硬件安全技术——芯片安全设计技术3

Posted 2021-10-10 摆渡沧桑

芯片安全设计技术3

• • • 一、硬件安全解决方案
    • • • 1. 为什么需要硬件安全
        • 2. 传统安全解决方案对比
        • 3. SoC安全解决方案
    • 二、Root of Trust（信任根）
    • • • 1. 信任根（RoT）是建立信任链的来源，也是SoC中安全根基
        • 2. 安全启动
        • 3. 密钥管理
    • 三、关键安全模块
    • • • 1. MPU/MMU
        • 2. Crypto Engine
        • 3. Detector
        • 4. Storage Protection Unit
        • 5. Bus Protection Unit
        • 6. Secure Processor
    • 四、安全系统的应用—— 智能电表
    • 五、总结

一、硬件安全解决方案

1. 为什么需要硬件安全

1. 安全是系统级的，如果只是软件进行安全防护，那么无法建立强有力的信任根
2. Crypto Engine只是解决了密码计算问题，只是单纯的拼凑组合是无法组成安全系统的
3. 各种高等级的认证要求底层的核心安全，密码实现需要由硬件来完成参与

2. 传统安全解决方案对比

三种方法：MCU，TEE，SE
方案无好坏之分，只有是否符合系统的应用场景来选择解决方案

3. SoC安全解决方案

1. 将传统的SE的功能集成到SoC中，避免了板级走线带来的安全风险
2. 避免了外部的数据传输性能的瓶颈，可以作为加速器使用
3. 无需额外的芯片，降低了整体成本
4. 目前手机AP厂商大多数使用该解决方案

二、Root of Trust（信任根）

1. 信任根（RoT）是建立信任链的来源，也是SoC中安全根基

其涉及安全启动、密钥管理两部分

2. 安全启动

1. 硬件负责初始化安全启动过程中需要使用的模块，例如随机数发生器、安全传感器、NVM控制器等
2. CPU从自身ROM中读取一级启动代码，对外部的二级Bootloader 进行解密和验签，确保二级Bootloader的完整性和认证性
   

3. 密钥管理

1. 保护密钥的机密性，密钥一般存储在NVM中
2. 确认密钥的完整性
3. 提前考虑各种角色，确保在实际场景中的可用性
4. 结合芯片生命周期管控烧写、使用、debug相关权限

三、关键安全模块

1. MPU/MMU

访问地址、权限隔离

2. Crypto Engine

1. 提供各种秘钥运算的支持
2. 提升秘钥运算的性能和安全性
3. 避免软件可以访问关键秘钥，高等级的安全认证密钥硬件化

3. Detector

探测环境的异常变化
当在攻击硬件时，可能需要通过升压，提高频率等措施，而当SoC系统中存在这些监控异常变化时，能够及早的预防这些异常变化，从而保护硬件安全。

4. Storage Protection Unit

保护存储单元内的数据，地址总线和数据总线都需要加密、加扰

5. Bus Protection Unit

保护总线上传输的信息，地址和数据都需要加扰(实时性比较高，一般只做加扰)

6. Secure Processor

1. 利用Memory Tagging等技术防止关于Memory的攻击
2. 利用Time constant计数防止Timing Attack

四、安全系统的应用—— 智能电表

1. 智能电表是IoT典型安全敏感应用
2. 智能电表处于一个开放的不可控的环境下
3. 只能电表覆盖量极大，并且与基础民生相关，有着很高的价值
4. 智能电表是一个典型的基于MCU的SoC芯片，SoC中有着很多的防护措施保护RoT和运行安全
   

五、总结

1. 安全系统方案多种多样，根据实际业务场景进行选择
2. 单一模块无法保证系统安全，系统安全需要从硬件、软件、生产和使用统筹考虑
3. RoT需要由硬件来实现从而达到不可篡改的特性
4. 随着新兴行业（IoT,5G）的发展，硬件安全的重视程度逐渐提升