嵌入式設(shè)備一直很容易受到攻擊。近年來(lái)發(fā)生的變化是黑客訪問(wèn)這些設(shè)備的能力。由于使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)互連它們的增長(zhǎng)，用于保護(hù)工業(yè)控制器和類(lèi)似設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中的氣隙已被填補(bǔ)。引入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是為了增加便利性和靈活性，但它們也為黑客發(fā)起攻擊提供了一種簡(jiǎn)單的方法。需要的是能夠抵御攻擊的設(shè)備，使用多種技術(shù)來(lái)支持高安全性。

　　安全強(qiáng)化的關(guān)鍵是一組基本構(gòu)建塊，當(dāng)它們一起使用時(shí)，可以拒絕黑客攻擊并保持完整性。啟用無(wú)線的設(shè)備需要確保它能夠保持對(duì)自己的代碼和數(shù)據(jù)的控制，并支持與遠(yuǎn)程端點(diǎn)的私有通信，這些端點(diǎn)可以提供必要的可信認(rèn)證。

　　設(shè)備身份驗(yàn)證必不可少的一個(gè)例子是中間人攻擊。這是一種攻擊，其中黑客攔截兩個(gè)合法設(shè)備之間的通信并竊聽(tīng)對(duì)話，并更改他們收到的數(shù)據(jù)包，以獲取對(duì)其中一個(gè)或兩個(gè)設(shè)備的機(jī)密或條目的訪問(wèn)權(quán)限。針對(duì)啟用了 Wi-Fi 的設(shè)備的常見(jiàn)攻擊是創(chuàng)建一個(gè)偽裝成合法路由器的接入點(diǎn)，將操縱的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到真正的接入點(diǎn)和設(shè)備本身。使用此類(lèi)技術(shù)，攻擊者可能會(huì)了解執(zhí)行成功登錄所需的訪問(wèn)代碼，或者他們可能會(huì)注入導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障的虛假數(shù)據(jù)或惡意軟件。

　　因此，受保護(hù)的對(duì)話很重要，這表明使用加密技術(shù)使?jié)撛诠粽叩母`聽(tīng)變得更加困難。但是，密碼學(xué)支持極大地簡(jiǎn)化了創(chuàng)建安全設(shè)備的工作。

　　每個(gè)安全物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的中心都需要有一個(gè)信任根。這是計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和軟件可以完全信任的嵌入式設(shè)備中的一組功能。在當(dāng)今的設(shè)備中，信任根是通過(guò)使用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施 （PKI） 加密來(lái)保證的——這種機(jī)制可以檢查任何設(shè)備的真實(shí)性及其操作的有效性。

　　如今，PKI 對(duì)于在高度分布式環(huán)境中成功利用密碼學(xué)至關(guān)重要。PKI 是圍繞創(chuàng)建非對(duì)稱(chēng)使用的加密密鑰對(duì)而構(gòu)建的。一種是可以自由分發(fā)的公鑰，用于加密發(fā)送給私鑰持有者的消息。與對(duì)稱(chēng)密鑰系統(tǒng)相比，跨公共網(wǎng)絡(luò)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)傳輸公鑰的能力大大提高了基于加密的安全性的可擴(kuò)展性。

　　由于對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)使用相同的密鑰進(jìn)行加密和解密，因此必須始終對(duì)未經(jīng)授權(quán)的用戶保密。這使得向用戶提供受信任的密鑰變得極其困難，因?yàn)樗麄儽仨毷褂锰娲摹⒏叨刃湃蔚那肋M(jìn)行通信才能獲得密鑰。

　　在 PKI 下，只有私鑰的持有者才能解密公鑰持有者發(fā)送的消息。因此，密鑰必須保密。但是，PKI 支持的協(xié)議意味著永遠(yuǎn)不需要將私鑰發(fā)送給另一個(gè)用戶。所有通信都可以通過(guò)使用公鑰和使用私鑰進(jìn)行數(shù)字簽名的證書(shū)來(lái)支持。

　　PKI 事務(wù)可能是計(jì)算密集型的，這可能使其難以在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。然而，使用專(zhuān)用協(xié)處理器將減輕處理來(lái)自主處理器的密鑰和加密數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。德州儀器（TI） SimpleLink CC3220 無(wú)線微控制器上提供了這種協(xié)處理器。CC3220 解決方案將 Wi-Fi 收發(fā)器、TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)和加密引擎與基于 ARM? Cortex?-M4 MCU 的微處理器相結(jié)合。

　　圖 1：CC3220 的框圖。

　　互聯(lián)網(wǎng)上幾乎普遍使用的傳輸層安全 （TLS） 協(xié)議基于 PKI，可防止竊聽(tīng)并有助于防止中間人攻擊。但是，使用 PKI 核心，可以超越消息加密和保護(hù)。該內(nèi)核可以與精心設(shè)計(jì)的硬件功能結(jié)合使用，為嵌入式系統(tǒng)建立信任根，確保設(shè)備只能運(yùn)行授權(quán)代碼，然后只能與網(wǎng)絡(luò)中其他地方的授權(quán)設(shè)備通信。

　　信任根背后的想法是，只有已由受信任方簽名的代碼才允許在啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行，并且該代碼只能由同一受信任方更改。引導(dǎo)代碼的關(guān)鍵因素是它使用 PKI 技術(shù)進(jìn)行數(shù)字簽名，創(chuàng)建一個(gè)與代碼本身內(nèi)容相關(guān)的哈希值。此簽名過(guò)程通常由首先獲得或生成受制造商私鑰保護(hù)的基于 PKI 的數(shù)字證書(shū)的設(shè)備制造商執(zhí)行。用于此過(guò)程的數(shù)字證書(shū)通常源自由高信任機(jī)構(gòu)生成的根證書(shū)。

　　當(dāng)加載到設(shè)備中并使用匹配的公鑰進(jìn)行分析時(shí)，代碼簽名需要與二進(jìn)制文件的內(nèi)容精確匹配。對(duì)軟件的任何更改都會(huì)將哈希標(biāo)記為無(wú)效，并且設(shè)備應(yīng)拒絕從該映像啟動(dòng)。這有助于防止以操縱存儲(chǔ)圖像為中心插入惡意代碼的攻擊。

　　公共代碼驗(yàn)證密鑰需要與設(shè)備自己的私鑰一起存儲(chǔ)在安全內(nèi)存中，它將用于生成可信密鑰對(duì)以與其他設(shè)備進(jìn)行通信。CC3220 上提供了這樣的功能。除了對(duì)代碼驗(yàn)證密鑰和本地系統(tǒng)的私鑰進(jìn)行安全存儲(chǔ)外，該設(shè)備還提供受信任的根證書(shū)目錄，可用于驗(yàn)證設(shè)備制造商或服務(wù)運(yùn)營(yíng)商提供的其他數(shù)字簽名的真實(shí)性。

　　需要從服務(wù)器發(fā)送的代碼更新和其他安全數(shù)據(jù)可以使用類(lèi)似的過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，如圖 2 所示。首先，服務(wù)器生成一個(gè)公鑰/私鑰對(duì)并將公共版本傳遞給設(shè)備。這用于生成臨時(shí)密鑰對(duì)。派生的公鑰被傳輸?shù)綉?yīng)用服務(wù)器。加密文件可以通過(guò)不安全的通道（例如 Wi-Fi）傳輸，并在設(shè)備上解密一次，然后對(duì)其簽名進(jìn)行最終的真實(shí)性檢查。

　　圖 2：用于向設(shè)備提供安全內(nèi)容的過(guò)程。

　　如果簽名不匹配，任何未經(jīng)授權(quán)的代碼或數(shù)據(jù)更新都可能被拒絕。此外，保護(hù)設(shè)備免受涉及更新過(guò)程中重置引起的中斷的攻擊。潛在地，具有部分安裝固件的設(shè)備可能容易受到利用軟件在重新啟動(dòng)時(shí)處于不確定狀態(tài)的攻擊。在 CC3220 上，重置后會(huì)觸發(fā)自動(dòng)回滾，以確保只有完全安裝且經(jīng)過(guò)認(rèn)證的固件才能運(yùn)行。

　　CC3220 提供進(jìn)一步的篡改檢測(cè)和保護(hù)功能。理想情況下，信任根使用 PKI 操作將受信任區(qū)域從自身擴(kuò)展到覆蓋系統(tǒng)的其他元素，例如在執(zhí)行前簽名和檢查的應(yīng)用程序代碼。但是，有可能在工廠引入惡意代碼，或者運(yùn)行各種服務(wù)的需要涉及加載不受信任的代碼。另一種情況可能是黑客獲得對(duì)設(shè)備的物理訪問(wèn)權(quán)限，并通過(guò)直接操縱內(nèi)存總線引入自己的代碼。CC3220 中的安全警報(bào)計(jì)數(shù)器跟蹤訪問(wèn)違規(guī)，例如嘗試使用無(wú)效或不正確的安全令牌讀取或?qū)懭胛募?。?dāng)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)定義的安全警報(bào)限制時(shí)，設(shè)備將被鎖定。要從鎖定狀態(tài)中恢復(fù)。

　　圖 3：CC3220 的安全特性。

　　在 CC3220 等設(shè)備上安裝硬件加密引擎的優(yōu)勢(shì)在于，處理器無(wú)需加載可能不受信任的代碼即可運(yùn)行 PKI 算法，然后它就可以測(cè)試引導(dǎo)軟件的其余部分的來(lái)源。加密和安全功能的代碼不僅由與主 Cortex-M4 內(nèi)核一起運(yùn)行的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)處理器執(zhí)行，而且存儲(chǔ)在 ROM 中，因此攻擊者無(wú)法修改它——即使是對(duì)系統(tǒng)具有物理訪問(wèn)權(quán)限的攻擊者。

　　結(jié)論

　　結(jié)果是高度安全的無(wú)線微控制器的基礎(chǔ)，它可以兌現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的承諾，成為一個(gè)安全、安全但靈活的智能控制環(huán)境。軟件開(kāi)發(fā)人員需要采取其他措施來(lái)避免打開(kāi)安全漏洞，但通過(guò)使用加密和僅與受信任方通信，攻擊者獲得設(shè)備訪問(wèn)權(quán)限的可能性大大降低。