浅谈物联网设计中的两种硬件安全解决方案

在嵌入式设计中，安全性一直处于“二等公民”的地位，这主要是因时间和成本因素而造成。此外也有其他因素，例如嵌入式系统安全性正在成为复杂性的同义词。还有一个原因是，人们缺乏对于安全性的重要性以及如何高效实现安全性的认识。

由此带来的后果是：当工程师们在到处安装软件补丁时，人们才后知后觉地想起安全性设计。然而，由于超连接嵌入式物联网 (IoT) 节点的出现，这种情况正在改变。这些节点要求采用高度安全的设计，以防御连接的温控器、冰箱、CCTV 和 HVAC 系统中的漏洞。

不过，在这个技术转折点，需要指出的是，物联网是一个高度多样化的设计领域，因而没有一个万能的安全解决方案。即使在安全威胁方面也存在物理漏洞，如篡改企图、设计克隆、IP 盗用和产品仿冒等。在网络攻击方面，则有恶意软件注入、分布式拒绝服务 (DDoS) 攻击和侧信道攻击。

然而，与可负担大量安全性投入的服务器和网关设计不同，物联网节点（如连接的温控器）需要一种更简单的安全机制，以期在成本和功耗限制范围内，实现物理和通信漏洞的防御。

为了提供针对物理和远程攻击的高性价比防护，Microchip Technology 的 SAM L11 微控制器为低功耗物联网节点提供了简单的安全实施方案。该处理器的时钟频率为 32 MHz，采用的内存配置为最大 64 KB 闪存和 16 KB SRAM。板载 picoPower 技术可确保在活动和休眠模式下都能实现低能耗。

在密钥配置方面，SAM L11 允许您使用来自其他软件公司的第三方服务，例如 Trustonic、Secure Thingz 和 Segger Microcontroller Systems 等公司。这样，通过使用模块化 GUI 界面提取 MCU 安全特性的低级别细节，将大大简化相关工作。

图 1：Trustonic 的密钥配置服务可提取 SAM L11 安全功能的低级别细节。（图片来源：Trustonic Inc.）

您可以只选择与您的应用相关的安全特性。不过，SAM L11 也允许您开发自己的配置软件，并使用代码示例和产品演示来实现该软件。

此外，SAM L11 将芯片级安全性与 Arm 的 TrustZone for Armv8-M 相结合，可将安全固件与非安全关键型软件代码隔离开来。例如，TrustZone 环境可以保护温控器中的通信协议栈免受恶意攻击，以防黑客通过恶意攻击控制智能家居。

安全元件与硬件安全模块 (HSM) 解决方案

如果您正在为自己的物联网设计寻找更稳健的安全框架，即能够在整个物联网应用生态系统中发现薄弱环节的安全框架，该怎么做？

在这里值得一提的是，嵌入式系统中基于硬件的安全性通常意指集成了硬件安全模块 (HSM) 的芯片，其中 HSM 充当独立的“保安”来监控数据交换。这实际上是芯片内的独立子系统，用于运行高级安全算法来防止遭受恶意攻击。

但是，尽管基于 HSM 的方法可将主 CPU 从安全相关任务中解放出来，但是这种方法可能既昂贵又繁琐，需要使用复杂的数据库来存储和分发安全密钥。

确实，批量生产的大型公司可以更容易负担得起基于 HSM 的安全解决方案。但是，更小规模的物联网设计又该怎么办？这类设计也需要有稳健的安全解决方案，以防御针对 MCU 中数字资产的黑客和欺骗攻击。这时安全元件就派上了用场。

安全元件是一种昂贵的微控制器，用于通过 I²C 或单线接口与主 MCU 或 MPU 通信。该元件通过执行端到端身份验证来保护连接的设备。

例如，Microchip 开发的 ATECC608A 安全元件可执行三项基本任务：生成安全密钥、提高加密速度以执行相互身份验证，以及将密钥存储在安全内存空间中。换句话说，该元件为私钥创建了安全边界，并与其他软件组件隔离开来。这进而又会阻止黑客控制物联网设备设计中的电源和时钟信号，避免他们利用这些信息创建后门通道，发起侧信道攻击。

图 2：在物联网设备中实现密钥配置的 Microchip ATECC608A 安全元件原理图。（图片来源：Microchip Technology）

安全元件在物联网设计中日益受到青睐。Google 和 Amazon Web Services (AWS) 等云服务提供商均支持使用 ATECC608A，将物联网节点连接到云。TrustZone 技术也通过在物联网设计框架内提供固件保护来支持 ATECC608A。这些都是相当大的支持！

该安全元件芯片还配备了升级的随机数发生器 (RNG)，以遵守美国国家标准技术局 (NIST) 在 SP800-90A/B/C 比特生成标准中规定的新要求。

总结

物联网设计中围绕连接的漏洞将安全问题推到了前沿。尽管目前连接的物联网设备数量仍大于安全设计实施数量，但随着致力于简化密钥配置的低成本安全芯片的推出，可能很快就会改变这种不平衡现状。

同样明显的趋势是，硬件与软件解决方案正在结合起来，共同保护物联网设备免受越来越多的攻击载体的攻击。硬件与软件领域之间的这种联合，也有助于避免实施稳健安全解决方案所需的陡峭学习曲线。