)和解密(mi)。這(zhe)些模塊通常(chang)采(cai)用高(gao)(gao)級加密(mi)標準（AES）等強大(da)的(de)(de)加密(mi)算(suan)法(fa)。以(yi)金融(rong)支付(fu)終端為(wei)例(li)，硬(ying)件(jian)加密(mi)模塊可(ke)以(yi)對(dui)用戶的(de)(de)銀行卡信(xin)息進行加密(mi)處理，在(zai)數(shu)據傳(chuan)輸(shu)和存儲過程中，即使數(shu)據被竊取，攻擊者(zhe)也(ye)(ye)無法(fa)獲取明文信(xin)息。這(zhe)種加密(mi)模塊可(ke)以(yi)是獨立的(de)(de)芯(xin)片，也(ye)(ye)可(ke)以(yi)是集(ji)成在(zai)主芯(xin)片中的(de)(de)一(yi)個功能模塊。它們在(zai)硬(ying)件(jian)層(ceng)面實現加密(mi)運算(suan)，速度(du)更快且安(an)全(quan)性(xing)更高(gao)(gao)，相(xiang)比軟件(jian)加密(mi)，能有效降低處理器(qi)的(de)(de)負(fu)擔，同時減少因軟件(jian)漏洞導致加密(mi)被破(po)解的(de)(de)風(feng)險。
（三）物理不可克隆函數（PUF）
PUF 是(shi)一種(zhong)利用(yong)(yong)芯(xin)(xin)片制造過程中(zhong)產生(sheng)的(de)(de)(de)物(wu)理差異來生(sheng)成唯一標識符的(de)(de)(de)技(ji)術。每個(ge)(ge)芯(xin)(xin)片的(de)(de)(de)物(wu)理特性都是(shi)獨一無二的(de)(de)(de)，就(jiu)像人(ren)類的(de)(de)(de)指紋一樣。PUF 可以(yi)基于(yu)這些(xie)特性生(sheng)成密鑰(yao)，用(yong)(yong)于(yu)設(she)(she)備認證、加密等安全功能(neng)。例如，在智能(neng)家(jia)居(ju)系統(tong)中(zhong)，每個(ge)(ge)智能(neng)設(she)(she)備的(de)(de)(de)芯(xin)(xin)片中(zhong)的(de)(de)(de) PUF 生(sheng)成的(de)(de)(de)密鑰(yao)可以(yi)用(yong)(yong)于(yu)與家(jia)庭網關進行安全認證，只有通過認證的(de)(de)(de)設(she)(she)備才能(neng)接入家(jia)庭網絡，防止非法(fa)設(she)(she)備的(de)(de)(de)接入，從而保(bao)護整個(ge)(ge)家(jia)庭網絡的(de)(de)(de)安全。
（四）內存保護單元（MPU）
MPU 在嵌入(ru)式(shi)系統(tong)(tong)中(zhong)扮(ban)演(yan)著重要角色，它可以(yi)對(dui)內(nei)存進(jin)行分區和保(bao)護。通(tong)過(guo)設置(zhi)不同的(de)(de)訪問(wen)權限(xian)，如只讀、讀寫、可執行等，MPU 可以(yi)防止惡意軟(ruan)件對(dui)內(nei)存中(zhong)的(de)(de)關鍵數(shu)據和代碼進(jin)行非法訪問(wen)。在一個(ge)多任(ren)(ren)務的(de)(de)嵌入(ru)式(shi)系統(tong)(tong)中(zhong)，不同的(de)(de)任(ren)(ren)務可能(neng)運行在不同的(de)(de)內(nei)存區域(yu)，MPU 可以(yi)確保(bao)每(mei)個(ge)任(ren)(ren)務只能(neng)訪問(wen)自(zi)己(ji)被授權的(de)(de)內(nei)存空間，避免一個(ge)任(ren)(ren)務破壞其他任(ren)(ren)務的(de)(de)數(shu)據和代碼，提高了系統(tong)(tong)的(de)(de)穩定性(xing)和安(an)全性(xing)。
（五）隔離技術
硬(ying)件隔(ge)離(li)(li)技術可以將嵌(qian)入(ru)式系(xi)統(tong)(tong)(tong)中的(de)不(bu)同功(gong)能模(mo)塊在(zai)物理上(shang)或邏(luo)輯(ji)上(shang)隔(ge)離(li)(li)開來。例如(ru)，在(zai)汽車電子(zi)系(xi)統(tong)(tong)(tong)中，可以將娛(yu)樂(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)(tong)和動(dong)力(li)控制系(xi)統(tong)(tong)(tong)進行(xing)隔(ge)離(li)(li)。即使娛(yu)樂(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)(tong)受到(dao)網絡攻(gong)擊，攻(gong)擊者(zhe)也無法通(tong)過娛(yu)樂(le)(le)系(xi)統(tong)(tong)(tong)入(ru)侵(qin)到(dao)動(dong)力(li)控制系(xi)統(tong)(tong)(tong)，因為兩者(zhe)在(zai)硬(ying)件層面是相互獨立的(de)，沒有直(zhi)接的(de)通(tong)信路徑，這種隔(ge)離(li)(li)大(da)大(da)降(jiang)低了安全(quan)風險。
三、實施硬件安全的挑戰與應對
（一）成本問題
在硬(ying)件(jian)級別實現安(an)(an)(an)全特性往往會增加生(sheng)產成(cheng)(cheng)本(ben)。比如(ru)添加硬(ying)件(jian)加密模塊、安(an)(an)(an)全啟動芯片等都會增加硬(ying)件(jian)的(de)成(cheng)(cheng)本(ben)。對于(yu)一(yi)(yi)些(xie)對成(cheng)(cheng)本(ben)敏(min)感的(de)嵌(qian)入式產品(pin)，這可(ke)能是(shi)一(yi)(yi)個挑戰。然而，我們可(ke)以(yi)根據(ju)系統(tong)的(de)安(an)(an)(an)全需求和風險評估來選擇合(he)適的(de)安(an)(an)(an)全技術。對于(yu)一(yi)(yi)些(xie)對安(an)(an)(an)全要求極(ji)高的(de)應用，如(ru)醫(yi)療和金融(rong)領域，增加成(cheng)(cheng)本(ben)以(yi)保障安(an)(an)(an)全是(shi)值得的(de)；而對于(yu)一(yi)(yi)些(xie)低風險的(de)消費類(lei)產品(pin)，可(ke)以(yi)選擇一(yi)(yi)些(xie)成(cheng)(cheng)本(ben)較低的(de)安(an)(an)(an)全方案(an)，如(ru)簡(jian)化的(de)安(an)(an)(an)全啟動流程或基本(ben)的(de)內存保護機(ji)制。
（二）設計復雜性
硬件安(an)全設計(ji)需(xu)要專業的(de)(de)知識(shi)和經(jing)驗，涉及(ji)到電路設計(ji)、加(jia)密(mi)算(suan)法(fa)、芯(xin)片制造(zao)等多個領域。這增加(jia)了(le)設計(ji)的(de)(de)復雜性，可能導致開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)延長。為了(le)解決這個問題(ti)，企業可以加(jia)強與專業的(de)(de)硬件安(an)全設計(ji)團隊或芯(xin)片制造(zao)商的(de)(de)合作，利用他們的(de)(de)專業知識(shi)和成(cheng)熟(shu)的(de)(de)技(ji)術來簡化設計(ji)過程。同時，在產(chan)(chan)品設計(ji)的(de)(de)初(chu)期(qi)就將(jiang)安(an)全需(xu)求(qiu)納入考慮，而不是在產(chan)(chan)品開(kai)發(fa)后期(qi)再添加(jia)安(an)全特(te)性。
總之，在(zai)(zai)硬(ying)件(jian)(jian)(jian)級別實現安全(quan)(quan)特性(xing)對(dui)于保(bao)護(hu)嵌(qian)入式系統(tong)至關(guan)重要。通(tong)過安全(quan)(quan)啟(qi)動、硬(ying)件(jian)(jian)(jian)加密模塊、PUF、MPU 和(he)隔離技術等多(duo)種手段(duan)，可(ke)以(yi)有效地(di)抵御(yu)各種安全(quan)(quan)威脅。雖然在(zai)(zai)實施過程中(zhong)會面臨成本和(he)設計復雜性(xing)等挑戰，但(dan)通(tong)過合理的策略和(he)方法(fa)，我們可(ke)以(yi)為嵌(qian)入式系統(tong)打造(zao)一(yi)個堅固的硬(ying)件(jian)(jian)(jian)安全(quan)(quan)防線，確(que)保(bao)其(qi)在(zai)(zai)復雜的應用環境中(zhong)安全(quan)(quan)可(ke)靠地(di)運(yun)行。
