隨著汽車和工業(yè)市場(chǎng)的自主和互聯(lián)革命正在進(jìn)行，邊緣節(jié)點(diǎn)正迅速成為網(wǎng)絡(luò)攻擊的目標(biāo)。軟件更新、診斷數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程捕獲以及遠(yuǎn)程端點(diǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信變得越來越普遍，因此容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊和其他安全威脅。

半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步使得將閃存嵌入到包含硬件安全模塊 （HSM） 的 MCU 中變得更加困難，因?yàn)楣に嚦叽绮粩嗫s小，從而推動(dòng)了對(duì)外部閃存的需求。當(dāng) Flash 位于 MCU 外部時(shí)，存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)更容易受到攻擊，因此對(duì)于設(shè)備而言，設(shè)計(jì)具有安全啟動(dòng)過程和其他基礎(chǔ)設(shè)施以確保存儲(chǔ)和檢索的內(nèi)容是可信的變得至關(guān)重要。

本系列文章探討了下一代安全設(shè)備的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和安全要求，因?yàn)殚W存從 MCU 中的 HSM 移出，理想情況下仍然是基于硬件的信任根。涵蓋的其他主題包括加密安全存儲(chǔ)、快速安全啟動(dòng)、安全固件無線更新和法規(guī)遵從性。

互聯(lián)世界中安全的重要性

在一個(gè)日益嵌入和互聯(lián)的世界中，安全變得至關(guān)重要。每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都擴(kuò)大了攻擊面，使從電器和車輛到辦公室和工廠的一切都更容易受到攻擊。在某些應(yīng)用中，例如汽車電子和工業(yè)系統(tǒng)，功能安全性上升到關(guān)鍵任務(wù)水平。

設(shè)計(jì)工程師很清楚，對(duì)安全和隱私的日益關(guān)注已成為購(gòu)買決策的主要因素。消費(fèi)者和公司欣然采用新技術(shù)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。不情愿現(xiàn)在已經(jīng)取代了信心，使得每個(gè)供應(yīng)商都必須提供一定程度的保證，以確保其產(chǎn)品和服務(wù)是安全的。政府也有同樣的擔(dān)憂，現(xiàn)在正在實(shí)施規(guī)定，要求供應(yīng)商實(shí)施各種安全規(guī)定，有時(shí)會(huì)因未能這樣做而受到處罰。

設(shè)計(jì)工程師可能也意識(shí)到，確保嵌入式系統(tǒng)安全將變得更加困難。原因在于，隨著 MCU 在處理復(fù)雜的實(shí)時(shí)應(yīng)用方面變得更加強(qiáng)大，它們正在遷移到更小幾何尺寸的 CMOS 技術(shù)（例如 16 納米或 7 納米）。但在這些幾何形狀中，目前沒有可重新編程的非易失性存儲(chǔ)器 （NVM） 技術(shù)可用。這導(dǎo)致了 eFlash（嵌入在 MCU 中的 Flash）的解體，它一直提供固有的安全架構(gòu)，并有利于外部 Flash，這需要特殊的規(guī)定來確保安全運(yùn)行。

Flash的解體

為了解決日益增長(zhǎng)的安全問題，芯片供應(yīng)商一直在 MCU 內(nèi)集成硬件安全模塊 （HSM） 功能。HSM 存在于包含基于硬件的信任根的安全處理環(huán)境中，用于保護(hù)敏感數(shù)據(jù)、處理器狀態(tài)、引導(dǎo)加載程序、加密密鑰和特定應(yīng)用安全服務(wù)的代碼。嵌入式存儲(chǔ)器（eFlash 和 RAM）也是安全處理環(huán)境中可信邊界的一部分，使其能夠充分抵御常見威脅。

片外存儲(chǔ)器（例如外部閃存）在本質(zhì)上并不值得信賴，并且可能容易受到持續(xù)攻擊。通常采取安全措施對(duì)外部 Flash 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，然后在執(zhí)行代碼之前通過將代碼從外部 Flash 下載到 MCU 的內(nèi)部 RAM 對(duì)其進(jìn)行解密和驗(yàn)證。雖然這種方法足以抵御大多數(shù)攻擊，但它會(huì)導(dǎo)致性能下降（啟動(dòng)時(shí)的潛在問題）和更高的成本（需要更多的內(nèi)部 RAM 和更多的功率）。系統(tǒng)甚至可能仍然容易受到持續(xù)攻擊（例如回滾攻擊）。

隨著 MCU 遷移到高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)以獲得更高的性能、更好的性價(jià)比和更低的功耗，F(xiàn)lash 的解體可能會(huì)導(dǎo)致更大的威脅暴露。這具有帶回一些以前被 eFlash 全部或部分克服的可信內(nèi)存挑戰(zhàn)的效果。此外，嵌入式系統(tǒng)的擴(kuò)散導(dǎo)致的威脅環(huán)境增加也帶來了使用外部閃存時(shí)更難以克服的新挑戰(zhàn)。

為了確保外部 Flash 安全，需要解決的主要威脅包括：

· 模擬與 Flash 設(shè)備之間的授權(quán)交易

· 篡改 Flash 設(shè)備的內(nèi)容

· 重放事務(wù)以回滾 Flash 設(shè)備的內(nèi)容

· 在不安全的設(shè)施中進(jìn)行配置期間獲取密鑰

· 在與 Flash 設(shè)備之間進(jìn)行交易期間的窺探（中間人）攻擊

· 通過側(cè)信道攻擊或故障注入泄露（獲取或觀察）Flash 設(shè)備和密鑰的內(nèi)容

· 以電子方式損害 Flash 設(shè)備的完整性

· Flash 設(shè)備的克隆

為了解決對(duì)外部閃存設(shè)備的這些和其他威脅，有效地使其成為安全處理環(huán)境的可信邊界的一部分，設(shè)備必須提供以下三種功能：

· 基于硬件的信任根，以防止對(duì)存儲(chǔ)的代碼和/或數(shù)據(jù)的攻擊修改、操縱、復(fù)制或其他潛在影響

· 從 MCU 或云端進(jìn)行安全更新，通過通過總線通過身份驗(yàn)證和加密交易實(shí)現(xiàn)的端到端保護(hù)、具有讀/寫訪問方法的安全區(qū)域、安全密鑰存儲(chǔ)空間和非易失性單調(diào)計(jì)數(shù)器

· 低成本，無需額外的安全設(shè)備（例如可信平臺(tái)模塊），無需更改電路板，包括支持四路串行外設(shè)接口

圖 1 顯示了安全閃存如何提供上述所有三種功能。實(shí)際上，安全閃存通過標(biāo)準(zhǔn)總線在外部擴(kuò)展了與 MCU 的嵌入式閃存集成的 HSM 功能。還要注意安全閃存如何取代普通的 NOR 閃存，從而能夠使用現(xiàn)有的電路板。

值得注意的是使用外部閃存的一些優(yōu)勢(shì)，首先是能夠更輕松地適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的代碼大小。嵌入式系統(tǒng)中常用的標(biāo)準(zhǔn) Flash 插槽大小可以支持 1 Gb （1Gb） 或更多的存儲(chǔ)空間——遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 eFlash 的可行性。外部閃存還為更多 CPU 內(nèi)核/容量提供了空間，以適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等復(fù)雜技術(shù)所需的更密集和日益實(shí)時(shí)的處理。當(dāng)提供不同的模型以更好地滿足基于價(jià)格、性能或其他標(biāo)準(zhǔn)的一系列需求時(shí)，這些變化可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)工作并加快上市時(shí)間。

審核編輯：郭婷