在電子設(shè)計(jì)中，安全性至關(guān)重要，對(duì)于資源受限、高度連通的復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)而言，更是如此。用軟件方法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)安全性無(wú)法達(dá)到合格的保障和防護(hù)等級(jí)，而硬件方法成為設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)方案的重要一環(huán)。
在電子設(shè)計(jì)中，安全性至關(guān)重要，對(duì)于復(fù)雜、資源受限、高度連通的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）而言，更是如此。實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)安全需要依靠成熟的安全原則并警惕不斷變化的威脅，而設(shè)計(jì)工程師將產(chǎn)品推向市場(chǎng)時(shí)面臨一些物聯(lián)網(wǎng)安全挑戰(zhàn)。
物聯(lián)網(wǎng)面臨安全威脅
物聯(lián)網(wǎng)目前正逐漸融入大多數(shù)工業(yè)和商業(yè)運(yùn)營(yíng)體系中，包括公共設(shè)施、重要的基礎(chǔ)設(shè)施、交通、金融、零售和醫(yī)療。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備能夠感知和測(cè)量物理世界，收集人類(lèi)的各種活動(dòng)數(shù)據(jù)，促進(jìn)了智能、自動(dòng)化、自主命令和控制技術(shù)的廣泛部署。通過(guò)無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)互連智能設(shè)備，企業(yè)能夠創(chuàng)造出真正革命性的技術(shù)，從而改善未來(lái)人類(lèi)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)生活的方方面面。然而，幾乎每個(gè)星期都有主流媒體報(bào)道數(shù)字安全性的漏洞問(wèn)題，通常是消費(fèi)者信用卡信息被盜或使用不當(dāng)而造成損失，與每天發(fā)生的成千上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)絡(luò)遭受攻擊的案例相比，這只不過(guò)是九牛一毛。安全攻擊包括竊取有價(jià)值的數(shù)據(jù)并造成大范圍破壞，更有甚者，會(huì)控制關(guān)鍵的系統(tǒng)。從消費(fèi)者的角度來(lái)看，分布式阻斷服務(wù)（DDoS）攻擊可能是最常見(jiàn)的威脅。2016年造成整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)中斷的Mirai僵尸網(wǎng)絡(luò)第一次敲響了警鐘，令各機(jī)構(gòu)意識(shí)到這類(lèi)威脅。繼Mirai之后，Aidra、Wifatch和Gafgyt，以及BCMUPnP、Hunter52和Torii53等新加入的僵尸網(wǎng)絡(luò)，累計(jì)侵入了數(shù)百萬(wàn)部IoT設(shè)備，以擴(kuò)散其DDoS惡意攻擊軟件、加密貨幣挖礦軟件以及垃圾郵件中繼代理。
隨著我們的工作和生活中出現(xiàn)更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，潛在的安全攻擊無(wú)處不在，而且規(guī)模越來(lái)越大。以智能交通控制為例，設(shè)想一下大城市控制交通流量的傳感器、交通信號(hào)燈、協(xié)調(diào)管控車(chē)輛的汽車(chē)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和控制設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施暴露給對(duì)手的情形。在重要的十字路口通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制交通信號(hào)燈或車(chē)輛之間的通信，已經(jīng)不再是好萊塢大片中才會(huì)出現(xiàn)的場(chǎng)景，而是一項(xiàng)真實(shí)存在的嚴(yán)肅議題。
再想一想互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設(shè)備、商店內(nèi)幫助改善零售購(gòu)物體驗(yàn)的智能標(biāo)簽，以及我們的家電如何聯(lián)網(wǎng)。如果你能用自己的智能手機(jī)啟動(dòng)爐子、開(kāi)鎖、關(guān)閉警報(bào)系統(tǒng)，那么其他人呢?
上面的例子跟我們所有人都相關(guān)，但是，有很多情形是普通消費(fèi)者看不到的。設(shè)想針對(duì)自動(dòng)化制造環(huán)境部署的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT），如果出現(xiàn)了安全漏洞將會(huì)導(dǎo)致怎樣的混亂，生產(chǎn)停機(jī)和設(shè)備損壞又可能造成怎樣的財(cái)務(wù)損失?
隨著潛在的攻擊呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，物聯(lián)網(wǎng)的安全防護(hù)必須全面而穩(wěn)健，并具有快速恢復(fù)的能力。
圖1：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量及面臨的威脅均呈指數(shù)增長(zhǎng)。
（圖片來(lái)源：Gartner、Softbank、IBM X-Force威脅情報(bào)指數(shù)2019，以及Symantec互聯(lián)網(wǎng)安全威脅報(bào)告2018）
不能只依靠軟件方法
試圖竊聽(tīng)或非法獲取信息并不是什么新鮮事。荷蘭計(jì)算機(jī)研究員Wim van Eck早在1985年就進(jìn)行了相關(guān)的研究。他通過(guò)截取顯示器的電磁場(chǎng)并進(jìn)行解碼，成功地從顯示器中獲取了信息。他的開(kāi)創(chuàng)性工作強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)：利用一些價(jià)格不高的組件，便可以繞開(kāi)昂貴的安全防護(hù)措施而達(dá)到目的。
這種非侵入和被動(dòng)式電磁邊信道攻擊如今變得更加復(fù)雜，并成為眾多攻擊武器的一種。其他邊信道攻擊方法包括差分功耗分析（DPA）等，通常與電磁邊信道攻擊一起使用。通過(guò)這種攻擊方式，在執(zhí)行加密處理指令時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備微控制器中的加密密鑰、密碼和個(gè)人身份等敏感信息將以電磁信號(hào)的形式被“泄露”。寬帶接收器作為軟件定義的無(wú)線(xiàn)電應(yīng)用目前價(jià)格已經(jīng)很低，在運(yùn)行中可用于檢測(cè)和存儲(chǔ)電磁信號(hào)。
DPA是一種更復(fù)雜的竊取方式，通過(guò)簡(jiǎn)單的功耗分析可以了解設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的處理器功耗。由于處理設(shè)備所消耗的功率會(huì)因執(zhí)行的函數(shù)而有所不同，因此可以通過(guò)了解功耗情況來(lái)識(shí)別離散函數(shù)?；贏ES、ECC和RSA的加密算法函數(shù)需要大量計(jì)算，可以通過(guò)功耗測(cè)量分析來(lái)識(shí)別。以微秒時(shí)間間隔檢查功耗可以發(fā)現(xiàn)密碼學(xué)中經(jīng)常使用的各種數(shù)字運(yùn)算，例如平方和乘法。DPA在簡(jiǎn)單的功耗分析中增加了統(tǒng)計(jì)和糾錯(cuò)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)密信息的高精度解碼。
通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信方式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)泄漏也有可能暴露機(jī)密信息。隱蔽信道和“中間人攻擊”是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)I(yíng)oT設(shè)備與主機(jī)系統(tǒng)間的通信來(lái)收集數(shù)據(jù)的一種有效方法。分析這些數(shù)據(jù)可能會(huì)泄露設(shè)備控制協(xié)議及接管遠(yuǎn)程連網(wǎng)設(shè)備操作所需的私鑰。
黑客使用的另一種攻擊技術(shù)是對(duì)未受保護(hù)的微控制器和無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）器件進(jìn)行植入攻擊。在最簡(jiǎn)單的情況下，該技術(shù)可能會(huì)降低或干擾微控制器的供電電壓，出現(xiàn)奇怪的錯(cuò)誤。隨后，這些錯(cuò)誤可能觸發(fā)其他受保護(hù)的設(shè)備打開(kāi)保存機(jī)密信息的寄存器，進(jìn)而遭受入侵。通過(guò)更改頻率、植入錯(cuò)誤的觸發(fā)信號(hào)或更改信號(hào)電平來(lái)篡改系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)，也可能導(dǎo)致IoT設(shè)備出現(xiàn)異常，從而暴露機(jī)密信息，或?qū)е驴刂乒δ鼙徊倏?。這兩種情況都需要對(duì)設(shè)備內(nèi)的印制電路板進(jìn)行物理訪問(wèn)，但不是侵入性的。
由于許多用于保護(hù)IoT設(shè)備的安全技術(shù)都是基于軟件的，因此安全信息很可能被非法讀取。AES、ECC和RSA等標(biāo)準(zhǔn)密碼加密算法以軟件棧的形式在微控制器和嵌入式處理器上運(yùn)行。使用價(jià)格低于100美元的設(shè)備和軟件不但可以查看功耗，還可以借助DPA技術(shù)獲得密鑰和其他敏感信息?，F(xiàn)在很容易得到現(xiàn)成的DPA軟件工具自動(dòng)完成整個(gè)過(guò)程，甚至不需要熟練掌握這些分析方法。
這類(lèi)攻擊已不再局限于理論領(lǐng)域，它們已被全球的黑客廣泛使用。
隨著攻擊力度的不斷增加，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員需要重新考慮其安全防護(hù)方法，提高安全防護(hù)功能，使其更加穩(wěn)健并具備更好的復(fù)原能力。
用硬件方法實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)安全
在設(shè)計(jì)一種新的IoT設(shè)備之前，最好全面了解該設(shè)備可能受到哪些攻擊，以及需要對(duì)什么樣的威脅進(jìn)行防備。謹(jǐn)慎的做法是從一開(kāi)始就審查安全需求并將其納入產(chǎn)品規(guī)格。大多數(shù)IoT設(shè)備往往可以使用很多年，因此必須通過(guò)無(wú)線(xiàn)（OTA）方式進(jìn)行固件更新，單這一點(diǎn)就可能引起更多的攻擊，因此需要加以考慮。要想防護(hù)所有的攻擊，需要一種從芯片到云端的方法，實(shí)現(xiàn)基于硬件的安全設(shè)計(jì)。
英飛凌近日發(fā)布的OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片是完全基于硬件的安全解決方案，其最大優(yōu)勢(shì)是能夠抵御針對(duì)硬件級(jí)別的攻擊。它采用了一些經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的精簡(jiǎn)邏輯，可以更好地保護(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；即使通過(guò)非常專(zhuān)業(yè)的反向工程，也無(wú)法輕易的破取并破解原始數(shù)據(jù)；一些專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)和非標(biāo)準(zhǔn)的代碼實(shí)現(xiàn)其實(shí)也難于分析和理解；最重要的一點(diǎn)是基于硬件的安全芯片方案可以為整個(gè)系統(tǒng)提供可信任的“根”，作為系統(tǒng)可信任的來(lái)源。
圖2：基于硬件的安全方案所具有的優(yōu)勢(shì)
據(jù)英飛凌科技安全互聯(lián)系統(tǒng)事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理成皓介紹，OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片的一個(gè)特點(diǎn)是其易用性，從軟件層面來(lái)說(shuō)，客戶(hù)開(kāi)發(fā)工作量非常小，大部分安全功能已經(jīng)集成在底層操作系統(tǒng)中，客戶(hù)只需根據(jù)英飛凌提供的一些上層應(yīng)用開(kāi)發(fā)包直接調(diào)用相關(guān)接口就可以很快實(shí)現(xiàn)安全功能。最值得一提的是，OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片是基于CC EAL 6+ (high) 認(rèn)證的安全控制器，CC EAL6+認(rèn)證是符合金融級(jí)別安全要求的最高芯片安全認(rèn)證等級(jí)，可以從軟硬件層面保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)的安全性。
OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片主要有以下幾個(gè)功能：
雙向認(rèn)證功能。OPTIGA™ Trust M2 ID2可以存儲(chǔ)多組密鑰和證書(shū)，完成物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和云端、以及和其它設(shè)備之間的雙向認(rèn)證。加載安全芯片的設(shè)備可以和其它控制器及生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行雙向認(rèn)證。在物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)中，除了云端對(duì)設(shè)備的認(rèn)證非常重要之外，設(shè)備端本身對(duì)云端的鑒別也非常重要，所以需要雙向認(rèn)證而不是單向認(rèn)證功能。
安全通信。在目前的很多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或應(yīng)用中，有一個(gè)很大的安全隱患，就是在鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)本身沒(méi)有任何加密機(jī)制做保護(hù)，尤其是某些用戶(hù)隱私數(shù)據(jù)和敏感關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸。OPTIGA™ Trust M2 ID2可以保障 “設(shè)備和云端”以及和其它設(shè)備之間的通訊完全通過(guò)加密的方式完成，消除鏈路上傳輸?shù)陌踩[患。Shielded Connection功能也保證了在設(shè)備內(nèi)部數(shù)據(jù)傳遞的安全性。
固件安全更新。在很多物聯(lián)網(wǎng)攻擊模式里，很多的攻擊是通過(guò)偽造一些固件包企圖獲取對(duì)設(shè)備的控制權(quán)。一般用戶(hù)沒(méi)有能力鑒別一個(gè)固件升級(jí)包是否完整、來(lái)源是否合法，因此存在較大風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致設(shè)備被黑客或者不法分子監(jiān)聽(tīng)或控制。OPTIGA™ Trust M2 ID2可以通過(guò)“可信任根”的功能，幫助設(shè)備實(shí)現(xiàn)鑒別固件升級(jí)包來(lái)源。
個(gè)性化數(shù)據(jù)的寫(xiě)入。OPTIGA™ Trust M2 ID2芯片在生產(chǎn)階段的時(shí)候就已經(jīng)預(yù)置了阿里云的Link ID²服務(wù)器分發(fā)獨(dú)一無(wú)二的ID信息。終端客戶(hù)（IoT設(shè)備廠商的客戶(hù)）直接將這款安全芯片嵌入到終端設(shè)備中即可使用。聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候會(huì)完成一次Link ID²設(shè)備在云端的注冊(cè)。
數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)。把一些用戶(hù)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，比如證書(shū)、密鑰，通過(guò)加密的方式存儲(chǔ)在設(shè)備的內(nèi)部。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在安全芯片內(nèi)部，即使外部整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或軟件層面有一些漏洞，因?yàn)楹诳突蛘吖粽邲](méi)有訪問(wèn)安全芯片的能力，因此存儲(chǔ)在安全芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)無(wú)法被外部截取和分析，這也是硬件安全芯片比較大的優(yōu)勢(shì)。
平臺(tái)完整性校驗(yàn)。在系統(tǒng)需要安全啟動(dòng)的場(chǎng)景下，檢驗(yàn)設(shè)備上的操作系統(tǒng)或軟件是否已被篡改，進(jìn)而抵御攻擊。
應(yīng)用場(chǎng)景
OPTIGA™ Trust M2 ID2可應(yīng)用在對(duì)安全有一定訴求的場(chǎng)景，成皓介紹了三個(gè)比較典型的應(yīng)用領(lǐng)域：智能音箱、智能工廠和網(wǎng)絡(luò)攝像頭。
智能音箱
智能音箱除了具有傳統(tǒng)的藍(lán)牙音箱功能，還可以和用戶(hù)進(jìn)行語(yǔ)音交互，使用戶(hù)擔(dān)心自己的個(gè)人隱私被監(jiān)聽(tīng)或關(guān)鍵的個(gè)人數(shù)據(jù)泄漏。
利用OPTIGA™ Trust M2 ID2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)加密功能，將賬戶(hù)信息、ID信息或密碼存儲(chǔ)到安全芯片內(nèi)部，就不容易被截取了。另外，通過(guò)安全芯片的雙向認(rèn)證功能，可以保證智能音箱只處理經(jīng)過(guò)合法來(lái)源認(rèn)證的信息。如果有黑客或陌生人通過(guò)偽造遠(yuǎn)程語(yǔ)音信息來(lái)“開(kāi)門(mén)”或者“開(kāi)窗”，智能音箱就能鑒別該信息或?qū)λM(jìn)行操控的設(shè)備的來(lái)源是否合法。
智能音箱里面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)需要上傳到云端，通過(guò)OPTIGA™ Trust M2 ID2的數(shù)據(jù)加密功能，可以保證設(shè)備端和云端交互的數(shù)據(jù)都通過(guò)加密形式進(jìn)行傳遞，就算被黑客進(jìn)行數(shù)據(jù)攔截，也無(wú)法破譯原始數(shù)據(jù)。
圖3：OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片應(yīng)用于智能音箱
智能工廠
如果智能工廠遭受黑客攻擊，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)線(xiàn)癱瘓。除了產(chǎn)線(xiàn)停產(chǎn)，更致命的損失是會(huì)千萬(wàn)企業(yè)一些核心技術(shù)，比如IP，還有一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)的泄漏。在智能工廠的終端設(shè)備（如機(jī)械手臂）上，可以嵌入Trust M的安全芯片，對(duì)工業(yè)設(shè)備與工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。通過(guò)Trust M2 ID2芯片也可以驗(yàn)證上傳數(shù)據(jù)的設(shè)備本身是否合法、是否是工廠內(nèi)實(shí)際工作的設(shè)備，而非黑客或第三方偽造的設(shè)備。
圖4：OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片應(yīng)用于智能工廠
網(wǎng)絡(luò)攝像頭
在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，網(wǎng)絡(luò)攝像頭是被黑客重點(diǎn)“關(guān)照”的兩類(lèi)設(shè)備之一。由于網(wǎng)絡(luò)攝像頭本身可監(jiān)控的特性，因而會(huì)成為很多不法分子的攻擊對(duì)象。
目前很多攝像頭被入侵的一個(gè)主要原因是它的“弱口令”。通常很多出廠密碼會(huì)默認(rèn)設(shè)置admin，對(duì)黑客來(lái)說(shuō)，攻擊這樣的設(shè)備非常容易。通過(guò)在攝像頭里面集成OPTIGA™ Trust M2 ID2芯片，可以保證攝像頭與云服務(wù)器之間通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行安全加密，使關(guān)鍵數(shù)據(jù)在鏈路上傳輸時(shí)無(wú)法被破解。
圖5：OPTIGA™ Trust M2 ID2安全芯片應(yīng)用于智能網(wǎng)絡(luò)攝像頭
結(jié)語(yǔ)
任何連網(wǎng)設(shè)備都面臨安全威脅，這些威脅無(wú)處不在，并且不斷變化?；谲浖陌踩夹g(shù)曾經(jīng)效果良好，但現(xiàn)在已成為潛在的攻擊目標(biāo)。硬件方法現(xiàn)在被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)全面且穩(wěn)健的安全機(jī)制唯一可行的方法。（原文來(lái)源：IoVSecurity）
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