Marius Munder （Silicon Labs 体系架构 高档工程司理）
摘 要：剖析了安全组件的功用，和集成安全组件的附加功用及优势。
关键词：安全；集成；组件
0 导言
为了保证物联网（IoT）的安全，连网设备需求一系列片上安全功用，比如不可变的设备身份、具有信赖根的安全发动、密钥的安全存储，以及调配高熵随机数发生器的硬件加快加解密等功用。鉴于继续添加的物联网安全事情，立法人员正在加快推进立法，为部分物联网设备或运用领域拟定最低的安全级别。集成的安全组件不只能够帮忙处理这些无法防止的问题，还能供给额定的优势，如安全软件更新和安全调试端口解锁，而运用外部安全组件是不简单完成这些功用的。
在曩昔，安全组件（Secure Element，SE）是装置在智能卡或专用的集成电路（IC）上的实体器材，供给主机体系安全相关的服务，如安全密钥存储或主机体系的安全辨认。主机体系可经加密衔接后进行通讯。这种办法的优势是把物料清单（BOM）中的安全组件变成可选项，在宽松的安全要求下可节约运用的本钱。跟着安全组件以智能卡的方法呈现，安全设备的身份辨认能够轻松地从一台主机转移到另一台主机，此方法现在遭到许多运用事例的喜爱。
可是，关于最先进的物联网设备，强壮的安全功用应该是必备的，而非可选项。据福布斯（Forbes）杂志报导，对物联网设备的网络进犯在2019年激增了300％，仅2019年上半年衔接至互联网的物联网设备就遭遭到29亿次进犯。那些未直接衔接至互联网的智能家居设备，实践遭受的进犯数量预计会少几个数量级。但是，连网设备易受进犯的问题已成为负面的新闻论题，然后影响了物联网职业以及受进犯设备的制造商。因应智能设备缝隙的相关报导，监管组织和顾客权益协会一直在游说拟定相关的法令结构，强制部分物联网设备拟定安全级别。如美囯加州最近在施行标准物联网设备安全性的新法令，其他州和国家政府也纷繁仿效。
由于商场巴望特定的产品系列具有安全组件供给的部分或悉数安全功用，安全组件在BOM（物料清单）中可选而带来的一切优势已化为乌有。并且BOM上的每一个项目都意味着智能设备本钱的添加，这不只仅是安全组件自身的硬件本钱，还包含印制电路板（PCB）上组件的取放、查看和测验本钱等等。运用集成到主机中的安全组件则能够节约相当可观的本钱， 除了降低本钱和硬件规划的杂乱度之外，由于进犯主机和安全组件之间的通讯线路而导致的安全性问题也可得到处理。
1 安全组件的功用
内部和外部的安全组件都可供给下列部分或悉数功用。
1) 不可变的设备身份
不可变的设备身份包含仅有且防篡改的设备身份，用于设备身份辨认和供给设备认证的安全凭据。这个功用或许包含仅有的设备辨认码、安全凭据或其他安全手法，例如依据令牌的认证。 重点是，除非侵略设备所支付的价值远高于能取得的潜在报答，不然设备身份辨认安全不会遭到要挟。
2) 安全密钥存储
安全密钥存储实质上便是受维护的闪存区，其受安全组件操控且只能经由安全组件存取。依据Kerckhoffs原理，最好的加密算法只要在密钥数据不会受边信道的进犯而被提取的情况下才是安全的。在这类进犯中，无需破解加密算法，也不用暴力侵入设备，就能够提取密钥数据。安全组件能够保证安全密钥数据不能经由设备的调试接口被提取，乃至被劫持的运用程序也无法取得该数据。
3) 硬件加密加快器
硬件加密加快器不只节约杂乱加密操作的时刻和功耗，还能够采纳最新对策以防止差分功率剖析（DPA）等类型的边信道进犯。与安全密钥存储结合在一起时，给定的安全密钥能够永久不脱离安全组件，而是指示安全组件去运用安全密钥存储库中的特定密钥履行约束的加密操作。只要数据负载在安全组件和运用程序之间交流，在此操作期间，运用程序不光看不到，也无法提取实践密钥。
4) 高熵随机数发生器
隐秘的随机数关于加密算法和密钥的发生至关重要，其用于现在许多通讯和安全协议的安全性和加密上。创立真随机数发生器（TRNG）是一个杂乱的进程，由于数字算法先天上就不利于创立真实的随机数。假如承认生成的随机数有任何规矩，黑客就能够运用该弱点来削减获取密钥所消耗的时刻和精力。为了战胜这一约束，随机数发生器以片上电路硬件外设的方法完成，经过专用的电路规划来生成十分高熵的随机数。
2 集成安全组件的附加功用
集成的安全组件能够供给下列附加的共同功用。
1) 安全解锁调试端口
假如未锁好，则任何体系级芯片（SoC）的调试端口都将构成一个严重的安全缝隙。所以最佳的安全性实践是产品进入生产线之前须锁好或是停用调试的存取功用。大多数SoC都包含调试端口确定机制。经过集成的安全组件能够供给安全的调试端口解锁功用，以更简单对现场取回的设备进行毛病剖析。此举关于现场试用以及向“友爱的客户”引荐初始产品特别有用，乃至在往后的阶段，咱们也期望对从现场退回的设备进行毛病剖析以进步产品质量。经过出示仅有的解锁令牌能够敞开调试端口的拜访。此令牌可运用制造商生成的私钥宣布可吊销且仅有的身份标识符。安全解锁调试端口的首要优点在于设备解锁时不用删去设备数据，从而削减毛病扫除时刻，一起增强毛病底子成因的剖析才干。
2) 具有完好信赖根和安全加载程序的安全发动
常见的安全发动完成方法包含将用于验证程序代码的公钥存储到一次性可编程存储器中。由于公钥变得不可逆，因而只要用对应的私钥签名的程序代码才干经过身份验证和履行。身份验证进程一般由某种方法的发动加载程序履行。
咱们运用集成的安全组件后，能够依据图1所示，来采纳完好的信赖链进程。依图示可见，咱们实践上具有双中心体系结构，第一个中心是安全组件自身，具有自己的专用闪存、ROM、RAM和外围设备。第二个中心是一般愈加强壮的运用程序中心，带有典型的物联网SoC规划应具有的存储器和外围设备。
安全发动进程从安全组件开端。详细看，发动从安全且不可变的ROM开端，一起由安全组件来履行对第一阶段发动加载程序的身份认证。在此进程中，第一阶段发动加载程序的更新查看也要由安全加载程序履行。一旦安全组件被彻底验证及能够运用后，第二个（运用程序）中心也随之发动，一起对第二阶段发动加载程序进行身份验证，并依据需求进行安全加载程序的更新。最终，第二阶段发动加载程序会查看、更新（假如适用）并验证运用程序代码。此进程如图1所示。
关于防备进犯的对策，一种很好的做法是要遵从严厉的规矩，即仅答应下列可更新部件的固件晋级到新的版别：
● 第一阶段发动加载程序；
● 第二阶段发动加载程序；
● 运用程序。
这种方法可防止经过装置较旧的固件来运用已知缝隙。一起，这也能够防止重复对签名和加密的晋级程序进行解密，由于在这个进程中，能够运用边信道进犯（例如差分功率剖析）来提取安全密钥。
3 定论
智能物联网设备需求最先进的安全特性，这不只是为了到达更好的办理，也是为了恪守许多区域和笔直商场所要求的法令标准。在黑客与设备制造商永无止境的军备竞赛中，集成的安全组件可供给杰出的价值和较低的本钱来保证设备的安全。与专用的外部安全组件比较，集成的安全组件能够节约更多本钱。构建安全调试端口解锁和具有完好信赖根的安全发动这些安全特性所需求的前提条件，只要集成的安全组件才干满意。
（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第57页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。）
