嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有了新的網(wǎng)絡(luò)安全武器，可以保證信息安全、防止篡改和建立可信任的系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的規(guī)模和復(fù)雜性不斷上升，對主動的強(qiáng)化安全措施的需求日益增加。僅利用軟件安全功能已經(jīng)不足以應(yīng)對已知的網(wǎng)絡(luò)威脅，更有效的方法是采用分層技術(shù)戰(zhàn)略，這種戰(zhàn)略以采用能夠提供IC級硬件可信根的新一代系統(tǒng)級芯片(SoC) FPGA開始。在此堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)之上，應(yīng)采用可擴(kuò)展的解決方案，包括根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)合適的方式來選擇其它元件，比如用于動態(tài)數(shù)據(jù)、使用中的數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)的安全措施，以及加密和軟件保護(hù)。

目前，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施比以前更容易受到攻擊，使安全挑戰(zhàn)變得更為復(fù)雜。連接IoT器件的數(shù)量呈指數(shù)級增長，增大了硬件和嵌入式系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和信息系統(tǒng)所安裝的聯(lián)網(wǎng)器件日益復(fù)雜，種類繁多，因而必須采用合適的安全級別和主動性的保護(hù)方法進(jìn)行保護(hù)，這些保護(hù)方法應(yīng)根據(jù)威脅的數(shù)量、頻率和類型進(jìn)行優(yōu)化。

采取多層方法

恰當(dāng)?shù)陌踩仨毷强蓴U(kuò)展的，而且必須是以IC級硬件可信根開始(圖1)。為了確保硬件、實(shí)施設(shè)計(jì)安全和鎖定數(shù)據(jù)安全，其它部件技術(shù)和支持元件也是必不可少的。

第一組技術(shù)和支持元件用于保證信息安全，采用物理反克隆功能(PUF)、高級加密加速器，以及專利許可的抗差分功率分析(DPA)功能，通過密匙存儲傳輸信息。

圖1：多層方法是確保硬件安全、實(shí)施設(shè)計(jì)安全和鎖定數(shù)據(jù)安全是必不可少的。

第二組技術(shù)包括防篡改能力。這組技術(shù)包括安全比特流、篡改檢測和響應(yīng)，以及防止復(fù)制、克隆或反克隆向工程的機(jī)制。

第三組是建立可信任的系統(tǒng)，通過許可和認(rèn)證的專利保護(hù)抗DPA、NIST認(rèn)證的加密加速器和安全供應(yīng)鏈來實(shí)現(xiàn)。

FPGA提供系統(tǒng)可信根

新一代SoC FPGA具有建立系統(tǒng)可信根必須的各種特性，而系統(tǒng)可信根是防止關(guān)鍵數(shù)據(jù)受到攻擊的必要基礎(chǔ)。

例如，目前的FPGA提供許可的、專利的和認(rèn)證的DPA保護(hù)，確保防止設(shè)計(jì)知識產(chǎn)權(quán)(IP)被復(fù)制和被逆向工程。DPA保護(hù)還通過驗(yàn)證FPGA是可信的而提供供應(yīng)鏈保證。目前的SoC FPGA還對照器件證書的認(rèn)證參數(shù)，及通過證明唯一的器件密鑰而提供驗(yàn)證。這種技術(shù)是確保正在被編程的器件不會構(gòu)成供應(yīng)鏈偽造問題的最有效方法。

圖2：美高森美SmartFusion2 SoC FPGA利用內(nèi)置設(shè)計(jì)安全特點(diǎn)保護(hù)有價(jià)值的

設(shè)計(jì)IP。

除保護(hù)IP以外，目前的FPGA還通過防止產(chǎn)品逆向工程來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全。通過加密和保護(hù)配置比特流，以確保基于FPGA之設(shè)計(jì)的安全。當(dāng)檢測到篡改時(shí)，器件必須能夠識別這種未經(jīng)授權(quán)的訪問，將所有值重新設(shè)置為零。這樣做顯著減少了攻擊成功的機(jī)會。為了進(jìn)一步加強(qiáng)保護(hù)使用中的數(shù)據(jù)，集成許可DPA對抗措施，加強(qiáng)FPGA抵抗危險(xiǎn)的DPA密匙提取攻擊的能力。更好的是集成特殊的安全鎖定位特點(diǎn)使FPGA能夠定義安全屏障，從而在使用某些系統(tǒng)能力之前要求授權(quán)。

除DPA保護(hù)和防篡改能力之外，提供系統(tǒng)可信根的其它關(guān)鍵FPGA特點(diǎn)包括加密比特流、多密匙存儲元件、安全閃存和集成PUF。

增加安全層

采用SoC FPGA提供設(shè)計(jì)硬件可信根，下一步是采取國防部稱為“深度防御”的方法，在整個(gè)系統(tǒng)增加多個(gè)安全層。有關(guān)硬件解決方案提供多個(gè)IA層和加密技術(shù)支持，保證軟件應(yīng)用、FPGA和SoC設(shè)計(jì)中靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)和使用中的數(shù)據(jù)的安全。

對于靜態(tài)數(shù)據(jù)，存儲器是重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。嚴(yán)苛的嵌入式計(jì)算應(yīng)用最好是采用可靠性高的安全SSD。高度安全的SSD必須防止敏感數(shù)據(jù)受到威脅，同時(shí)減少存儲媒體固有的脆弱性。因此，為了實(shí)現(xiàn)最佳信息安全保證，必須采用具有硬件加密和丟失預(yù)防功能的強(qiáng)化SSD。

為了保護(hù)動態(tài)數(shù)據(jù)，可以采用與以太網(wǎng)配合的新方法，因?yàn)橐蕴W(wǎng)在層2(L2)操作，其自身的加密協(xié)議在IEEE 802.1AE MACsec標(biāo)準(zhǔn)中定義。解決方案的安全強(qiáng)度與安全實(shí)施層之間存在直接聯(lián)系。由于這種關(guān)系，以太網(wǎng)連接要求L2安全加密。目前有幾種安全解決方案，可在任何網(wǎng)絡(luò)(包括多運(yùn)營商和基于云的網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn)基于流動、端至端IEEE 802.1AE MACsec安全加密。這種安全與網(wǎng)絡(luò)是否感知到安全協(xié)議無關(guān)，而物理層解決方案(PHY)提供128/256位AES加密，以應(yīng)對不斷演變的網(wǎng)絡(luò)威脅。

不管是靜態(tài)數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)或使用數(shù)據(jù)，都應(yīng)該采用多層加密以確保安全。一個(gè)實(shí)例是采用軟件加密，降低從靜態(tài)或運(yùn)行時(shí)間存儲器提取加密密匙時(shí)會出現(xiàn)的安全脆弱性?；谲浖男录夹g(shù)提供有利的密匙隱藏解決方案，采用廣泛的算法和平臺支持來保護(hù)密碼和加密密匙。

另一個(gè)必須保護(hù)的重要系統(tǒng)元件是同步定時(shí)，特別是關(guān)鍵通信基礎(chǔ)設(shè)施的同步定時(shí)。許多組織信賴公開獲得的時(shí)間服務(wù)器提供協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)來源。為了傳輸這些UTC來源及維持全面安全的定時(shí)基礎(chǔ)設(shè)施，必須有產(chǎn)生、分配和使用精確時(shí)間的穩(wěn)健的端對端定時(shí)解決方案。

要將這些元件集成在一起，通常需要專業(yè)技術(shù)，部件供應(yīng)商贊助的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室向開發(fā)人員提供嵌入式系統(tǒng)安全的資源。這些中心聘用安全和系統(tǒng)分析家、加密學(xué)家及硬件和軟件工程師，通過協(xié)同合作來幫助他們規(guī)劃保護(hù)戰(zhàn)略，對風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)，對黑匣子設(shè)計(jì)進(jìn)行評估，并執(zhí)行安全工程及其它重要任務(wù)，從而為公司提供寶貴的交叉-垂直專業(yè)技術(shù)。

對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，網(wǎng)絡(luò)安全非常重要。目前的SoC FPGA為多層解決方案提供可信根基石，保護(hù)關(guān)鍵項(xiàng)目的信息和技術(shù)安全。建立風(fēng)險(xiǎn)合適的解決方案需要適當(dāng)組合合適的技術(shù)和能力，以擴(kuò)展安全解決方案，從而應(yīng)對不斷演變的威脅。