如何在硬件級別實現(xiàn)安全特性以保護嵌入式系統(tǒng)
時間：2024-12-13 來源：華清遠見
在當今數(shù)字化時代，嵌入式系統(tǒng)廣泛應用于各個領域，從智能家居到工業(yè)控制，從醫(yī)療設備到汽車電子。然而，隨著其應用的不斷拓展，嵌入式系統(tǒng)面臨的安全威脅也日益嚴峻。
一、硬件安全的重要性
嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行關鍵任務，一旦受到攻擊，可能導致嚴重后果。比如醫(yī)療設備的故障可能危及患者生命，工業(yè)控制系統(tǒng)的漏洞可能引發(fā)生產(chǎn)事故，汽車電子系統(tǒng)的安全問題可能造成交通事故。軟件層面的安全防護固然重要，但硬件級別的安全特性是更基礎、更底層的保障。因為硬件是軟件運行的載體，如果硬件本身存在安全漏洞，軟件層面的防護就可能被繞過。
二、硬件安全特性的實現(xiàn)方式
（一）安全啟動機制
安全啟動是確保嵌入式系統(tǒng)完整性的關鍵。在系統(tǒng)啟動時，硬件會驗證啟動代碼的真實性和完整性。這一過程涉及到使用加密哈希算法，如 SHA - 256。芯片內(nèi)部的安全模塊會存儲啟動代碼的哈希值，當系統(tǒng)啟動時，會重新計算啟動代碼的哈希值并與存儲值進行比較。如果兩者不匹配，系統(tǒng)將拒絕啟動。例如，一些高端的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關設備在啟動時，通過這種方式防止惡意代碼在啟動階段植入系統(tǒng)，保障了整個設備運行的初始安全。
（二）硬件加密模塊
硬件加密模塊能夠?qū)η度胧较到y(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行高效、安全的加密和解密。這些模塊通常采用高級加密標準（AES）等強大的加密算法。以金融支付終端為例，硬件加密模塊可以對用戶的銀行卡信息進行加密處理，在數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中，即使數(shù)據(jù)被竊取，攻擊者也無法獲取明文信息。這種加密模塊可以是獨立的芯片，也可以是集成在主芯片中的一個功能模塊。它們在硬件層面實現(xiàn)加密運算，速度更快且安全性更高，相比軟件加密，能有效降低處理器的負擔，同時減少因軟件漏洞導致加密被破解的風險。
（三）物理不可克隆函數(shù)（PUF）
PUF 是一種利用芯片制造過程中產(chǎn)生的物理差異來生成唯一標識符的技術。每個芯片的物理特性都是獨一無二的，就像人類的指紋一樣。PUF 可以基于這些特性生成密鑰，用于設備認證、加密等安全功能。例如，在智能家居系統(tǒng)中，每個智能設備的芯片中的 PUF 生成的密鑰可以用于與家庭網(wǎng)關進行安全認證，只有通過認證的設備才能接入家庭網(wǎng)絡，防止非法設備的接入，從而保護整個家庭網(wǎng)絡的安全。
（四）內(nèi)存保護單元（MPU）
MPU 在嵌入式系統(tǒng)中扮演著重要角色，它可以對內(nèi)存進行分區(qū)和保護。通過設置不同的訪問權(quán)限，如只讀、讀寫、可執(zhí)行等，MPU 可以防止惡意軟件對內(nèi)存中的關鍵數(shù)據(jù)和代碼進行非法訪問。在一個多任務的嵌入式系統(tǒng)中，不同的任務可能運行在不同的內(nèi)存區(qū)域，MPU 可以確保每個任務只能訪問自己被授權(quán)的內(nèi)存空間，避免一個任務破壞其他任務的數(shù)據(jù)和代碼，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。
（五）隔離技術
硬件隔離技術可以將嵌入式系統(tǒng)中的不同功能模塊在物理上或邏輯上隔離開來。例如，在汽車電子系統(tǒng)中，可以將娛樂系統(tǒng)和動力控制系統(tǒng)進行隔離。即使娛樂系統(tǒng)受到網(wǎng)絡攻擊，攻擊者也無法通過娛樂系統(tǒng)入侵到動力控制系統(tǒng)，因為兩者在硬件層面是相互獨立的，沒有直接的通信路徑，這種隔離大大降低了安全風險。
三、實施硬件安全的挑戰(zhàn)與應對
（一）成本問題
在硬件級別實現(xiàn)安全特性往往會增加生產(chǎn)成本。比如添加硬件加密模塊、安全啟動芯片等都會增加硬件的成本。對于一些對成本敏感的嵌入式產(chǎn)品，這可能是一個挑戰(zhàn)。然而，我們可以根據(jù)系統(tǒng)的安全需求和風險評估來選擇合適的安全技術。對于一些對安全要求極高的應用，如醫(yī)療和金融領域，增加成本以保障安全是值得的；而對于一些低風險的消費類產(chǎn)品，可以選擇一些成本較低的安全方案，如簡化的安全啟動流程或基本的內(nèi)存保護機制。
（二）設計復雜性
硬件安全設計需要專業(yè)的知識和經(jīng)驗，涉及到電路設計、加密算法、芯片制造等多個領域。這增加了設計的復雜性，可能導致開發(fā)周期延長。為了解決這個問題，企業(yè)可以加強與專業(yè)的硬件安全設計團隊或芯片制造商的合作，利用他們的專業(yè)知識和成熟的技術來簡化設計過程。同時，在產(chǎn)品設計的初期就將安全需求納入考慮，而不是在產(chǎn)品開發(fā)后期再添加安全特性。
總之，在硬件級別實現(xiàn)安全特性對于保護嵌入式系統(tǒng)至關重要。通過安全啟動、硬件加密模塊、PUF、MPU 和隔離技術等多種手段，可以有效地抵御各種安全威脅。雖然在實施過程中會面臨成本和設計復雜性等挑戰(zhàn)，但通過合理的策略和方法，我們可以為嵌入式系統(tǒng)打造一個堅固的硬件安全防線，確保其在復雜的應用環(huán)境中安全可靠地運行。
