通常來說，安全的片上系統(tǒng)需要四個(gè)關(guān)鍵功能：安全啟動(dòng)、安全存儲(chǔ)器、運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)以及一個(gè)中央安全漏洞響應(yīng)。

 

安全啟動(dòng)

 

從安全角度來看，啟動(dòng)是片上系統(tǒng)最重要且最脆弱的部分。如果黑客能夠控制片上系統(tǒng)的啟動(dòng)過程，也能繞過所有其他安全措施實(shí)施，進(jìn)行非法訪問。片上系統(tǒng)架構(gòu)師開發(fā)多種技術(shù)，在片上系統(tǒng)啟動(dòng)過程中提供安全保障。

 

傳送從硬件到軟件控制的聯(lián)動(dòng)裝置是黑客最喜歡攻擊的一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。 安全啟動(dòng)是一種防水技術(shù)，可保障此聯(lián)動(dòng)裝置的安全。信任鏈?zhǔn)怯脕韺?shí)施安全啟動(dòng)的一個(gè)經(jīng)典技術(shù)。

 

信任鏈作為一個(gè)安全實(shí)施，在此鏈的多個(gè)階段可使用信任/認(rèn)證的硬件和軟件。如果片上系統(tǒng)選擇部署安全啟動(dòng)，在每個(gè)啟動(dòng)階段，它會(huì)認(rèn)證將執(zhí)行的下一階段。

 

安全啟動(dòng)從可信實(shí)體（錨點(diǎn)）開始。芯片硬件啟動(dòng)序列和BootROM是芯片中制作的可信實(shí)體。因此，幾乎不可能更換硬件（可信實(shí)體），而且仍然具有功能性的片上系統(tǒng)。

 

可進(jìn)行驗(yàn)證每個(gè)連續(xù)階段的過程，以創(chuàng)建圖1所示的信任鏈。

 

圖1：信任鏈

 

圖字:

 

 

第1階段表示執(zhí)行硬件復(fù)位序列，以簡化片上系統(tǒng)的上電。 此外，該序列傳送對可信實(shí)體BootROM的控制。

 

第2階段表示執(zhí)行BootROM以及對用戶應(yīng)用軟件進(jìn)行認(rèn)證。 認(rèn)證是生成應(yīng)用圖像的獨(dú)特簽名的過程，并且匹配相同的金牌簽名，此金牌簽名存儲(chǔ)在片上系統(tǒng)。

 

第3階段表示執(zhí)行用戶應(yīng)用軟件。

 

第2階段的完成確保可信任用戶應(yīng)用軟件。如果非法修改了用戶應(yīng)用，它的認(rèn)證會(huì)在第2階段失敗，因此也不能執(zhí)行第3階段。

 

安全存儲(chǔ)器

 

片上系統(tǒng)的存儲(chǔ)器可安全地保存敏感數(shù)據(jù)，如加密密鑰、唯一ID、密碼等。

 

存儲(chǔ)器可以劃分為多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都有一套不同的訪問控制（圖2）。根據(jù)分區(qū)中所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的性質(zhì)，該分區(qū)可以被指定為安全敏感或非敏感的分區(qū)。包含敏感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器也稱為安全存儲(chǔ)器。在存在安全漏洞（如篡改檢測、ECC操縱等）的情況下，安全敏感分區(qū)的內(nèi)容可能由控制器本身來擦除，同時(shí)非敏感分區(qū)的內(nèi)容可能保持不變。此類存儲(chǔ)控制器稱為安全存儲(chǔ)控制器。

 

圖2：存儲(chǔ)器可以劃分為多個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)都有一套不同的訪問控制。

 

圖字：

 

 

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)

 

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)用來確保運(yùn)行時(shí)執(zhí)行過程中外圍存儲(chǔ)器內(nèi)容的完整性。安全啟動(dòng)序列生成了參考文件，此文件包含安全存儲(chǔ)器中所存儲(chǔ)的單個(gè)存儲(chǔ)器模塊內(nèi)容的散列值。在運(yùn)行時(shí)模式中，完整性校驗(yàn)器讀取存儲(chǔ)器模塊的內(nèi)容、等待指定時(shí)間段，然后讀取另一個(gè)存儲(chǔ)器模塊的內(nèi)容。在這一過程中，此校驗(yàn)器還計(jì)算存儲(chǔ)器模塊的散列值，比較它們與啟動(dòng)過程中生成的參考文件的內(nèi)容（圖3）。

 

如果兩個(gè)散列值不匹配，校驗(yàn)器則為中央單元報(bào)告安全入侵，此中央單元根據(jù)安全策略決定要采取的措施。如果此值匹配，完整性校驗(yàn)器啟動(dòng)并驗(yàn)證后續(xù)存儲(chǔ)器模塊的內(nèi)容。繼續(xù)這一過程，直到片上系統(tǒng)將運(yùn)行。完整性校驗(yàn)器的掃描速率應(yīng)當(dāng)是可配置的，因此用戶可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器模塊驗(yàn)證速率和存儲(chǔ)器帶寬利用率之間的平衡。

 

存儲(chǔ)器帶寬利用率 ∝ 1/存儲(chǔ)器掃描速率

 

圖3：運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)完整性校驗(yàn)用來確保運(yùn)行時(shí)執(zhí)行過程中外圍存儲(chǔ)器內(nèi)容的完整性。

 

圖字：

 

 

中央安全漏洞響應(yīng)單元

 

這個(gè)硬件模塊可以被視作軟件入侵、電壓篡改等安全相關(guān)事件的片上系統(tǒng)中央報(bào)告單元。借助此安全相關(guān)的事件信息，安全漏洞響應(yīng)單元可以確定片上系統(tǒng)的下一階段。此單元的操作可以通過以下狀態(tài)機(jī)的方式來進(jìn)行最佳詮釋（圖4）。

 

圖4：安全漏洞響應(yīng)單元

 

圖字：

 

 

安全漏洞響應(yīng)單元監(jiān)控安全入侵。如果硬件探測器報(bào)告入侵（如電壓、頻率和溫度監(jiān)測器），響應(yīng)單元將片上系統(tǒng)的狀態(tài)移動(dòng)到非安全狀態(tài)。非安全狀態(tài)以區(qū)別于安全狀態(tài)的某些限制為特征。 報(bào)告給響應(yīng)單元的任何進(jìn)一步安全漏洞將片上系統(tǒng)作為故障狀態(tài)，即非功能狀態(tài)。片上系統(tǒng)保持故障狀態(tài)，直到發(fā)出復(fù)位上電指令。

 

這里應(yīng)注意的是，對安全入侵的響應(yīng)可按照軟件策略來執(zhí)行。例如，軟件可以配置某些入侵為非致命，因此這些入侵將不會(huì)導(dǎo)致片上系統(tǒng)移動(dòng)至非安全或故障狀態(tài)。 這種可配置性可滿足片上應(yīng)用不同的安全需求。

 

片上系統(tǒng)狀態(tài)的信息可傳遞給片上系統(tǒng)的其他安全敏感的部分，如可感測狀態(tài)并保護(hù)敏感數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)控制器。

 

結(jié)語

 

片上系統(tǒng)安全對安全可靠地操作物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。同樣的功能不僅能使片上系統(tǒng)執(zhí)行它們的任務(wù)，也能使它們識(shí)別并處理威脅。幸運(yùn)地是，這并不需要革命性的方法，只需要現(xiàn)有架構(gòu)的演進(jìn)。

 

 

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