摘要：隨著安全性需求不斷滲透到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，制造商和電路設(shè)計(jì)人員面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。問題的核心在于在新的應(yīng)用中增加前所未有的安全及防篡改措施，還需避免在現(xiàn)有的安全電路中過(guò)多引入新的設(shè)計(jì)更改。新一代安全標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)加速了對(duì)認(rèn)證體系的需求，而設(shè)計(jì)中對(duì)尺寸、成本的苛刻要求進(jìn)一步增大了設(shè)計(jì)難度。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，Maxim根據(jù)新的安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制、分層管理體系的要求推出了一系列極具創(chuàng)新性的器件。而且，這些新器件能夠以最低成本、最低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)改善傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性，本文針對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行討論。

本文還發(fā)表于Maxim工程期刊，第59期(PDF, 876kB)。

隨著安全性需求不斷滲透到電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，制造商和電路設(shè)計(jì)人員面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。過(guò)去，只有少量的電子設(shè)備用戶才會(huì)考慮安全性問題，而且主要集中在金融行業(yè)、軍用產(chǎn)品、門禁控制市場(chǎng)等，大多采用相關(guān)的軟件技術(shù)或?qū)Ｓ糜布?shí)現(xiàn)。而這種狀況在最近幾年發(fā)生了巨大變化，工程師需要面對(duì)層出不窮的安全標(biāo)準(zhǔn)、需要獲得相關(guān)的產(chǎn)品認(rèn)證，即便是很有經(jīng)驗(yàn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，也要不斷學(xué)習(xí)掌握這項(xiàng)新技術(shù)。了解這一技術(shù)趨勢(shì)以及相關(guān)的設(shè)計(jì)、制造成本對(duì)于嵌入式系統(tǒng)制造商非常關(guān)鍵。

由于通過(guò)軟件/固件設(shè)計(jì)很難保證全面的系統(tǒng)安全性，這就需要借助硬件保證系統(tǒng)的安全性，降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度(見附錄1—等級(jí)分類)。新推出的標(biāo)準(zhǔn)體系，例如：Trusted Computing Group?及各種數(shù)字版權(quán)管理(DRM)，涉及到消費(fèi)類電子、多媒體、工業(yè)、醫(yī)療、汽車、電信等各個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)然，這一問題還涉及到政府、國(guó)家安全系統(tǒng)升級(jí)和不斷發(fā)展的電子銀行、電子商務(wù)系統(tǒng)。

為了獲得更有效的安全體系，系統(tǒng)必須具備防物理篡改功能。即便是最老道的安全微處理器、FPGA、智能卡或其它安全設(shè)施，都會(huì)存在一些易受攻擊的薄弱環(huán)節(jié)。這就需要系統(tǒng)有一個(gè)適當(dāng)?shù)挠性?a href="http://m.makelele.cn/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路，該電路即使在系統(tǒng)關(guān)斷的情況下也能處于有效工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)可能發(fā)生的竊取敏感信息或知識(shí)產(chǎn)權(quán)的操作。為了完成這項(xiàng)任務(wù)，器件必須具備極低的功耗，并將防篡改響應(yīng)電路與適合不同傳感器的接口電路相結(jié)合，為敏感數(shù)據(jù)提供一道有效的防護(hù)網(wǎng)。

應(yīng)該注意到，加密算法已不再是防范攻擊的重點(diǎn)。攻擊者會(huì)通過(guò)各種途徑竊取密鑰。因此，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)不在加密算法上投入過(guò)多精力，而是將注意力轉(zhuǎn)向硬件保護(hù)方案的設(shè)計(jì)。

新的安全標(biāo)準(zhǔn)

新推出的安全標(biāo)準(zhǔn)大多參考了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NIST)和英國(guó)通信電子安全組(CEG)建立的安全規(guī)范。這兩個(gè)組織提供的標(biāo)準(zhǔn)分別是FIPS 140-1和ITSEC。

隨著對(duì)安全水平要求的提高，以及眾多新標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)的跨國(guó)組織正采納一個(gè)新的、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，稱為“公共標(biāo)準(zhǔn)”，它組合了這些標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)(見附錄2—通用認(rèn)證/標(biāo)準(zhǔn))。例如，NIST最近將其FIPS規(guī)范更新為140-2版，并且很快會(huì)統(tǒng)一到公共標(biāo)準(zhǔn)。

此外，隨著金融領(lǐng)域?qū)Π踩O(shè)備需求量的增多，其它標(biāo)準(zhǔn)也開始變得活躍起來(lái)。公認(rèn)的有MasterCard?和Visa?制定的EMV(歐洲MasterCard Visa)和PCI PED(支付卡行業(yè)，PIN輸入設(shè)備)。這些標(biāo)準(zhǔn)與DRM相融合，能夠使移動(dòng)平臺(tái)具備處理金融交易的能力，并可保護(hù)用戶及系統(tǒng)的身份。政府也制定了新的法案，如FIPS 201身份驗(yàn)證(PIV)等。由此可見，安全認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的要求會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。

上述標(biāo)準(zhǔn)都論述了對(duì)物理安全性的要求，以滿足不同終端產(chǎn)品范疇的規(guī)范。通常，這些安全性要求被劃分到多個(gè)層次，從處理器開始到最終封裝，包括處理器、涉及敏感數(shù)據(jù)或算法的存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)通道。終端產(chǎn)品要取得認(rèn)證，必須通過(guò)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的全面測(cè)試，并提供一份安全文檔，說(shuō)明產(chǎn)品如何防范各種物理威脅。要通過(guò)某些標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證(例如PCI)，制造商必須說(shuō)明新產(chǎn)品在安全方面比現(xiàn)有產(chǎn)品有哪些改進(jìn)，以滿足新升級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。許多情況下，制造商和設(shè)計(jì)部門之前并沒有面臨類似要求，因此不清楚需要在產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)怎樣的安全性。

不同應(yīng)用對(duì)安全等級(jí)的要求千差萬(wàn)別，但是，對(duì)物理篡改保護(hù)功能的要求越來(lái)越嚴(yán)格。隨著一些用于竊取數(shù)據(jù)的高端分析工具和專業(yè)技術(shù)的出現(xiàn)，越來(lái)越多的應(yīng)用要求具有物理篡改保護(hù)功能。

DS3600系列安全控制器

為了幫助設(shè)計(jì)人員以小尺寸、低成本、低功耗滿足嚴(yán)格的物理保護(hù)功能的需求，Maxim推出了新一代安全控制器產(chǎn)品，用于保護(hù)硬件設(shè)備。DS3600系列產(chǎn)品能夠?yàn)榍度胧较到y(tǒng)提供可靠的安全保證，滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

這些器件具備精心設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)視(利用具有超低漏電流的比較器)、低溫攻擊保護(hù)、計(jì)時(shí)和篡改記錄功能，以及密碼子系統(tǒng)(圖1)需要的眾多其它功能。這些功能的核心是獨(dú)特的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步保護(hù)頂層密鑰和認(rèn)證信息。傳統(tǒng)的存儲(chǔ)單元都存在數(shù)據(jù)印跡現(xiàn)象，即存儲(chǔ)單元會(huì)殘留先前保存的信息?？梢酝ㄟ^(guò)多種攻擊手段提取這些殘留信息。DS3600內(nèi)部的無(wú)印跡存儲(chǔ)器是第一款具備該功能的器件，可有效防范這種常見的攻擊方式。此外，使用一條硬件命令可迅速擦除整個(gè)存儲(chǔ)器陣列。這種組合多種功能的安全控制器可極大地降低功耗，并且密鑰存儲(chǔ)器保護(hù)無(wú)需主處理器介入。


圖1. DS3600防篡改控制器具有超高性能的比較器，可連續(xù)監(jiān)控低功耗系統(tǒng)，符合最高級(jí)別的公共標(biāo)準(zhǔn)要求。

大多數(shù)情況下，該系列控制器的高集成度可替換40個(gè)以上的分離元器件。DS3600系列不僅具有小尺寸、低成本和低功耗的特點(diǎn)，還可省掉其它價(jià)格昂貴的器件，如安全微處理器。因此，嵌入式系統(tǒng)制造商不必采用安全處理器架構(gòu)即可通過(guò)認(rèn)證，并獲得豐富的軟件資產(chǎn)。由于這些產(chǎn)品專為滿足認(rèn)證要求而設(shè)計(jì)，當(dāng)設(shè)計(jì)人員必須提供必要文檔以取得產(chǎn)品認(rèn)證時(shí)，它們可提供最有力的幫助。

附錄1—等級(jí)分類

為確定系統(tǒng)需要的安全等級(jí)，10多年前IBM?給出了一種等級(jí)分類方法，用來(lái)說(shuō)明潛在的攻擊等級(jí)，并且沿用至今。

等級(jí)I (聰明的外行)

• 通常很聰明
• 系統(tǒng)知識(shí)匱乏
• 可能使用過(guò)適度復(fù)雜的設(shè)備
• 通常會(huì)攻擊系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，而不會(huì)構(gòu)建一個(gè)新系統(tǒng)

等級(jí)II (知識(shí)淵博的內(nèi)行)

• 具備扎實(shí)的專業(yè)技術(shù)教育背景和工作經(jīng)驗(yàn)
• 具備一些系統(tǒng)知識(shí)，可能接觸過(guò)系統(tǒng)的大部分模塊
• 經(jīng)常使用高端工具和分析儀器

等級(jí)III (資金雄厚的機(jī)構(gòu))

• 擁有大量資金
• 能夠組建專家隊(duì)伍
• 能夠獲取或使用大部分高端分析工具
• 能夠深入分析并設(shè)計(jì)復(fù)雜的攻擊行為
• 可能招募等級(jí)II中知識(shí)豐富的行家，以擴(kuò)充其攻擊隊(duì)伍

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者尋求通過(guò)認(rèn)證時(shí)，至少應(yīng)該能夠抵御以下常用攻擊手段帶來(lái)的威脅。

物理攻擊

• 侵入封裝
  • 切割、蝕刻以及離子或激光鉆孔
  • 反向工程(需要若干器件樣品)
    • 生成電路原理圖
    • 提取ROM碼
    • 識(shí)別關(guān)鍵電路單元(即存儲(chǔ)器)的物理位置
  • 探測(cè)存儲(chǔ)器
    • 通過(guò)FIB工作站更改電路
    • 通過(guò)致電離輻射改變某些特定晶體管的狀態(tài)
    • 微探針測(cè)試
    • 對(duì)存儲(chǔ)單元氧化物進(jìn)行先進(jìn)的光譜分析