用隐形钥匙保护物联网

来源:IP与SoC设计发布时间:2022-03-221827浏览

具有不可克隆身份的物联网安全：依赖信任链，而不是信仰

随着连接到物联网（IoT）的设备数量不断增加，对这些设备的强大安全解决方案的需求也随之增加。物联网的安全问题不应该事后才想起，应当防微杜渐。因为产品的违规行为会造成严重的损失和高达数千万美元的责任索赔。本白皮书通过查看需要建立的连接设备的最基本资产来解决安全需求：保护数据和验证设备对网络和彼此进行身份验证所需的密钥和身份。

这些资产是任何安全架构的核心。该概述设置了需要这些资产的原因和地点，展示了芯片供应商和设备制造商的观点，并比较了生成和存储这些重要资产的不同方法。除了传统的方法，还有另一种方法是基于静态随机存取存储器（SRAM）的物理不可克隆函数（PUF）。我们将展示基于PUF的方法如何提供安全、成本、灵活性和集成的最佳组合，以创建一个具有不可克隆和不可变密钥和身份的信任锚。

万物互联？那么一切都有风险!

我们生活在万物互联的时代。每天都有越来越多的设备被连接到互联网上，这些设备在没有人类用户或管理员干预的情况下相互交流。我们都知道这种连接设备的例子，但即使是经验丰富的专业人士在发现一种新型设备被连接到互联网时，也常常感到惊讶："为什么想要连接这个？" 物联网可以细分为许多垂直市场，例如智能家居、工业物联网和汽车等等。

将数十亿台设备连接到互联网，为芯片供应商、设备制造商和服务提供商带来了无尽的新商机，例如大数据分析和预测性维护，并为终端用户带来了越来越多的便利。然而，根据Beckstrom的网络安全法则：

i）任何连接到网络的东西都可能被黑客入侵，ii）一切都被连接到网络，所以iii）所有东西都是易受攻击的。

没有任何一个细分市场能够逃脱网络犯罪分子和安全研究人员的相互角力，不论公司大小都是犯罪者的目标。一些令人心痛的网络犯罪案例已经通过新闻产生了巨大的舆论影响。一些心脏起搏器制造商在安全研究人员发现安全漏洞后，不得不召回数十万台联网的心脏起搏器；一些黑客通过婴儿监视器监视我们；甚至部分重要的基础设施也经常受到攻击，一些并非黑客攻击最终目标的设备也被黑客入侵，在大规模的拒绝服务攻击中被用作客户端，例如著名的Mirai僵尸网络攻击。2016年，美国东海岸的互联网因此陷入中断。

诸如此类的攻击和发现的缺陷是我们思考物联网方式的一个转折点。这是否意味着我们应该停止将设备连接到互联网上？不，这只是意味着我们需要开始考虑将哪些设备连接到互联网，并在保护这些物联网设备时采取不同的行动。安全性应该从早期设计阶段就成为物联网产品的一部分，而且绝不应该为了降低制造成本和缩短上市时间，或因为你认为你的物联网设备对网络犯罪分子没有吸引力而忽略安全问题。如果一个物联网设备被黑客攻击，无论是从社会的角度还是从相关公司的经济角度来看，后果都可能是严重的。Altman Vilandrie & Company的研究表明，48%的受访公司最近遭遇了物联网安全漏洞带来的问题，每年损失了很大一部分收入——每次攻击可高达数千万美元。

限制物联网的攻击面

在行业内，对提高物联网安全性的需求的接受度正在增长。一些组织正在采取行动，促进物联网的最佳实践，例如物联网安全委员会和Arm，后者及其平台安全架构。各公司正在联合起来建立联盟，如西门子发起的 "信任宪章"。此外，垂直市场内的具体行动也正在部署，例如食品和药物管理局（FDA）针对联网医疗设备的部署。然而，由于物联网是一个非常分散的市场，每个垂直市场，甚至每个产品都有不同的要求、用例、功能和硬件。事实证明很难提出一个 "黄金标准"，使每一个物联网设备都能立即免受攻击。即使各国政府参与制定标准和方法，也往往很难找到正确的解决方案。举个例子，当英国政府决定为 "安全设计 "方法定义指导方针时，研究人员断言，该方法并没有产生很大的影响，因为它没有对不解决安全问题的供应商施加影响，而且该 "标准 "在技术上有缺陷。

图1.物联网设备的安全挑战

对物联网攻击面的研究表明，很大一部分威胁和攻击向量源于物联网网络基础信任的建立不足。物联网的信任基础是基于设备身份和加密密钥。它们构成了任何安全架构的基础，因此是至关重要的。需要唯一的设备身份来对应识别每个单独的设备，而加密密钥有许多用途，如验证设备的身份、保护设备之间的通信，以及加密静态和转换中的敏感数据。其中一些资产，如解密密钥或签名密钥，是非常敏感的，需要以高度安全的方式进行保护和存储。图 1 展示了将传感器数据传输到云服务的低成本 IoT 设备，概述了需要解决的不同安全挑战。

关于物联网安全的两个观点

正如前面所讨论的，为了建立信任的基础，物联网设备制造商显然需要将身份和密钥放入他们的设备，并确保这些资产的安全。参与此过程的物联网系统中的两个利益相关者是设备制造商和芯片供应商。让我们来看看他们的观点。

物联网设备制造商的观点

物联网产品的安全正迅速成为设备制造商最关心的问题。如果对其设备的攻击成功，他们将承担责任。此外，物联网的几个垂直市场利用安全标准，根据其安全水平将产品分为不同的类别。这种标准的一个例子是国际电工委员会（IEC）62443，它被用于工业物联网市场。该标准的安全级别对物联网设备的售价有直接影响。

同时，设备制造商需要尽快将他们的产品推向市场，专注于他们的终端用户所要求的产品功能。他们通常没有或只有有限的安全专业知识。一般来说，他们更愿意让他们的芯片供应商来负责实施所需的安全架构，因为他们通常拥有卓越的安全专业知识。

此外，由于物联网设备通常是低成本的设备，因此尽可能降低创建成本尤为重要。构建设备所需的组件越多，成本就越高。由于利润率非常重要，而且物联网市场的价格竞争非常激烈，设备制造商将不遗余力地保持低成本。

最后，供应链的复杂性对物联网设备制造商很重要。从不同的供应商那里购买多个组件，很快就会使这些公司的采购过程复杂化。尤其是当需要将密钥配置到供应链中的设备中时，该过程很快就会变得非常复杂，因为需要与供应链中的各方交换敏感密钥。交换密钥需要基础设施，并导致在传输过程中泄露密钥的风险。

芯片供应商的观点

与其他公司一样，芯片供应商希望为其客户创造尽可能多的价值。这意味着他们希望将越来越多的功能集成到他们的产品中，这样他们就能以更高的价格和更大的利润率出售产品。增加芯片功能的安全性是芯片供应商提高其产品价值的一种方式。尤其是在物联网市场，设备制造商希望保持低成本。如果芯片能够在不添加额外组件的情况下确保物联网设备的安全性，它就会变得更有价值。鉴于其产品的安全性正迅速成为物联网设备制造商最关心的问题，添加强大的安全解决方案是芯片供应商增加市场份额的驱动力。

除了增加芯片的总价值外，集成安全外设也可以通过差异化来推动。如果芯片供应商能够通过提供强大和创新的安全解决方案使自己从竞争对手中脱颖而出，它就能加强其竞争地位，甚至在对安全性需求增加的特定垂直物联网市场中创造竞争优势。芯片供应商目前向需要芯片内部密钥的客户提供的服务是密钥注入过程。这是一个劳动密集型的过程，它将设备的秘密暴露给许多潜在的不良行为者，造成不必要的责任。此外，将这一过程扩展到盈利和可管理的商业模式是困难的。因此，芯片供应商只会为他们最大的客户提供密钥供应服务，但他们宁愿不做。

最后，还有密钥存储的问题。传统的密钥存储机制，例如将密钥存储在一次性可编程 (OTP) 内存中，是依赖于进程的。在移植到其他技术节点时，它们需要额外的工作和 IP 许可。这是一个额外的负担，会对上市时间和成本产生负面影响，并且每次需要在新设计中集成安全性时，都有可能出现错误。芯片供应商更希望有一个统一的解决方案，适用于他们所有的芯片，不受工艺和技术节点的影响。

密钥生成和安全存储

在本节中，我们将讨论在物联网设备上获取密钥和身份的最广泛使用的传统方法。为了简单起见，我们将讨论限于在设备上提供根密钥。从根密钥导出设备的所有加密密钥和身份，以创建设备的信任链，如“使用 SRAM PUF 的灵活密钥配置”中所述。

根密钥是设备所有安全性所基于的主要机密。应保护此密钥免受：

- 被攻击者读出：这将使攻击者有机会解密通信和存储的数据并更改受信任的功能，从而危及整个系统

- 攻击者篡改：通过改变密钥，攻击者将能够在合法设备上安装他们自己的恶意代码

- 复制到其他设备：这将允许攻击者创建设备的工作副本，这可能会导致黑市上的假冒设备或物联网网络中未授权的设备

因此，为了确保设备、硬件和软件的组合、其数据及其通信得到保护，必须保护设备的根密钥。该密钥必须是不可变的，并且网络攻击者无法读取。接下来，我们概述了生成根密钥并将其存储在设备上的不同方法。我们区分了传统方法和基于 SRAM PUF 的密钥生成。

传统方法

安全元件

Globalplatform.org将安全元件（SE）定义为能够根据规则和安全要求安全地托管应用程序及其机密和加密数据（例如加密密钥）的防篡改平台（通常是单芯片安全微控制器），由公认的受信任的权威机构设置。

用于物联网设备的安全元件通常从芯片供应商处购买，所有必需的密钥都由该供应商预先配置在芯片上。这意味着，物联网设备制造商不需要处理为其设备配置密钥的问题，但SE 方法有很大的缺点，例如成本的增加和在采购、供应链和芯片间复杂性的增加。

密钥注入

在物联网设备上存储密钥的另一个选择是将密钥注入到芯片中，这可以发生在供应链中的许多地方。使用这种方法，根密钥是在电子设备之外生成并在生产过程中注入。通常情况下，这需要在供应链的早期阶段进行（例如在芯片制造商处），因为供应链上的许多方面都需要使用根密钥，例如在芯片分销或设备制造中。注入后，根密钥被存储在设备上。大多数广泛使用的嵌入式密钥存储方法是基于非易失性存储器（NVM），如电可擦除可编程只读存储器（EEPROM），闪存，或一次性可编程（OTP）存储器，例如保险丝和反熔断器。有了这些存储器类型，根钥匙的配置需要在灵活性、密钥暴露责任、成本、可靠性和安全性之间做出权衡。

随机数生成

为物联网设备提供密钥的第三种方法是在需要根密钥的芯片上使用内部随机数生成器（RNG），让它派生一个随机密钥并将其存储在 NVM 中。这意味着密钥生成是在内部处理的，但密钥存储与密钥注入方法相同。与密钥注入（假设目标芯片包含一个随机数生成器）相比，使用这种方法增加了供应链内的灵活性，但它对根密钥的实际存储方式没有任何影响。

替代方案：用SRAM PUF安全地生成密钥

除了这些传统的生成和存储根密钥的方法外，还有另一种方法是SRAM物理不可克隆函数，或SRAM PUF。SRAM PUF 使用任何数字芯片中可用的标准 SRAM 存储器的行为来提取独特的模式或“硅指纹”。它们几乎不可能克隆或预测。这使得它们非常适用于安全密钥生成和存储、设备身份验证、灵活的密钥配置和芯片资产管理等应用。

由于生产过程中固有的深亚微米工艺变化，SRAM单元中的每一个晶体管都有轻微随机的电特性。这种随机性表现在未初始化的SRAM存储器的启动值中。这些值形成了一个独特的芯片指纹，称为SRAM PUF响应。即使这些值在同一设备的启动之间有轻微的噪音，但它们会被转化为稳定的密钥，并为你的系统构成了良好的信任基础。

基于SRAM PUF的密钥生成和存储

Intrinsic ID提供知识产权（IP），可将芯片的这种略带噪音的指纹变成可靠的根密钥。每当系统需要根密钥时，IP就会可靠地重建它，而不需要在任何形式的存储器中储存这个根密钥。这意味着，当设备断电时，在任何存储器中都找不到密钥；实际上，根密钥对黑客来说是 "看不见的"。整个加密密钥树（从PUF根密钥开始）可以被（重新）创建，而不需要将它们存储在内存中，从而消除了设备对任何物理形式的安全存储的需求。关于SRAM PUF的基本功能的更多细节可在 "SRAM PUF：安全的硅指纹 "中找到，而关于如何使用该技术进行密钥供应的细节可在 "用SRAM PUF进行灵活的密钥供应 "中找到。

表1.在设备制造商优先级方面比较在设备中获取密钥的不同方法

表2.关于芯片供应商优先级的设备中获取密钥的不同方法的比较

对比不同的方法

在表1和表2中，我们比较并总结了本文所讨论的不同的密钥存储技术是如何满足设备制造商和芯片供应商的个性化需求，以及他们对安全性的共同需求的。基于这种比较，很明显SRAM PUF提供了安全性、成本、集成度和低复杂性的最佳组合。唯一性能接近SRAM PUF的方法是使用内部随机数发生器，将密钥存储在NVM中，这只是因为密钥是通过类似的方法产生的。但与SRAM相比，连接到内部 RNG 的传统密钥存储实现的根密钥实际存储的安全稳健性水平明显低于 SRAM PUF（参见图 2）。为了进一步解释这个问题，我们仔细研究一下将密钥存储在NVM中的安全特性和SRAM PUF的安全特性。

图2.不同密钥存储机制的安全稳健性与成本

在NVM中存储密钥

提供合法的硬件逆向工程服务的公司（如Silicon Intellectual Property Technology和Tech Insights）数量正在增长。他们的业务是帮助公司进行专利侵权的研究，并帮助芯片供应商暴露其自身安全设计的弱点。然而，对芯片进行逆向工程所需的技术也可供黑客和造假者使用。他们正在大规模应用这种技术来攻击市场上现有的芯片。

逆向工程的第一步也是最简单的步骤之一是打开芯片，读取NVM的内容，例如只读存储器（ROM）、闪存或EEPROM。因此，简单地将根密钥存储在这些存储器类型中不能被认为是安全的做法，因为已经多次证明这种敏感材料可以被提取。例如，为了防止敏感数据从闪存中被提取出来后可以使用，在存储数据之前应该对其进行加密。对于攻击者来说，没有密钥，提取加密的数据是没有用的。然而，如果你的设备上只有这些类型的NVM存储，你在哪里存储用于加密数据的密钥？因此，在这种情况下，你会遇到先有鸡还是先有蛋的问题。这就是为什么芯片供应商通常会寻找其他方法来存储他们芯片上的敏感数据。

OTP存储器是一种NVM，它只能被编程一次，之后就无法改变。同样，这是一种永久存储密钥材料的存储器类型，使攻击者有可能找到包含所存储秘密值的物理残留物。从安全的角度来看，反熔断器通常被认为是存储秘密材料的最佳方式。与其他形式的OTP（如普通熔断器）相比，反熔丝更难通过光学攻击读出。然而，即使对于这些更复杂的OTP存储器，读出秘密值的攻击也在增加。反熔丝技术的另一个缺点是，它是特定工艺的，并不总是标准CMOS制造工艺的一部分，这在芯片制造中造成了额外的开销和成本。

使用SRAM PUF存储密钥

如前所述，当使用SRAM PUF时，加密密钥和身份是由SRAM单元启动时的数字指纹得出的。这意味着秘密材料从未存储在内存中，并且在芯片上找不到导致秘密材料的物理痕迹。因此，使用SRAM PUF可以保护机密免受逆向工程攻击，这仅仅是由于机密没有以任何物理形式存在于芯片上。因此，除了消除了对芯片外部配置密钥的要求（因为它们是由内部的硅缺陷产生的）之外，使用SRAM PUF存储密钥还提供了其他形式密钥存储无法实现的安全级别，因为事实上，密钥没有物理存储在芯片上。这项技术已经过硅验证，已被用于保护超过1.5亿台设备，从高端芯片安全系统到低成本的微控制器。SRAM PUF正迅速被部署到物联网市场的密钥生成和存储中，为设备提供不可克隆的、不可改变的且本质上不可见的唯一身份。

现在我们已经展示了SRAM PUF是如何为根密钥提供一个强大的锚点，我们可以把注意力重新放回到图1中的物联网例子。该图显示了一个连接到互联网并与云服务进行通信。与一个云服务通信的物联网设备。为了以安全的方式实现这一目标，例如通过TLS，需要密钥和身份。信任锚提供了生成和存储公钥基础设施（PKI）非对称密钥对的方法，这些密钥对是建立与云的安全连接所需要的，并提供身份以在通信时对设备进行唯一身份验证。图3显示了SRAM PUF和围绕它的加密机制是如何解决图1中的挑战的。