【導讀】互聯(lián)設(shè)備容易受到網(wǎng)絡攻擊，因此自動駕駛和工業(yè)自動化的進步會帶來更大的風險。與云通信、處理軟件更新和捕獲診斷數(shù)據(jù)構(gòu)成了不斷增長的攻擊面。設(shè)備本身也可以被篡改，但諸如此類的物理攻擊通常無法擴展。
互聯(lián)設(shè)備容易受到網(wǎng)絡攻擊，因此自動駕駛和工業(yè)自動化的進步會帶來更大的風險。與云通信、處理軟件更新和捕獲診斷數(shù)據(jù)構(gòu)成了不斷增長的攻擊面。設(shè)備本身也可以被篡改，但諸如此類的物理攻擊通常無法擴展。
從安全啟動過程開始，連接的設(shè)備采用整體安全方法變得越來越重要。引導代碼必須經(jīng)過身份驗證并安全地存儲在非易失性存儲器 （NVM） 中。本文將探討技術(shù)進步如何推動處理器和內(nèi)存的系統(tǒng)架構(gòu)變化，但讓我們首先了解嵌入式系統(tǒng)中安全性的演變。
嵌入式系統(tǒng)安全性的演進
多年來，智能卡和硬件安全模塊（HSM）提供了一個離散的“安全安全區(qū)”，可以在其中執(zhí)行加密。這些外設(shè)包括大量可重新編程的NVM（EEPROM或閃存），允許將機密存儲在安全區(qū)內(nèi)，免受惡意攻擊或意外入侵。這些器件是主機控制器的從屬外設(shè)，用于各種應用。
2006年，一群德國汽車制造商開發(fā)了安全硬件擴展（SHE）規(guī)范，定義了可以集成到芯片組中的極簡主義HSM。SHE架構(gòu)已被專為汽車市場設(shè)計的安全芯片組廣泛采用。SHE作為狀態(tài)機實現(xiàn)，具有基于高級加密標準（AES）算法的加密功能，并包含足夠的NVM來存儲所需的密鑰和計數(shù)器。
幾年之內(nèi)，汽車行業(yè)就認識到，某些汽車應用需要更高級別的安全性。由此，EVITA工作組成立。SHE被采用為EVITA輕型HSM的基礎(chǔ)，但為中高安全性應用定義了更高級的版本。易維塔中型和艾維塔全 HSM 基于傳統(tǒng) SHE 基礎(chǔ)架構(gòu)構(gòu)建，并添加了一個 ARM CPU 來管理 HSM 操作。最后，橢圓曲線加密 （ECC） 被添加到 EVITA 完整 HSM 中，以實現(xiàn)更高級別的安全性。EVITA工作組的HSM變體被廣泛部署，并且是當前活躍的AutoSAR工作組中描述的許多安全基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)。
高級工藝節(jié)點上嵌入式閃存的消失
安全隔區(qū)通常依靠嵌入式閃存 （eFlash） 來存儲密鑰和其他加密信息。嵌入式閃存通常用于40nm及以上的代工廠工藝節(jié)點，甚至在28nm上也存在一些示例。然而，隨著過程節(jié)點的不斷縮小，由于器件物理和經(jīng)濟性，eFlash的集成變得非常困難。代工廠正在花費大量精力尋找小尺寸的嵌入式NVM，但到目前為止，還沒有出現(xiàn)可行的解決方案。小截面RRAM和MRAM作為eFlash替代品已被廣泛探索，但尚不可行，特別是對于需要在高溫下具有高可靠性的任務關(guān)鍵型應用。目前尚不清楚何時（或是否）這些技術(shù)中的任何一種將被投入生產(chǎn)。因此，開發(fā)人員正在使用外部閃存來代替電子閃存。
當今的系統(tǒng)使用標準的 QSPI NOR 閃存，但公認的缺點是外部 NOR 器件不安全（參見圖 1）。向前邁出的一步是使用安全閃存設(shè)備來顯著提高安全性，并滿足 HSM 對安全可重新編程 NVM 的要求。關(guān)鍵功能是創(chuàng)建一個安全通道，在該通道中，可以在 HSM 和安全閃存設(shè)備內(nèi)的加密安全區(qū)域之間交換位。
圖 1：從嵌入式安全閃存到外部安全閃存的演變。
加密安全存儲： Secure Flash 可以為安全密鑰、證書、密碼哈希、特定于應用程序的數(shù)據(jù)和配置數(shù)據(jù)、代碼版本信息以及用于身份驗證的生物識別傳感器數(shù)據(jù)啟用受硬件保護的安全存儲。此外，它可以支持經(jīng)過身份驗證和加密的交易，以防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和其他安全威脅。
快速安全啟動：汽車應用依賴于快速安全啟動。汽車應用中的典型CAN總線的啟動要求小于100ms。這意味著ECU必須能夠在上電后100ms內(nèi)回復CAN消息。如果CAN節(jié)點無法在100ms內(nèi)啟動，則可能會錯過關(guān)鍵的CAN消息，這對于ADAS等汽車應用來說是不可接受的。安全閃存設(shè)備可以使安全啟動過程與主機MCU相互進行身份驗證，并在不到100ms的時間內(nèi)確保總線事務的機密性和真實性。
安全固件無線 （FOTA） 更新：普通汽車包含大約100個電子控制單元（ECU）和超過1億行軟件代碼。我們相信這些系統(tǒng)能夠以更高的復雜性處理更多任務，這突顯了對提高可靠性和端到端安全性的需求。由于代碼和數(shù)據(jù)駐留在外部閃存上，因此保護閃存免受攻擊對于確保數(shù)據(jù)完整性、真實性和抗重放攻擊能力至關(guān)重要。安全的閃存通過僅允許授權(quán)更新并啟用硬件信任根來防止對代碼和數(shù)據(jù)存儲的修改、操作和其他安全攻擊，從而提供端到端保護。安全閃存還通過在主機 MCU、安全存儲和云之間提供加密和身份驗證的交易，使互聯(lián)世界中的系統(tǒng)更加安全。
汽車應用
汽車市場是安全閃存的主要采用者。主要應用包括高級駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS）、網(wǎng)關(guān)、遠程信息處理、儀表板和發(fā)動機/動力總成控制。用例涵蓋代碼/數(shù)據(jù)存儲、快速安全啟動和固件無線 （FOTA） 更新。ADAS、網(wǎng)關(guān)和HEV/EV動力總成應用仍然是該細分市場的增長動力。
高級駕駛輔助系統(tǒng)：ADAS檢測物體，提醒駕駛員危險情況或即將發(fā)生的危險，使汽車保持在車道上，并自動減速或停止車輛。ADAS應用包括夜視輔助、駕駛員監(jiān)控、行人和交通標志識別、前方碰撞警告、車道偏離警告和盲點監(jiān)控（見圖3）。在ADAS系統(tǒng)中，安全關(guān)鍵算法和數(shù)據(jù)存儲在閃存中。因此，確保閃存內(nèi)容不被以任何方式篡改至關(guān)重要。此外，OEM廠商希望執(zhí)行OTA固件更新，這進一步加劇了安全挑戰(zhàn)。安全閃存非常適合ADAS應用，因為它們即使在極端溫度下也能確保安全、可靠、可靠的程序執(zhí)行和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全存儲。例如，賽普拉斯 NOR 閃存器件具有 AEC-Q100 汽車級認證，并符合 ISO 26262 ASIL-B 標準。
圖2：典型ADAS系統(tǒng)框圖
互聯(lián)汽車：車輛與遠程實體之間的通信在軟件更新、遠程捕獲診斷數(shù)據(jù)以及與運輸基礎(chǔ)設(shè)施（LTE、Wi-Fi通道）通信等操作中變得越來越普遍。電子控制單元（ECU） 之間通過 CAN 和以太網(wǎng)總線進行的車載通信對于確保正常運行至關(guān)重要（參見圖 4）。在這些通信子系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的電子元件之一是ECU中使用的存儲器。對ECU存儲器的攻擊可能導致數(shù)據(jù)泄漏、不可靠行為甚至災難性故障。如果要確?，F(xiàn)代汽車中的電子設(shè)備安全，則必須制作內(nèi)存子系統(tǒng)以抵御惡意行為者的攻擊。
圖 3：典型的車載網(wǎng)絡
工業(yè)應用
工業(yè)4.0智能工廠利用網(wǎng)絡物理系統(tǒng)來監(jiān)控物理過程，并創(chuàng)建物理世界的虛擬副本，以實現(xiàn)新的和分散的決策功能。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 設(shè)備連接到本地系統(tǒng)和云，并利用機器學習來提高生產(chǎn)力、質(zhì)量和安全性。這些系統(tǒng)監(jiān)控，管理和控制工廠，僅制造所需的東西，何時需要，并經(jīng)過適當?shù)氖跈?quán)。其中許多IIoT系統(tǒng)在所有工作模式下都需要高級別的安全性，高可靠性和低功耗。安全閃光燈非常適合工業(yè)自動化、工業(yè)相機、醫(yī)療設(shè)備、測量設(shè)備、工業(yè)計算、M2M 通信等。
工業(yè)機器視覺相機：微型高分辨率有線和無線攝像機與圖像處理器相結(jié)合，使機器能夠觀察、解釋、計劃和行動。這項技術(shù)正在改變安全、制造、醫(yī)療保健和零售行業(yè)。當今的工業(yè)機器視覺相機是復雜的系統(tǒng)，結(jié)合了圖像處理、實時模式匹配和對象跟蹤，同時通過網(wǎng)絡接口進行通信，并在極端工作條件下控制多個電機（見圖5）。安全閃存通過支持快速安全執(zhí)行、代碼保護和工業(yè)溫度范圍來滿足這些要求。
圖 4：典型的機器視覺相機
作為eFlash的替代品，安全的外部閃存正在獲得動力，隨著工藝節(jié)點縮小到40nm以下，eFlash已經(jīng)變得稀缺。我們需要將 HSM 集成到閃存技術(shù)中，以實現(xiàn)無法集成 eFlash 的安全芯片組?？梢约?eFlash 但需要專用于 HSM 功能的額外非易失性內(nèi)存的芯片組也將發(fā)現(xiàn)安全閃存具有吸引力。安全閃存允許數(shù)據(jù)在其用戶陣列內(nèi)的受保護區(qū)域之間以加密安全的方式通過現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施傳輸?shù)街鳈CMCU的HSM。
通過利用現(xiàn)代 NOR 閃存設(shè)備的內(nèi)存計算功能，例如集成了 ARM Cortex M0 處理器的賽普拉斯的森佩爾 NOR 閃存，可以創(chuàng)建高級安全閃存。高級安全性包括防止對固件、啟動映像和系統(tǒng)參數(shù)的覆蓋、修改和操作攻擊的功能。安全閃存也成為實現(xiàn)功能安全的基本組成部分。
使用包括 QSPI 和 xSPI 在內(nèi)的現(xiàn)有總線協(xié)議，安全閃存設(shè)備可以與主機 MCU 配合使用，以實現(xiàn)要求苛刻的連接應用所需的安全級別，同時保持與現(xiàn)有主機內(nèi)存控制器的兼容性。當前基于狀態(tài)機的存儲器架構(gòu)無法提供與嵌入式內(nèi)核相同的靈活性和可編程性。嵌入式 ARM Cortex M0 可實現(xiàn)卓越的架構(gòu)，該架構(gòu)可添加硬件加密加速、安全 HMAC 密鑰生成和存儲，并使用單調(diào)計數(shù)器來解決汽車和工業(yè)嵌入式系統(tǒng)的廣泛安全問題。
（來源：中電網(wǎng)，作者：Naseem Aslam）
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