如何提升SoC的安全性

Hi，我是小杜。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及和嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）的安全性變得越來(lái)越重要。對(duì)于SoC，硬件安全功能是保障系統(tǒng)整體安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。小杜今天介紹一些實(shí)現(xiàn)方式，小杜經(jīng)驗(yàn)尚淺，如果錯(cuò)誤，還請(qǐng)批評(píng)指正。

安全啟動(dòng)（Secure Boot）

安全啟動(dòng)確保SoC從可信的固件開(kāi)始啟動(dòng)，防止未授權(quán)或惡意軟件加載。SoC內(nèi)置一個(gè)只讀存儲(chǔ)器（ROM）中的Bootloader，這段代碼不可更改，用于執(zhí)行初始啟動(dòng)。固件鏡像在編譯完成后使用開(kāi)發(fā)者的私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名。Bootloader在啟動(dòng)時(shí)使用存儲(chǔ)在芯片中的公鑰驗(yàn)證簽名，以確保固件的真實(shí)性和完整性。通過(guò)哈希算法（如SHA-256）計(jì)算固件的哈希值，并與預(yù)先存儲(chǔ)的正確哈希值進(jìn)行比較，防止固件被篡改。

硬件加密模塊

硬件加密模塊可以提高加密和解密操作的處理速度和安全性，保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的機(jī)密性。常用的有以下幾類：

對(duì)稱加密模塊：如AES（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）硬件加密單元，用于快速數(shù)據(jù)加密和解密，保護(hù)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)和傳輸過(guò)程中的安全。AES使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密。硬件實(shí)現(xiàn)的AES模塊能夠在硬件電路中快速執(zhí)行加密和解密操作，比軟件實(shí)現(xiàn)更高效。常用于如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)加密、通信數(shù)據(jù)加密等。

非對(duì)稱加密模塊：如RSA（Rivest-Shamir-Adleman）或ECC（橢圓曲線密碼學(xué)）硬件加密單元，用于密鑰交換和數(shù)字簽名，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臋C(jī)密性和完整性。RSA使用公鑰加密數(shù)據(jù)，私鑰解密數(shù)據(jù)。ECC相對(duì)于RSA提供了更高的安全性和更小的密鑰尺寸，因此更適合資源受限的環(huán)境。常用于如安全通信的密鑰交換、數(shù)字簽名驗(yàn)證等。

硬件隨機(jī)數(shù)生成器（HRNG）：生成高質(zhì)量的隨機(jī)數(shù)，用于密鑰生成和其他安全用途。HRNG通過(guò)物理過(guò)程（如熱噪聲、電噪聲）生成不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)數(shù)，確保隨機(jī)數(shù)的高質(zhì)量和不可預(yù)測(cè)性。一般用于加密密鑰的生成、一次性密碼等。

信任根（Root of Trust）

通過(guò)信任根可以建立一個(gè)可信的硬件基礎(chǔ)，確保系統(tǒng)的信任鏈從硬件開(kāi)始，覆蓋所有的軟件層。SoC內(nèi)部提供一個(gè)安全存儲(chǔ)區(qū)域，用于存放敏感信息，如加密密鑰和證書(shū)。該區(qū)域通常具有防篡改功能，只有經(jīng)過(guò)授權(quán)的代碼才能訪問(wèn)。從ROM Bootloader開(kāi)始，依次驗(yàn)證每一級(jí)固件的簽名和完整性，確保整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中的每個(gè)步驟都是可信的。

安全執(zhí)行環(huán)境（Trusted Execution Environment, TEE）

TEE提供一個(gè)隔離的執(zhí)行環(huán)境，確保敏感代碼和數(shù)據(jù)在一個(gè)受保護(hù)的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，防止被惡意軟件攻擊。TEE將SoC劃分為正常執(zhí)行環(huán)境（Normal World）和安全執(zhí)行環(huán)境（Secure World），通過(guò)硬件機(jī)制進(jìn)行隔離。通過(guò)在安全執(zhí)行環(huán)境中運(yùn)行關(guān)鍵安全功能（如加密操作、身份驗(yàn)證等），防止惡意軟件干擾。

安全調(diào)試接口

在開(kāi)發(fā)和調(diào)試過(guò)程中，需要訪問(wèn)SoC的內(nèi)部狀態(tài)。然而，這些接口也可能成為攻擊者的目標(biāo)。因此，需要安全地管理調(diào)試接口。在生產(chǎn)環(huán)境中，禁用或鎖定調(diào)試接口，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)。或者在允許調(diào)試接口訪問(wèn)之前，需要進(jìn)行身份驗(yàn)證（如使用加密密鑰或密碼）。還可以限制調(diào)試接口的訪問(wèn)權(quán)限，僅允許特定操作。

通過(guò)實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)、硬件加密模塊、信任根以及額外的安全機(jī)制（如安全調(diào)試接口、物理防篡改措施、安全存儲(chǔ)、安全執(zhí)行環(huán)境、安全通信和硬件防火墻），我們可以大幅提升SoC的安全性。這些硬件安全功能不僅保護(hù)了設(shè)備和用戶的數(shù)據(jù)，還確保了系統(tǒng)的可靠性和完整性。 感謝你看到這里。