【導讀】在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和機器人技術的崛起中，微控制器越來越多地成為防篡改和網(wǎng)絡攻擊的保護屏障。各種微控制器系列已經(jīng)配備了一系列安全功能。
在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和機器人技術的崛起中，微控制器越來越多地成為防篡改和網(wǎng)絡攻擊的保護屏障。各種微控制器系列已經(jīng)配備了一系列安全功能。一旦歐洲通用數(shù)據(jù)保護條例(GDPR)在2018年5月開始生效，企業(yè)便必須執(zhí)行其中規(guī)定的數(shù)據(jù)安全標準。該法律對個人數(shù)據(jù)的匿名化(pseudonymization)和加密進行了更加嚴格的規(guī)定，與德國以前的法律基礎相比，新增了彈性條款和問責條款。
GDPR不僅影響制造商，還影響OEM廠商和網(wǎng)絡運營商等運營企業(yè)。作為一個中央控制和監(jiān)管元件，微控制器在網(wǎng)絡系統(tǒng)中扮演著關鍵角色。制造商的開發(fā)過程已經(jīng)開始按照相應的安全標準進行認證。憑借安全的生產(chǎn)
完整性與安全
由循環(huán)冗余校驗所確定的校驗值可以檢測數(shù)據(jù)傳輸或存儲中的錯誤。這意味著它不僅可以檢查數(shù)據(jù)的完整性，還可以驗證軟件運行時的簽名。安全的電源監(jiān)控系統(tǒng)(POR [上電復位] / PDR [掉電復位] / BOR [欠壓復位] / PVD [可編程電壓檢測器]標志狀態(tài))可以識別復位的原因，并確保器件的復位是基于合法訪問。它由“寫入時進行讀取”功能進行補充，以實現(xiàn)高效的篡改檢測和記錄。
時鐘安全系統(tǒng)(CSS)基于恢復時的時鐘和系統(tǒng)，以及相互獨立運行的內(nèi)部和外部時鐘。看門狗和窗口看門狗也相互獨立地監(jiān)視時間窗口。
存儲器內(nèi)容的完整性和可靠性則可通過糾錯碼(ECC)和奇偶校驗來確保，它還提供了擴展的保護，免受通過錯誤來偷偷進行的攻擊。溫度傳感器持續(xù)監(jiān)測IC的環(huán)境溫度，以防止惡意程序故意加熱到超出其指定范圍，從而永久性損壞IC。
加密方法
加密方法通過使用代碼加密原始純文本來防止源文本遭到未經(jīng)授權(quán)的訪問，破解代碼使黑客能夠解密加密的文本。更復雜的加密方法使用對稱或非對稱加密。若使用對稱加密，只有一個加密和解密密匙，這意味著發(fā)送者和接收者使用相同的密鑰。
若使用不對稱方法，通信各方各自使用自己的密匙，用于生成密匙對。這包括用于加密數(shù)據(jù)的公匙和用于解密的私匙。
對稱方法，舉例來說，某些STM32系列有一個真正的隨機數(shù)發(fā)生器，用于產(chǎn)生32位加密密匙，完全集成到芯片中。這種加密基于對稱高級加密標準(AES)，而STM32F2、F4、F7、L4系列采用128位密匙長度(AES-128)和256位(AES -256)密匙長度以及多種方法 (ECB、CBC、CTR、GCM、GMAC、CMAC)，而STM32L0 / L1則采用128位密匙長度(AES-128)。這種對稱加密標準也適用于少數(shù)其他供應商的專用MCU / MPU系列(如瑞薩RX、瑞薩Synergy和東芝TZ1000) (見交叉列表)。 此外，瑞薩RX系列和Synergy S5和S7系列在硬件上提供非對稱加密引擎，這是一項突出的功能。
對稱方法的優(yōu)點是，由于只有一個密匙，所以密匙管理比非對稱方法更簡單，加密和解密的速度也明顯更快。 一些微控制器部件也具有完全集成的散列函數(shù)，其中數(shù)據(jù)被散列和分散，并且該函數(shù)將較大量的輸入映射到較少量的目標數(shù)據(jù)。
還有密匙散列信息驗證碼(HMAC)，該信息認證碼(MAC)的結(jié)構(gòu)基于密碼散列函數(shù)。在RFC 2104和NIST標準FIPS 198中規(guī)定了HMAC。
防篡改機制
防篡改機制用于防止針對微控制器之外的硬件系統(tǒng)有意或無意發(fā)起的物理攻擊。它引用各種喚醒源的備份域，確保即使在低功耗模式下也能保持保護。實時時鐘(RTC)為每個篡改事件蓋上時間戳。
某些微控制器系列還具有RTC寄存器保護功能，可以阻止未授權(quán)的寫操作，并獨立于系統(tǒng)復位進行操作，但不包括寫入一系列按鍵時的保護功能。
如果檢測到篡改，備份寄存器確保寫入內(nèi)容被自動刪除。通訊通道也可以通過通用輸入/輸出(GPIO)通訊模塊選擇性地阻止，這可以防止選定的GPIO，并且可以在下次復位時刪除該模塊。
調(diào)試模塊
調(diào)試模塊通過調(diào)試接口防止未經(jīng)授權(quán)的微控制器訪問。可以為每個應用程序或需求選擇安全級別，但是在此之后不能再次降級。
訪問權(quán)限管理
訪問權(quán)授予用戶或用戶組執(zhí)行某些操作的權(quán)限。為此，集成存儲器保護單元(MPU)將存儲器劃分為具有不同訪問權(quán)限和規(guī)則的區(qū)域。
在數(shù)據(jù)傳輸期間，防火墻將閃存或SRAM的代碼或數(shù)據(jù)組件與在保護區(qū)外執(zhí)行的其余代碼隔離開來。防火墻比內(nèi)存保護單元(MPU)更具限制性，僅集成到STM32L0、L4和瑞薩Synergy S5和S7中。
內(nèi)存保護
讀保護用于管理如何訪問內(nèi)存，例如用戶IP的存儲轉(zhuǎn)儲和備份是不允許的。寫保護可以保護每個扇區(qū)免受不妥當?shù)膶懭氩僮鳌Ｓ写a保護允許將每個存儲器區(qū)域配置為“僅執(zhí)行”，這意味著只有代碼可以在此處執(zhí)行——不能寫入該區(qū)域。 使用批量擦除或安全擦除功能可以安全地刪除IP和機密數(shù)據(jù)，該功能將內(nèi)存完全重置為出廠狀態(tài)。
數(shù)據(jù)的可追溯性
許多微控制器系列具有特定的獨特96位ID，以確保最終產(chǎn)品可追溯。這也可以用于安全密匙的多樣化。許多系列還具有啟用安全固件更新的功能。
基于軟件的加密方法
用硬件實現(xiàn)的安全功能也可以配合基于軟件的解決方案。加密庫軟件包可用于不同的微控制器系列，并提供一系列加密算法。它們以二進制目標格式作為標準提供，也可以通過基于保密協(xié)定(NDA)授權(quán)的條款以源代碼形式提供。也可通過硬件擴展為某些集成電路提供功能支持。
除了集成在芯片中的隨機數(shù)發(fā)生器之外，軟件包還提供了對重播攻擊的保護；這些重播攻擊利用了先前的請求來重新攻擊。散列算法驗證消息的數(shù)字簽名和驗證代碼，以確保數(shù)據(jù)可信并保護其完整性。此外，還有可用于對稱和非對稱加密方法的軟件包。
對于復雜的IoT解決方案，還可以選擇使用另一個板載模塊——意法半導體的STSAFE-A100或英飛凌的OPTIGA系列是可立即運行的解決方案，并且具有安全的操作系統(tǒng)。這一最新一代安全微控制器為本地和遠程主機、智能家居、智慧城市和工業(yè)應用、電子娛樂設備以及各種其他終端設備、公用設施和配件增強了身份驗證和數(shù)據(jù)管理服務的安全性。
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