該標(biāo)準(zhǔn)概括了保護(hù)固件的三大關(guān)鍵原則：
? 保護(hù)? –?? 通過阻止對(duì)組件SPI存儲(chǔ)器的保護(hù)區(qū)域?qū)嵤┪唇?jīng)授權(quán)的寫入或者清除全部或部分固件的惡意行為，從而確保組件的固件處于穩(wěn)定狀態(tài)。在有些情況下，甚至對(duì)保護(hù)區(qū)的讀取的操作也是禁止的。
? 檢測(cè) – 在組件的處理器從固件啟動(dòng)之前，可以先驗(yàn)證來自原始設(shè)備制造商的固件更新包。若檢測(cè)到固件有破壞或未經(jīng)授權(quán)，則啟動(dòng)恢復(fù)過程。
? 恢復(fù) – 若檢測(cè)到固件被篡改或被破壞，處理器將從上一個(gè)可信固件版本（即“黃金鏡像”）啟動(dòng)，或者通過可信進(jìn)程獲得新的固件，啟動(dòng)全系統(tǒng)的恢復(fù)。
PFR需要基于硬件的可信根
根據(jù)NIST的這一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)安全的PFR功能需要可信根（RoT）器件對(duì)服務(wù)器的固件執(zhí)行保護(hù)、檢測(cè)和恢復(fù)操作。符合NIST標(biāo)準(zhǔn)的RoT器件必須在啟動(dòng)之前、且不借助任何其他外部組件的情況下對(duì)其固件進(jìn)行以上操作。
硬件RoT解決方案必須擁有以下特點(diǎn)：
? 可擴(kuò)展?? – RoT器件必須通過外部SPI鏡像實(shí)現(xiàn)保護(hù)、檢測(cè)和恢復(fù)功能，同時(shí)具備毫微秒級(jí)響應(yīng)速度。這需要專用處理和I/O接口，保證服務(wù)器的性能不受影響。
? 不可繞過 – 未經(jīng)授權(quán)的固件不能繞過RoT器件，從而無法從受損的固件啟動(dòng)服務(wù)器。
? 自我保護(hù)?? – RoT器件必須動(dòng)態(tài)地應(yīng)對(duì)不斷變化的攻擊面（設(shè)備或系統(tǒng)中未經(jīng)授權(quán)的用戶可以訪問的所有節(jié)點(diǎn)），保護(hù)自身免受外部攻擊。
? 自我檢測(cè) – RoT器件必須能夠使用不可繞過的加密硬件模塊檢測(cè)未授權(quán)的固件。
? 自我恢復(fù) – 當(dāng)設(shè)備發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)的固件時(shí)，RoT器件必須能夠自動(dòng)切換到上一個(gè)黃金固件映像，確保服務(wù)器繼續(xù)運(yùn)行。

圖 2：NIST SP 800-193標(biāo)準(zhǔn)：平臺(tái)固件保護(hù)恢復(fù)

如圖3所示，RoT器件首先上電，并通過加密方式檢查所有組件的固件，以及是否有未經(jīng)授權(quán)的修改。若RoT器件檢測(cè)到任何破壞，則啟動(dòng)可信固件恢復(fù)過程。在極端情況下，若電路板上的所有固件全部受損，RoT器件還可以利用存儲(chǔ)在該器件中的可信固件進(jìn)行全系統(tǒng)恢復(fù)（通過BMC）。BMC從可信固件啟動(dòng)后，從系統(tǒng)外部取得已知可?????? 信的固件替代被破壞的固件版本。RoT器件隨后再次驗(yàn)證所有固件，然后啟動(dòng)電路板的上電程序，在此過程中板上所有組件都將上電，并強(qiáng)制從已知的完好固件鏡像中啟動(dòng)，最后開始正常工作。
為保證SPI存儲(chǔ)器不再遭受入侵，RoT將主動(dòng)監(jiān)測(cè)SPI存儲(chǔ)器和對(duì)應(yīng)處理器之間的所有活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)惡意更新固件的行為后，阻止安裝更新。
實(shí)現(xiàn)符合NIST標(biāo)準(zhǔn)的PFR解決方案
PLD上實(shí)現(xiàn)可信根的難點(diǎn)在于，實(shí)現(xiàn)方案的同時(shí)不給原始設(shè)備制造商帶來過大的負(fù)擔(dān)?？尚鸥布鉀Q方案（包括基于PLD的解決方案）必須可擴(kuò)展，也就意味著它能夠保護(hù)服務(wù)器上的所有固件，同時(shí)響應(yīng)時(shí)間達(dá)到毫微秒 級(jí)。它還要能夠使用不可修改的加密模塊，通過加密檢測(cè)來確定固件是否遭到篡改。將PFR與服務(wù)器所有組件完整的啟動(dòng)時(shí)序控制功能相結(jié)合，RoT就變得不可繞過。最后，解決方案還應(yīng)能夠自動(dòng)切換回最近的黃金固件鏡像，以便在發(fā)現(xiàn)當(dāng)前固件被破壞時(shí)服務(wù)器可以繼續(xù)運(yùn)行。
按照定義，基于硬件的RoT器件自然需要在芯片中實(shí)現(xiàn)。在此情況下，最常用的芯片平臺(tái)即微控制器（MCU）和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。在充分考慮到FPGA和MCU的運(yùn)行特點(diǎn)和特性后，我們發(fā)現(xiàn)FPGA在很大程度上更適用于PFR解決方案
使用MCU實(shí)現(xiàn)可信根
MCU過去常在服務(wù)器硬件產(chǎn)品中用于構(gòu)建可信根。簡(jiǎn)單來說，就是保留MCU層的一部分為可信執(zhí)行環(huán)境。MCU 的這一部分與芯片的其他區(qū)域保持物理隔離，并持續(xù)監(jiān)控固件，確保其獲得授權(quán)并正常工作。通常來說，服務(wù)器上的PFR功能是通過向現(xiàn)有的硬件架構(gòu)上添加RoTMCU實(shí)現(xiàn)的。
MCU通常難以支持驗(yàn)證服務(wù)器中的多個(gè)固件實(shí)例。這是因?yàn)樗鼰o法在沒有外部設(shè)備（如PLD）的幫助下響應(yīng)對(duì)服????? 務(wù)器所有固件實(shí)例的系統(tǒng)內(nèi)部攻擊（而PLD能實(shí)時(shí)監(jiān)控SPI存儲(chǔ)器的流量并同步檢測(cè)和響應(yīng)入侵行為）。
如圖4所示，使用MCU實(shí)現(xiàn)PFR的三個(gè)組件為：
? RoTMCU– RoT MCU執(zhí)行檢測(cè)、恢復(fù)和保護(hù)功能；它是實(shí)現(xiàn)RoT的核心組件。
? 保護(hù)PLD– 通過實(shí)時(shí)監(jiān)控所有組件處理器與其SPI存儲(chǔ)器設(shè)備之間的活動(dòng)，大規(guī)模實(shí)現(xiàn)PFR，全面保護(hù)電路板。
? 控制PLD– 該器件集成了所有電路板級(jí)的上電和復(fù)位時(shí)序功能，包括風(fēng)扇控制、SGPIO、I2C緩沖、信號(hào)集成和帶外通信等啟動(dòng)主板必須的功能。RoTMCU命令控制PLD為電路板上電。若需要在極端情況進(jìn)行恢復(fù)，RoTMCU則命令控制PLD僅為可信恢復(fù)過程中使用的部分電路板供電。

圖 3：如果需要各組件同時(shí)啟動(dòng)，那么符合PFR標(biāo)準(zhǔn)、使用MCU作為可信根的服務(wù)器還需要額外的組件（FPGA） 來提供必要的高性能；在大規(guī)模的服務(wù)器應(yīng)用場(chǎng)景下，此種解決方案不可擴(kuò)展

這種基于MCU的PFR方案有諸多限制。例如，圖4電路中使用的控制PLD無法保護(hù)自身固件，也就意味著這種架構(gòu)并非完全符合NIST PFR的要求。控制PLD的代碼仍有可能被修改，讓RoTMCU失效。還有可能受到永久拒絕服務(wù)攻擊（PDoS），通過刪除這些PLD上的信息，讓系統(tǒng)無法運(yùn)行，從而使讓服務(wù)器無法啟動(dòng)。保護(hù)和控制PLD 存在的安全漏洞使得組件在運(yùn)輸或者系統(tǒng)集成過程中很難防止對(duì)固件的攻擊。為了達(dá)到NIST SP 800 193標(biāo)準(zhǔn)，RoTMCU必須同時(shí)為控制PLD和保護(hù)PLD實(shí)現(xiàn)PFR功能。而使用MCU在這些器件上實(shí)現(xiàn)恢復(fù)和保護(hù)功能非常困難。最后，基于MCU的方案需要額外的系統(tǒng)級(jí)進(jìn)程來檢測(cè)試圖繞過整個(gè)RoT電路的攻擊行為。
使用FPGA實(shí)現(xiàn)可信根
?

Root-of-TrustFPGA
圖 4：RoT FPGA解決方案將RoTMCU、控制PLD和保護(hù)PLD的功能集成在單個(gè)芯片上，不僅可靠、易擴(kuò)展，而且不可繞過。在擁有符合PFR標(biāo)準(zhǔn)的PLD的服務(wù)器上，PLD的性能足以并行監(jiān)測(cè)所有組件的固件而無需使用額外的FPGA

基于可信根FPGA的PFR方案的優(yōu)勢(shì)
正如其名，可編程邏輯電路（PLD）是一種幾乎可以瞬時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程重新編程的集成電路，以適應(yīng)不斷變化的場(chǎng)景。PLD可以在硬件層面上改變其電路，因此一旦檢測(cè)到未經(jīng)授權(quán)的固件，該固件就無法安裝。
由于PLD被設(shè)計(jì)為可重新編程，因此比MCU有更多的I/O接口，這讓它們可以并行運(yùn)行多個(gè)功能而非按順序執(zhí)行。 因此它們?cè)跈z測(cè)未授權(quán)固件時(shí)，識(shí)別和響應(yīng)速度更快。
此外，PLD使用了先進(jìn)的仿真軟件，讓工程師得以驗(yàn)證其PLD設(shè)計(jì)的功能。工程師還可以使用這一工具來測(cè)試其針對(duì)各種固件的網(wǎng)絡(luò)攻擊的設(shè)計(jì)是否可以保護(hù)PLD自身。與PLD相比，MCU的固件更新需要更復(fù)雜的測(cè)試和驗(yàn)證，因?yàn)镸CU不能通過仿真支持功能驗(yàn)證。相反，MCU固件的任何更新都必須經(jīng)過多次回歸（試錯(cuò)過程）測(cè)試， 以確保新固件不會(huì)對(duì)MCU中的其他功能產(chǎn)生不良影響；這一過程遠(yuǎn)比運(yùn)行PLD仿真軟件繁瑣。
當(dāng)我們對(duì)比PLD和MCU的特點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)PLD能提供性能更優(yōu)、更為可靠的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于硬件的可信根；它也成為滿足PFR標(biāo)準(zhǔn)的必要器件。
應(yīng)對(duì)供應(yīng)鏈攻擊：MCU vs. FPGA PFR解決方案
如果出現(xiàn)固件攻擊，兩種不同類型的PFR系統(tǒng)將采取以下應(yīng)對(duì)措施（按照實(shí)施順序）：

RoT MCU

RoT FPGA

檢測(cè)：RoTMCU對(duì)所有的SPI存儲(chǔ)器設(shè)備按順序執(zhí)行加密檢測(cè)，以檢測(cè)是否存在未經(jīng)授權(quán)的固件。 遭受入侵的控制PLD（在供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)）可以繞過RoTMCU的檢測(cè)，讓BMC從受損的鏡像啟動(dòng)。

檢測(cè)：RoT FPGA對(duì)所有的SPI存儲(chǔ)器設(shè)備按順序執(zhí)行加密檢測(cè)，以檢測(cè)是否存在未經(jīng)授權(quán)的固件。FPGA在 其片上非易失性存儲(chǔ)器中記錄故障情況用于之后的分析。RoTFPGA可保護(hù)自身免受來自供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的攻擊。

若檢測(cè)到受損的固件，恢復(fù)過程則由管理啟動(dòng)源SPI存 儲(chǔ)器的保護(hù)PLD，或通過控制或保護(hù)PLD啟動(dòng)并由RoTMCU監(jiān)控。

基于FPGA的系統(tǒng)將此功能集成到其硬件中。RoT和ControlPLD之間不需要進(jìn)行外部通信。這使得解決方案更加可靠且不再受外部攻擊影響。

服務(wù)器完全啟動(dòng)后，保護(hù)PLD會(huì)主動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)視所有的SPI活動(dòng)以阻止后續(xù)攻擊，并在檢測(cè)到入侵時(shí)通知RoT MCU。

最終的解決方案更簡(jiǎn)單，完全符合NIST的標(biāo)準(zhǔn)。

PFR開發(fā)套件簡(jiǎn)化FPGA可信根方案的實(shí)現(xiàn)
萊迪思現(xiàn)提供一款PFR開發(fā)套件，可簡(jiǎn)化FPGA RoT解決方案的實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器組件的原始設(shè)備制造商和系統(tǒng)集成商如今可以快速實(shí)現(xiàn)基于FPGA的PFR，滿足上市時(shí)間的要求。該套件包括一個(gè)軟件功能庫(kù)、相關(guān)的IP和3個(gè)開發(fā)板，用于實(shí)現(xiàn)PFR（包括保護(hù)PLD功能）。用戶可以通過Lattice Diamond軟件工具將電路板控制PLD功能添加到RoTFPGA設(shè)計(jì)中。萊迪思PFR開發(fā)套件和開發(fā)板包括：
? 一個(gè)RoTFPGA開發(fā)板
? 一塊運(yùn)行Python腳本的ECP5FPGA板，用于模擬服務(wù)器的BMC。開發(fā)人員可以通過Python腳本執(zhí)行命令來模擬對(duì)組件SPI存儲(chǔ)器的攻擊。
? 一個(gè)PFR適配卡，用于在SPI存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)BMC代碼。在開發(fā)板的RoTFPGA中實(shí)現(xiàn)的PFR功能可以保護(hù)PFR適配卡固件免受攻擊（意味著基于FPGA的該解決方案符合NISTPFR標(biāo)準(zhǔn)）。
萊迪思套件讓用戶能夠設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和維護(hù)符合NIST標(biāo)準(zhǔn)的自定義PFR方案，而無需專門的安全專業(yè)知識(shí)。

圖 5：Lattice FPGA RoT開發(fā)套件擁有三塊開發(fā)板：RoTFPGA開發(fā)板，用于模擬服務(wù)器BMC的ECP5開發(fā)板和用于存儲(chǔ)模擬BMC固件的SPI閃存板

小結(jié)
對(duì)于涉足數(shù)字領(lǐng)域的企業(yè)和組織而言，網(wǎng)絡(luò)安全是個(gè)至關(guān)重要的問題。如今黑客會(huì)通過攻擊企業(yè)服務(wù)器固件來獲取未經(jīng)授權(quán)訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)的權(quán)限，或者直接讓服務(wù)器永久癱瘓。而通過基于FPGA的RoT器件實(shí)現(xiàn)的PFR則能有效解決這一難題，提供安全可靠、容易擴(kuò)展、全套完備的方案，在供應(yīng)鏈的任何環(huán)節(jié)保護(hù)服務(wù)器組件的固件。全新的萊迪思PFR開發(fā)套件為加速和簡(jiǎn)化RoT器件的開發(fā)提供了便捷途徑，確保你的服務(wù)器安全無虞。