【導(dǎo)讀】在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和機(jī)器人技術(shù)的崛起中，微控制器越來(lái)越多地成為防篡改和網(wǎng)絡(luò)攻擊的保護(hù)屏障。各種微控制器系列已經(jīng)配備了一系列安全功能。
在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和機(jī)器人技術(shù)的崛起中，微控制器越來(lái)越多地成為防篡改和網(wǎng)絡(luò)攻擊的保護(hù)屏障。各種微控制器系列已經(jīng)配備了一系列安全功能。一旦歐洲通用數(shù)據(jù)保護(hù)條例(GDPR)在2018年5月開(kāi)始生效，企業(yè)便必須執(zhí)行其中規(guī)定的數(shù)據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn)。該法律對(duì)個(gè)人數(shù)據(jù)的匿名化(pseudonymization)和加密進(jìn)行了更加嚴(yán)格的規(guī)定，與德國(guó)以前的法律基礎(chǔ)相比，新增了彈性條款和問(wèn)責(zé)條款。
GDPR不僅影響制造商，還影響OEM廠商和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商等運(yùn)營(yíng)企業(yè)。作為一個(gè)中央控制和監(jiān)管元件，微控制器在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色。制造商的開(kāi)發(fā)過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始按照相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn)證。憑借安全的生產(chǎn)
完整性與安全
由循環(huán)冗余校驗(yàn)所確定的校驗(yàn)值可以檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸或存儲(chǔ)中的錯(cuò)誤。這意味著它不僅可以檢查數(shù)據(jù)的完整性，還可以驗(yàn)證軟件運(yùn)行時(shí)的簽名。安全的電源監(jiān)控系統(tǒng)(POR [上電復(fù)位] / PDR [掉電復(fù)位] / BOR [欠壓復(fù)位] / PVD [可編程電壓檢測(cè)器]標(biāo)志狀態(tài))可以識(shí)別復(fù)位的原因，并確保器件的復(fù)位是基于合法訪問(wèn)。它由“寫(xiě)入時(shí)進(jìn)行讀取”功能進(jìn)行補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)高效的篡改檢測(cè)和記錄。
時(shí)鐘安全系統(tǒng)(CSS)基于恢復(fù)時(shí)的時(shí)鐘和系統(tǒng)，以及相互獨(dú)立運(yùn)行的內(nèi)部和外部時(shí)鐘。看門(mén)狗和窗口看門(mén)狗也相互獨(dú)立地監(jiān)視時(shí)間窗口。
存儲(chǔ)器內(nèi)容的完整性和可靠性則可通過(guò)糾錯(cuò)碼(ECC)和奇偶校驗(yàn)來(lái)確保，它還提供了擴(kuò)展的保護(hù)，免受通過(guò)錯(cuò)誤來(lái)偷偷進(jìn)行的攻擊。溫度傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)IC的環(huán)境溫度，以防止惡意程序故意加熱到超出其指定范圍，從而永久性損壞IC。
加密方法
加密方法通過(guò)使用代碼加密原始純文本來(lái)防止源文本遭到未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，破解代碼使黑客能夠解密加密的文本。更復(fù)雜的加密方法使用對(duì)稱或非對(duì)稱加密。若使用對(duì)稱加密，只有一個(gè)加密和解密密匙，這意味著發(fā)送者和接收者使用相同的密鑰。
若使用不對(duì)稱方法，通信各方各自使用自己的密匙，用于生成密匙對(duì)。這包括用于加密數(shù)據(jù)的公匙和用于解密的私匙。
對(duì)稱方法，舉例來(lái)說(shuō)，某些STM32系列有一個(gè)真正的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，用于產(chǎn)生32位加密密匙，完全集成到芯片中。這種加密基于對(duì)稱高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)，而STM32F2、F4、F7、L4系列采用128位密匙長(zhǎng)度(AES-128)和256位(AES -256)密匙長(zhǎng)度以及多種方法 (ECB、CBC、CTR、GCM、GMAC、CMAC)，而STM32L0 / L1則采用128位密匙長(zhǎng)度(AES-128)。這種對(duì)稱加密標(biāo)準(zhǔn)也適用于少數(shù)其他供應(yīng)商的專用MCU / MPU系列(如瑞薩RX、瑞薩Synergy和東芝TZ1000) (見(jiàn)交叉列表)。 此外，瑞薩RX系列和Synergy S5和S7系列在硬件上提供非對(duì)稱加密引擎，這是一項(xiàng)突出的功能。
對(duì)稱方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于只有一個(gè)密匙，所以密匙管理比非對(duì)稱方法更簡(jiǎn)單，加密和解密的速度也明顯更快。 一些微控制器部件也具有完全集成的散列函數(shù)，其中數(shù)據(jù)被散列和分散，并且該函數(shù)將較大量的輸入映射到較少量的目標(biāo)數(shù)據(jù)。
還有密匙散列信息驗(yàn)證碼(HMAC)，該信息認(rèn)證碼(MAC)的結(jié)構(gòu)基于密碼散列函數(shù)。在RFC 2104和NIST標(biāo)準(zhǔn)FIPS 198中規(guī)定了HMAC。
防篡改機(jī)制
防篡改機(jī)制用于防止針對(duì)微控制器之外的硬件系統(tǒng)有意或無(wú)意發(fā)起的物理攻擊。它引用各種喚醒源的備份域，確保即使在低功耗模式下也能保持保護(hù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)為每個(gè)篡改事件蓋上時(shí)間戳。
某些微控制器系列還具有RTC寄存器保護(hù)功能，可以阻止未授權(quán)的寫(xiě)操作，并獨(dú)立于系統(tǒng)復(fù)位進(jìn)行操作，但不包括寫(xiě)入一系列按鍵時(shí)的保護(hù)功能。
如果檢測(cè)到篡改，備份寄存器確保寫(xiě)入內(nèi)容被自動(dòng)刪除。通訊通道也可以通過(guò)通用輸入/輸出(GPIO)通訊模塊選擇性地阻止，這可以防止選定的GPIO，并且可以在下次復(fù)位時(shí)刪除該模塊。
調(diào)試模塊
調(diào)試模塊通過(guò)調(diào)試接口防止未經(jīng)授權(quán)的微控制器訪問(wèn)。可以為每個(gè)應(yīng)用程序或需求選擇安全級(jí)別，但是在此之后不能再次降級(jí)。
訪問(wèn)權(quán)限管理
訪問(wèn)權(quán)授予用戶或用戶組執(zhí)行某些操作的權(quán)限。為此，集成存儲(chǔ)器保護(hù)單元(MPU)將存儲(chǔ)器劃分為具有不同訪問(wèn)權(quán)限和規(guī)則的區(qū)域。
在數(shù)據(jù)傳輸期間，防火墻將閃存或SRAM的代碼或數(shù)據(jù)組件與在保護(hù)區(qū)外執(zhí)行的其余代碼隔離開(kāi)來(lái)。防火墻比內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)更具限制性，僅集成到STM32L0、L4和瑞薩Synergy S5和S7中。
內(nèi)存保護(hù)
讀保護(hù)用于管理如何訪問(wèn)內(nèi)存，例如用戶IP的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)儲(chǔ)和備份是不允許的。寫(xiě)保護(hù)可以保護(hù)每個(gè)扇區(qū)免受不妥當(dāng)?shù)膶?xiě)入操作。專有代碼保護(hù)允許將每個(gè)存儲(chǔ)器區(qū)域配置為“僅執(zhí)行”，這意味著只有代碼可以在此處執(zhí)行——不能寫(xiě)入該區(qū)域。 使用批量擦除或安全擦除功能可以安全地刪除IP和機(jī)密數(shù)據(jù)，該功能將內(nèi)存完全重置為出廠狀態(tài)。
數(shù)據(jù)的可追溯性
許多微控制器系列具有特定的獨(dú)特96位ID，以確保最終產(chǎn)品可追溯。這也可以用于安全密匙的多樣化。許多系列還具有啟用安全固件更新的功能。
基于軟件的加密方法
用硬件實(shí)現(xiàn)的安全功能也可以配合基于軟件的解決方案。加密庫(kù)軟件包可用于不同的微控制器系列，并提供一系列加密算法。它們以二進(jìn)制目標(biāo)格式作為標(biāo)準(zhǔn)提供，也可以通過(guò)基于保密協(xié)定(NDA)授權(quán)的條款以源代碼形式提供。也可通過(guò)硬件擴(kuò)展為某些集成電路提供功能支持。
除了集成在芯片中的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器之外，軟件包還提供了對(duì)重播攻擊的保護(hù)；這些重播攻擊利用了先前的請(qǐng)求來(lái)重新攻擊。散列算法驗(yàn)證消息的數(shù)字簽名和驗(yàn)證代碼，以確保數(shù)據(jù)可信并保護(hù)其完整性。此外，還有可用于對(duì)稱和非對(duì)稱加密方法的軟件包。
對(duì)于復(fù)雜的IoT解決方案，還可以選擇使用另一個(gè)板載模塊——意法半導(dǎo)體的STSAFE-A100或英飛凌的OPTIGA系列是可立即運(yùn)行的解決方案，并且具有安全的操作系統(tǒng)。這一最新一代安全微控制器為本地和遠(yuǎn)程主機(jī)、智能家居、智慧城市和工業(yè)應(yīng)用、電子娛樂(lè)設(shè)備以及各種其他終端設(shè)備、公用設(shè)施和配件增強(qiáng)了身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)管理服務(wù)的安全性。
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