隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷擴大，對抗性攻擊的破壞性也在不斷擴大。連接應用程序的安全性現(xiàn)在是其設計的基本要素。連接的設備必須能夠相互進行身份驗證，確保安全的數(shù)據(jù)傳輸，并包括安全存儲。雖然RISC-V的安全指南仍在開發(fā)中，但為RISC-V用戶提供有效的即插即用解決方案以增強SoC及其他產(chǎn)品的安全性至關(guān)重要。

需要什么樣的設計來保護物聯(lián)網(wǎng)應用？

在大多數(shù)情況下，有六個關(guān)鍵的 SoC 安全因素需要考慮。..

受信任的執(zhí)行環(huán)境 （TEE）：隔離需要更高安全級別的代碼、數(shù)據(jù)和內(nèi)存。

信任根：保護關(guān)鍵安全參數(shù);包含唯一 ID、證書、密鑰和安全存儲。

安全啟動：阻止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)和應用程序運行。

靜態(tài)數(shù)據(jù)安全性：以加密/模糊的形式存儲數(shù)據(jù)，并具有可靠的訪問控制，以防止泄漏。

傳輸中數(shù)據(jù)安全：利用密鑰在傳輸前對數(shù)據(jù)進行加密，以防止被攔截。

安全 OTA 更新：確保現(xiàn)場的固件或軟件更新以加密密文的形式提供，并且不允許降級。

僅擁有CPU無法實現(xiàn)這六個安全因素。芯片的設計需要一個密鑰存儲單元和一組加密算法來幫助CPU執(zhí)行安全功能，包括身份驗證、加密、解密和完整性檢查，以實現(xiàn)這些功能。此外，安全操作（與非安全操作分開）需要隔離且受信任的安全執(zhí)行環(huán)境。還應實施防篡改設計，以保護安全環(huán)境免受攻擊。

考慮到這些風險，經(jīng)驗豐富的設計人員通常會使用帶有硬件信任根和防篡改設計的安全協(xié)處理器來支持CPU執(zhí)行應用程序和服務的所有必要安全功能。

糾正現(xiàn)有協(xié)處理器的不足

安全協(xié)處理器負責系統(tǒng)內(nèi)與安全相關(guān)的事務，并允許CPU安全地執(zhí)行其主要功能。實施后，硬件加速的安全協(xié)處理器將保護敏感信息并比CPU更有效地執(zhí)行安全功能，而不會竊取其計算能力。這不僅簡化了系統(tǒng)設計，還提高了整體性能。

在其架構(gòu)中，ARM提供與其CPU集成的加密單元-312作為安全協(xié)處理器來處理安全操作。相比之下，RISC-V生態(tài)系統(tǒng)仍在成熟，還沒有適合安全協(xié)處理器的解決方案。RISC-V用戶必須自己開發(fā)或采用合作伙伴的IP才能獲得上述安全功能。如果他們選擇在內(nèi)部開發(fā)，可能會出現(xiàn)一些挑戰(zhàn)。他們是否有足夠能力的安全開發(fā)團隊？它將如何影響上市時間？自主研發(fā)的安全功能能否獲得認證？當技術(shù)問題出現(xiàn)時，他們能處理得有多好？最后，成本是多少？所有這些挑戰(zhàn)都可以通過采用來自有能力的合作伙伴的集成IP來避免。

現(xiàn)有解決方案缺乏全面的硬件信任根，無法提供可靠的安全邊界，使其容易受到攻擊。市場上的大多數(shù)安全協(xié)處理器可能涵蓋一到兩個關(guān)鍵功能，但不足。例如，一些協(xié)處理器無法支持某些加密算法，容易受到攻擊，或者沒有通過第三方認證。有些沒有安全存儲密鑰，導致協(xié)處理器從安全邊界之外檢索密鑰（想象一下，將密鑰留給前門的保險庫）。即使是包括安全密鑰存儲在內(nèi)的選項也有不可避免的缺點，需要在生產(chǎn)過程中逐個將密鑰注入芯片，這使得制造或操作成本高昂且難以操作。某些協(xié)處理器對所有產(chǎn)品具有相同的激活密鑰，從而危及身份和應用服務管理。

所有這些不足可能最終成為物聯(lián)網(wǎng)設備中的漏洞，這將不可避免地成為希望破壞網(wǎng)絡的黑客的目標。因此，即使是一個只傳輸非敏感數(shù)據(jù)的微型物聯(lián)網(wǎng)設備，如果被黑客操縱，也會造成巨大的傷害。像這樣的事件不勝枚舉，最近的一次是2021年5月，當時最大的石油管道系統(tǒng)殖民地管道受到攻擊。他們不僅關(guān)閉了整個管道，政府甚至還發(fā)布了區(qū)域緊急聲明。僅支付的贖金損失就為420萬美元。

普菲奧特為RISC-V架構(gòu)提供片上安全保障

為了解決RISC-V生態(tài)系統(tǒng)中缺乏完整的安全協(xié)處理器的問題，PUFiot是PUF安全的集成IP解決方案之一，是最終的答案。它采用多層設計，利用一套全面的完全集成的硬件安全IP。與純粹基于軟件的設計不同，PUFiot的安全邊界基于硬件的物理分離，因此建立了一個健全的可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）。圖 1 演示了 PUFiot 的設計架構(gòu)。PUFiot 的核心是模擬硬件信任根設計。硬件信任根包含 eMemory 的專利 NeoPUF，為每個芯片提供唯一的芯片指紋 （UID），并提供 Riscure 認證的防篡改安全 OTP，用于密鑰存儲，防止對關(guān)鍵安全參數(shù)的物理/電氣攻擊。硬件信任根還附帶一個真隨機數(shù)生成器（TRNG），這是一個動態(tài)熵的來源，用于保護加密引擎和系統(tǒng)之間的通信。

圖1：普菲奧特的設計架構(gòu)

PUFiot支持一套完整的NIST CAVP認證和第三方認證的中國OSCCA硬件加密算法。由于模塊化設計，PUFiot加密算法的定制仍然很靈活。這意味著用戶的要求，例如在SM4和AES之間進行選擇，可以在一個簡單的過程中得到滿足。因此，PUFiot可以滿足RISC-V當前和未來的安全要求。除了安全功能外，眾多的數(shù)字和模擬防篡改設計進一步加強了PUFiot，使其成為可靠的安全協(xié)處理器。同樣，為了降低整個 SoC 系統(tǒng)設計的復雜性，PUFiot 支持用于寄存器訪問控制的標準 APB 控制接口和具有標準 AXI4 控制接口的 DMA，以快速訪問存儲在系統(tǒng)存儲器中的大量數(shù)據(jù)。隨附的軟件開發(fā)工具包 （SDK），包括 Linux 裸機固件和高級 API，可幫助加快軟件開發(fā)和部署。

除了 NIST 標準的密鑰包裝 （KWP） 和密鑰派生函數(shù) （KDF） 以保護密鑰的使用和導出外，PUFiot 還可以按需生成多個密鑰，以便 RISC-V 物理內(nèi)存保護 （PMP） 單獨保護每個應用程序。此外，PUF的屬性非常適合安全啟動和安全OTA更新，因為不同物聯(lián)網(wǎng)設備上的相同軟件都有其密鑰。因此，我們可以為即將進入市場的數(shù)十億新物聯(lián)網(wǎng)設備建立牢固的安全基礎(chǔ)。

結(jié)論

為了保護物聯(lián)網(wǎng)應用，PUFsecurity利用芯片指紋技術(shù)來加強信任根，并開發(fā)了PUFiot，這是一種具有廣泛安全邊界的安全協(xié)處理器，可以輕松集成到安全的RISC-V系統(tǒng)中。PUFiot 支持物聯(lián)網(wǎng)世界所需的零接觸部署。憑借硬件加速的安全功能和訪問控制，PUFiot還滿足了云應用中零信任安全的要求。因此，PUFiot作為一種安全解決方案，非常適合采用RISC-V處理器的物聯(lián)網(wǎng)設備。

審核編輯：郭婷