隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 系統(tǒng)中備受矚目的數(shù)據(jù)和隱私泄露事件不斷增多，企業(yè)和消費(fèi)者在購買聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品時更加意識到安全需求。提供一流的產(chǎn)品或服務(wù)已經(jīng)不夠了。無法提供足夠安全性的設(shè)備將無法與提供端到端安全性的設(shè)備競爭。

　　許多協(xié)議在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)實現(xiàn)安全性，并且是任何控制器的內(nèi)置部分。但是，通過通用異步收發(fā)器 （UART） 連接的嵌入式設(shè)備不受保護(hù)。UART 是設(shè)備之間簡單的數(shù)字通信接口之一。這是一種無 ACK 通信協(xié)議，如果波特率已知，任何設(shè)備都可以讀取它。

　　為了防止數(shù)據(jù)被讀取或注入系統(tǒng)，通信通道需要由發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的系統(tǒng)保護(hù)。因此，即使入侵者以正確的波特率訪問了通信信道，該信道也將受到保護(hù)。

　　對稱和非對稱安全

　　通信通道通常使用加密算法進(jìn)行保護(hù)。從廣義上講，密碼算法可以分為對稱算法和非對稱算法。使用對稱密鑰算法，發(fā)送方和接收方共享一個密鑰。發(fā)送方使用密鑰對消息進(jìn)行加密，并與接收方共享加密后的消息。然后接收方使用相同的密鑰來解密消息。

　　對稱密鑰算法的主要安全問題是如何在發(fā)送方和接收方之間安全地交換密鑰。如果密鑰在密鑰交換期間被另一個實體捕獲，則該實體也可以解密發(fā)送方發(fā)送的消息。因此，在對稱密鑰算法中僅與發(fā)送方和接收方安全地共享密鑰至關(guān)重要。

　　為了啟用安全的對稱密鑰交換，使用了非對稱密鑰算法。非對稱算法使用不同的密鑰進(jìn)行加密和解密過程。盡管這些密鑰不同，但它們在數(shù)學(xué)上是相關(guān)的。對稱密鑰可以通過使用非對稱密鑰對其進(jìn)行加密和接收方使用相關(guān)的非對稱密鑰對其進(jìn)行解密來安全地交換。非對稱算法的一個缺點(diǎn)是它們涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算并且往往是計算密集型的。

　　為了獲得別的安全性，RSA 加密被用作非對稱密鑰算法。使用 RSA，通信實體具有公鑰和私鑰。顧名思義，公鑰是公開共享的，任何人都可以使用。相反，私鑰僅由通信實體持有。為了向?qū)嶓w發(fā)送消息，發(fā)送方使用實體的公鑰加密消息。此加密消息只能由私鑰解密。由于私鑰僅對預(yù)期的接收者可用，這確保了只有接收者才能解密消息。

　　公私鑰加密

　　RSA 使用指數(shù)計算和非常大數(shù)的質(zhì)因數(shù)分解，使其高度安全但同時也是計算密集型的。此外，實時實施 RSA（以避免通信延遲）會因需要更高性能的處理引擎而增加系統(tǒng)成本。許多嵌入式系統(tǒng)不需要這種級別的安全性。相反，他們可以使用更精簡的加密算法，如加密標(biāo)準(zhǔn) （AES），這種算法更實用且更具成本效益，因為它需要更少的處理資源。

　　AES 是一種對稱加密算法，這意味著通信通道的雙方共享一個公共密鑰。如上所述，AES 的局限性在于在 UART 發(fā)送方和接收方之間安全地共享密鑰，而不會將其暴露給外部實體。為了解決這個問題，可以使用 RSA 來加密 AES 密鑰并安全地交換它。由于公共密鑰只需要共享，通信通道可以承受RSA的復(fù)雜性和延遲。換句話說，處理 RSA 算法的延遲只影響初始密鑰交換，而不是每條消息。

　　安全密鑰交換發(fā)生在幾個階段（圖 1）。首先，UART 接收方生成一個 RSA 密鑰對并與發(fā)送方共享其公鑰。另一個實體是否看到公鑰并不重要，因為它只會用于加密發(fā)送給 UART 接收器的消息。然后發(fā)送方隨機(jī)生成一個 AES 密鑰并使用接收方的公鑰對其進(jìn)行加密。接收方使用 RSA 私鑰解密 AES 密鑰。

　　圖 1：使用 RSA 公鑰和私鑰安全交換 AES 密鑰。（：英飛凌）

　　由于只有接收方可以訪問 RSA 私鑰，因此加密的 AES 密鑰只能由接收方解密。這確保了 AES 密鑰只為發(fā)送方和接收方所知，任何有權(quán)訪問通信通道的入侵者都無法導(dǎo)出密鑰。此外，發(fā)送方和接收方之間的所有后續(xù)消息都使用 AES 密鑰加密，使得不打算接收它們的任何其他方都無法訪問這些消息。這也消除了中間人 （MIM） 攻擊的威脅，MIM 攻擊涉及在消息發(fā)送之后但在接收之前修改消息。

　　固件與硬件

　　使用固件在嵌入式設(shè)備中實施安全算法會帶來許多設(shè)計挑戰(zhàn)。密碼算法，就其本質(zhì)而言，往往是計算密集型的。它們還增加了內(nèi)存占用，增加了處理延遲，并給系統(tǒng)帶來了極大的復(fù)雜性。因此，在固件中實現(xiàn)安全性將消耗大量的 CPU 周期和 MCU 資源。此外，為滿足實時應(yīng)用要求，需要更高性能的MCU，從而增加系統(tǒng)成本。

　　使用如此多 MCU 資源的部分原因是因為 MCU 是通用處理單元。出于這個原因，許多 MCU 集成了專門為加密算法設(shè)計的硬件。與沒有基于硬件的加密處理功能的 MCU 相比，MCU 具有集成的加密引擎，可以以更小的占用空間和更低的成本提供實時數(shù)據(jù)加密和解密。

　　Infineon 的PSoC 6 MCU 就是一個很好的例子。它有一個專用的加密塊，可以提供加密功能的硬件加速。密碼塊是靈活的，可用于支持不同的密碼算法以確保數(shù)據(jù)受到保護(hù)。這使開發(fā)人員能夠使用 AES、DES、TDES 和 RSA 等加密標(biāo)準(zhǔn)以及安全哈希算法 （SHA） 和循環(huán)冗余校驗 （CRC） 等完整性檢查為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備引入安全性。以這種方式從 MCU 卸載加密功能，可以經(jīng)濟(jì)高效地為幾乎所有嵌入式應(yīng)用程序引入安全性，而無需使用更強(qiáng)大的處理器。

　　真隨機(jī)數(shù)

　　然而，保護(hù)嵌入式系統(tǒng)需要的不僅僅是加密通信。具體來說，系統(tǒng)生成的 AES 密鑰需要是隨機(jī)的。然而，MCU 是確定性的，因此生成的密鑰也將是確定性的，使黑客能夠使用“蠻力”循環(huán)遍歷不同的可能隨機(jī)種子并可能導(dǎo)出 AES 密鑰。因此，固件需要一種方法來生成真正的隨機(jī)數(shù)，以確保 AES 密鑰的隨機(jī)性，因此不能被暴力破解。

　　為此，加密塊必須包含一個真隨機(jī)數(shù)生成器 （TRNG）。例如，在 PSoC 6 加密塊中，TRNG 有六個提供物理噪聲源的環(huán)形振蕩器。環(huán)形振蕩器包含在環(huán)形振蕩器的信號中引入抖動的溫度敏感反相器。該信號使 MCU 可以訪問真正的隨機(jī)數(shù)源，以確保其生成的 AES 密鑰的隨機(jī)性。

　　例如，要生成一個 16 字節(jié)的密鑰，會生成一個隨機(jī)數(shù) 16 次并將其附加到之前的數(shù)字。這使得 2^128 個鍵成為可能。這足以防止“AES”密鑰被暴力破解或猜測。

　　一些加密攻擊專注于分析捕獲的通信。有了足夠的資源，任何密鑰終都可以被破解。為了解決這種可能性并提高通信通道的整體安全性，每次重新啟動時都會生成 AES 密鑰。這是提高嵌入式系統(tǒng)安全性的一種簡單但有效的措施。簡而言之，即使入侵者識別出密鑰，在可以利用該密鑰時，該密鑰也可能不再使用。

　　安全有信心

　　此時，可能很容易認(rèn)為 UART 接口是安全的。但是，UART 是一種無 ACK 通信協(xié)議。這意味著該協(xié)議沒有機(jī)制來確保接收方收到的消息 a） 完整以及 b） 未損壞。

　　需要的安全階段來確認(rèn)消息的完整性。實現(xiàn)此目的的一種有效方法是使用 SHA 算法對消息進(jìn)行哈希處理。通過 SHA 等加密散列函數(shù)運(yùn)行消息會生成散列，即固定長度的輸出。因為散列函數(shù)是不可逆的單向函數(shù)，所以識別生成特定散列的消息的方法是嘗試對所有可能的輸入進(jìn)行強(qiáng)力搜索。

　　圖 2：哈希函數(shù)可確保安全密鑰交換和消息傳輸期間通信的完整性。（：英飛凌）