硬件安全技术——概述1(安全威胁和硬件安全技术)

Posted 2021-10-10 摆渡沧桑

一、硬件安全技术是什么？

1. 传统视角：
   硬件安全=密码芯片安全，特别是智能卡、可信计算、Ukey等芯片攻击防御技术
   

密码芯片的逻辑接口、物理接口安全；
核心功能：具备防攻击能力，能有效保护秘钥存储、进行安全密码运算；

密码芯片是一个边界清楚，作为一个黑盒子，放在系统中，起到安全密码运算、防攻击等功能。

二、智联时代

1. 万物互联+智能化：
   云、端协作、数字孪生、海量数据，如智能家居、智慧城市、电力网络等迈向智能时代。
   

2. 网络攻击进入物理世界:
   攻击截面扩大，风险巨大，如黑客操控物理世界产品，威胁从“谋财”升级为“害命”
   
   因此，需要相关的技术来解决安全问题。

三、真实世界安全问题层出不穷

1. 监控摄像头的攻击
2. 智能音箱攻击
3. 服务器攻击
4. 个人电脑攻击
5. 电力、网络攻击
   

如何减少这类事件的发生，因此，硬件安全技术可以有效的解决这类事件发生的概率。

四、硬件安全：新视角

解决安全问题，可以分为四个部分来进行问题解决：
应用软件，操作系统，底层软件，硬件层（如硬件电路）

系统和固件是密不可分；
系统信任跟由硬件+底层软件共同保护；
如果底层有漏洞，那么系统肯定会被破解；

因此，硬件安全研究不仅仅局限传统的独立密码芯片研究范畴，现在考虑的是在更复杂的、开放的系统中，硬件安全能够做什么？
传统的硬件安全保护秘钥，未来的硬件安全除了要保护秘钥，还要保护软件，再由软件再保护上层应用。

硬件安全用在什么地方，所有联网的设备，必须用到硬件安全技术

举一个简单的IoT例子：（物联网设备、智能手机、云）

1. 设备端：

固件保护
身份识别
数据加解密
其他

2. 手机端：

OS
APP安全
生物识别安全
其他

3. 云端

网络安全
租户OS安全
数据安全
其他

硬件安全扮演的角色：
虽然云和端所用的芯片架构不一样，如算力、软件等。但是却有相同的硬件安全要求。
例如：

1. 硬件需要提供安全的Boot ROM。芯片启动第一步，信任根
2. 安全秘钥、ID的管理
3. 加解密、签名、密码运算等秘钥安全信息
4. 随机数发生器

对于手机端，可能还有安全执行环境，需要run应用，如指纹、人脸。
对于云端，考虑运行在虚拟机上的多个用户安全需求，如每个用户可能有自己秘钥存储需求；OS的安全启动、数据安全需求；TLS的卸载等

五、生命周期安全设计

生命周期安全设计是硬件安全需要考虑的重点内容。

实际在芯片的最初的RTL设计，到交付至用户的，存在很多环节。很多环节有可能导致秘钥、固件或者其他敏感信息的泄露，那么硬件安全如何在开放的供应链上构建信任根和信任链？这一点是硬件安全需要解决的问题。

六、硬件安全技术

硬件安全上主要研究内容可分为以下四个部分：

1. 硬件安全架构
2. 物理攻击技术
3. 抗攻击设计
4. 面向软件安全的硬件设计

七、侧信道攻击

1. 侧信道攻击
   
   
   SCA本质上利用芯片在计算时，边信道的泄露，内部的电路的状态取决于算法的设计，例如对于8bit的寄存器，若初始值为0，一旦我们往里面写入一个字节的数据，那么在写入的过程中，部分寄存器的状态会翻转，即会引起功耗的变化（电容）。实际上，这种泄露是很危险的，并且在电路中一直存在的。

   侧信道的攻击对象发展有经历了如下过程：
   
   一直存在的误解是，人们经常认为侧信道攻击只是对工艺落后的芯片才能进行攻击，却认为对面积大、工艺先进的芯片没有威胁，实际上这个观点是错误的，只要芯片在做密码相关的计算，就可能存在侧信道信息的泄露。

2. 侧信道攻击的分类
   除了从瞬时功耗的角度发现了可以攻击密码芯片外，此外还有电磁辐射，光子泄露，计算时间等侧信道的信息。

   侧信道攻击不需要破坏芯片或者修改软件，就可以攻击，因此其攻击门槛低，威胁较大。

   因此，抵抗侧信道攻击是安全芯片的主要的技术难点之一。

八、微架构侧信道（MASCA）

侧信道的其中一个分支为微架构侧信道，最近几年比较热门的侧信道。
微架构侧信道分析：利用处理器架构的特点，获取与敏感信息（如秘钥）相关的信息泄露（如时间），来破解系统安全防护。

如2017年，熔断和幽灵：滥用CPU推演执行功能，来构造攻击场景，对大量intel CPU均有效；
2018年，Foreshadow：滥用CPU推演执行破解了SGX;
2019年，NCC 高通 QSEE攻击：利用分支预测和cache的时序泄露，获得Trustzone之中的ECDSA私钥。

传统的攻击是需要黑客去靠近设备来达到攻击的目的，不能够批量的攻击设备，但是微结构侧信道攻击可以远程进行批量攻击。

九、公钥密码算法

公钥算法的演进：

十、硬件安全的内在挑战

硬件安全设计和其他信息安全设计一样，也面临着内在的挑战。
首先，随着时间推移，新的攻击方法、新工具也会层出不穷，攻击者会变得越来越强，但是产品并不会变得更加抗攻击。
其次，设备所在的系统会更加复杂，包括网络结构、芯片架构、软件应用等。

因此，在安全设计时，最小化的安全假设，同时保持足够的功能和架构的安全性。