使用有安全保障的閃存存儲(chǔ)構(gòu)建安全的汽車系統(tǒng)

在現(xiàn)代汽車嵌入式系統(tǒng)中，高度安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是必不可少的，尤其是在面對(duì)日益高明的網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)。本文將介紹設(shè)計(jì)師正確使用閃存的步驟。

                          

對(duì)電子嵌入式系統(tǒng)的安全和安全保障需求從未有今天這樣強(qiáng)烈。隨著汽車的自動(dòng)化程度不斷提高，我們需要提高其安全保障水平，防止它們被黑客攻破。對(duì)于采用大量機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，需要處理敏感數(shù)據(jù)的工廠來說，同樣如此。

 

對(duì)所有此類嵌入式系統(tǒng)來說，非易失性閃存存儲(chǔ)器必不可少。閃存可用作代碼存儲(chǔ)、文件系統(tǒng)存儲(chǔ)或直接運(yùn)行代碼的微控制器單元（MCU）存儲(chǔ)器。如果要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性，必須首先確保系統(tǒng)使用的閃存存儲(chǔ)器是安全的。本文探討閃存存儲(chǔ)器的安全需求，幫助開發(fā)人員為汽車、工業(yè)和通信應(yīng)用構(gòu)建安全有保障的嵌入式系統(tǒng)。

 

閃存存儲(chǔ)器的使用方式

 

如果我們仔細(xì)觀察現(xiàn)代汽車的電子系統(tǒng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)閃存在整車上都得到廣泛使用。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，我們需要更大容量的代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。車內(nèi)的所有子系統(tǒng)，包括高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、儀表系統(tǒng)（即將與信息娛樂合并）、傳動(dòng)和車身系統(tǒng)，都需要嵌入式系統(tǒng)才能實(shí)時(shí)運(yùn)行。

 

所有這些嵌入式系統(tǒng)都需要某種類型的閃存存儲(chǔ)器，用作代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。例如，圖1所示的是一個(gè)使用多個(gè)NOR閃存器件的ADAS子系統(tǒng)。

 

圖1.該ADAS子系統(tǒng)使用多個(gè)NOR閃存

 

在當(dāng)今的ADAS應(yīng)用中，復(fù)雜的算法和人工智能流程依賴在閃存存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)來運(yùn)行。存儲(chǔ)必須提供故障安全和安全保障，因?yàn)橄到y(tǒng)故障或惡意攻擊可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷害乃至身故。

 

在工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，也存在對(duì)存儲(chǔ)解決方案的類似安全與安全保障需求。在互聯(lián)互通程度不斷提高的大背景下，黑客能突破任何與互聯(lián)網(wǎng)相連的薄弱實(shí)體，竊取敏感信息，或者將被攻破的設(shè)備當(dāng)作跳板，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其他地方發(fā)起攻擊。因此，構(gòu)建有安全保障的系統(tǒng)，避免發(fā)生這種類型的攻擊，變得至關(guān)重要。

 

有安全保障的閃存存儲(chǔ)

 

多年來，閃存存儲(chǔ)器廠商一直提供純粹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)于這些應(yīng)用，耐久度和保持能力是衡量閃存存儲(chǔ)器質(zhì)量的兩大指標(biāo)。安全保障并非是對(duì)這類型閃存器件的要求，這就意味著存儲(chǔ)在閃存上的數(shù)據(jù)要么完全不受保護(hù)，要么使用未經(jīng)認(rèn)證的命令進(jìn)行保護(hù)。

 

例如，一些閃存器件通過正常命令集提供基本的保護(hù)功能，例如針對(duì)編程或擦除操作對(duì)扇區(qū)提供非易失性或易失性保護(hù)、針對(duì)編程或讀取操作的密碼保護(hù)等。這些功能雖是好功能，但不足以抵御手段高明的攻擊。如果黑客能夠訪問閃存器件的總線接口，他們就能輕易地提取或修改設(shè)備上的數(shù)據(jù)。

 

為了保障安全，閃存器件必須保護(hù)存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)免受多種手段的攻擊。下面總結(jié)了閃存存儲(chǔ)設(shè)備需要加以防范的幾種攻擊。

 

Ÿ  中間人（MIM）攻擊

 

MIM攻擊中的黑客常模仿通信信道的發(fā)送方，發(fā)送命令或消息給另一側(cè)，以竊取或修改數(shù)據(jù)（圖2）。因此，有必要認(rèn)證主機(jī)和閃存設(shè)備間的每一條消息。認(rèn)證可通過在主機(jī)和閃存上使用公共密鑰，生成伴隨實(shí)際消息的消息認(rèn)證碼（MAC）來實(shí)現(xiàn)。接收方可以在對(duì)消息采取行動(dòng)之前先驗(yàn)證MAC。

 

圖2.中間人攻擊常模仿通信的信道發(fā)送方發(fā)送命令或消息，較終目的是竊取或修改數(shù)據(jù)

為了防止在密鑰受損時(shí)系統(tǒng)被永久破壞，通常需要使用臨時(shí)密鑰。臨時(shí)密鑰會(huì)在一定時(shí)間或在一定次數(shù)后失效。這樣做的目的是盡可能避免密鑰被破壞性物理分析（DPA）或其它迭代攻擊等方法進(jìn)行解密。

 

另一種中間人攻擊則是在一定時(shí)間以后重放截獲的合法消息。為了防范重放攻擊，主機(jī)和閃存設(shè)備必須使用累加計(jì)數(shù)器（值隨每個(gè)消息遞增）生成MAC。由于當(dāng)前的累加計(jì)數(shù)器值與上一消息的值不同。重放相同的消息就不能通過MAC驗(yàn)證，

 

Ÿ  克隆

 

一些黑客可以使用先進(jìn)的技術(shù)讀取閃存芯片中的全部內(nèi)容，通過非法克隆牟利。為了防范此類攻擊，每個(gè)閃存芯片都必須擁有任何人都不能讀取的唯一設(shè)備秘密（UDS）。UDS值具有唯一性，是每個(gè)芯片內(nèi)的真實(shí)隨機(jī)值。一個(gè)芯片和另一個(gè)芯片中的UDS之間毫無關(guān)聯(lián)。

 

UDS可用于推導(dǎo)復(fù)合設(shè)備標(biāo)識(shí)符（CDI），而這個(gè)標(biāo)識(shí)符是生成可信計(jì)算工作組織（TCG）設(shè)備標(biāo)識(shí)符組合引擎（DICE）規(guī)格定義的設(shè)備ID證書的基礎(chǔ)。一般來說，設(shè)備也在CDI的基礎(chǔ)上，為所有用主機(jī)導(dǎo)出的密鑰生成別名私鑰公鑰對(duì)。這樣就無需暴露設(shè)備ID的私鑰。

 

有了UDS和DICE流程后，由于UDS在物理上不可克隆，因此黑客就無法克隆設(shè)備。

 

Ÿ  竊聽

 

被動(dòng)偵聽是另外一種已知的攻擊方式。攻擊者通過在總線上竊聽，可從通過總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中搜集敏感信息或機(jī)密情報(bào)。為保護(hù)重要數(shù)據(jù)，用戶可選擇在通過總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到閃存設(shè)備，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前為數(shù)據(jù)加密。當(dāng)主機(jī)從設(shè)備檢索數(shù)據(jù)時(shí)，也應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，讓潛在的黑客永遠(yuǎn)無機(jī)可乘。

 

也許有人會(huì)說，加密方法不需要有安全保障的閃存存儲(chǔ)解決方案，因?yàn)橹鳈C(jī)可以直接加密數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到閃存中。只有主機(jī)才能解密數(shù)據(jù)。

 

然而，這樣做也有一定的缺點(diǎn)。其中之一是主機(jī)不能輕易地棄用加密密鑰。例如，假設(shè)使用Key_A加密數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在閃存中，后來用戶發(fā)現(xiàn)Key_A已被攻破，就需要在系統(tǒng)上使用不同的密鑰，即Key_B。

 

這時(shí)，主機(jī)陷入兩難境地：它不能直接棄用Key_A，因?yàn)樗�需要保留該密鑰，才能解密從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。然而，如果Key_A被攻破，用戶可能不想永久保留它。如果要使用新的數(shù)據(jù)加密密鑰，用戶不得不采取更復(fù)雜的措施。先擦除閃存上的原始加密數(shù)據(jù)，再用新加密的數(shù)據(jù)為閃存編程。這種操作在現(xiàn)場并非易事，且存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

 

另一方面，如果有安全保障的閃存能夠提供加密和解密功能，它就能在其有安全保障的存儲(chǔ)中安全地存放明文數(shù)據(jù)，并在將數(shù)據(jù)發(fā)回給主機(jī)之前進(jìn)行加密處理。如果當(dāng)前的加密密鑰被攻破，主機(jī)可以簡單地與設(shè)備交換新的密鑰。存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)保持完整且有安全保障，與存儲(chǔ)加密數(shù)據(jù)相比，是一種簡單得多的方法。

 

保護(hù)措施

 

下面介紹開發(fā)安全閃存存儲(chǔ)的各個(gè)步驟：

 

Ÿ  提供靈活的存儲(chǔ)器架構(gòu)

 

在現(xiàn)代的多核嵌入式系統(tǒng)中，多個(gè)MCU或硬件安全模塊（HSM）可能可以訪問同一個(gè)閃存存儲(chǔ)。閃存設(shè)備有必要提供一種靈活的存儲(chǔ)器架構(gòu)，可以對(duì)其進(jìn)行分區(qū)和配置，以便通過不同的內(nèi)核管理不同的區(qū)域。這些不同區(qū)域可提供不同水平的安全保障，或者在完全不需要時(shí)，取消安全保障。

 

通過了解eMMC標(biāo)準(zhǔn)和UFS標(biāo)準(zhǔn)，我們顯然可以看到支持多個(gè)安全區(qū)域的趨勢。當(dāng)前的eMMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了重放保護(hù)內(nèi)存塊（RPMB）。較新的UFS（v3.0）標(biāo)準(zhǔn)可為四個(gè)RPMB分區(qū)提供智能支持，它們由四個(gè)不同的密鑰進(jìn)行管理。這樣的存儲(chǔ)器架構(gòu)靈活性在多核SoC環(huán)境中更加合適。

 

Ÿ  提供快速的安全啟動(dòng)功能

 

眾多嵌入式系統(tǒng)都在閃存中存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼。部分是因?yàn)樾枰�快速啟�?dòng)，例如汽車子系統(tǒng)需要在加電重置（POR）的100ms內(nèi)處理CAN消息。系統(tǒng)不僅需要安全啟動(dòng)（即驗(yàn)證啟動(dòng)代碼），還需要快速啟動(dòng)。這就給嵌入式設(shè)計(jì)師提出更高的挑戰(zhàn)。

 

一般情況下，在運(yùn)行存儲(chǔ)并下載（SnD）模式時(shí)，主機(jī)從閃存讀取引導(dǎo)加載程序并映射給RAM執(zhí)行。然而，要想安全啟動(dòng)，就需要檢查認(rèn)證整個(gè)引導(dǎo)加載程序代碼，以確保其可信性。這個(gè)過程需要在MCU上花費(fèi)時(shí)間。有安全保障的閃存存儲(chǔ)能夠提供引導(dǎo)加載認(rèn)證，大幅度縮短啟動(dòng)時(shí)間。

 

安全的閃存設(shè)備能夠使用內(nèi)部安全散列函數(shù)檢查引導(dǎo)加載程序，并為主機(jī)提供驗(yàn)證用散列值。如果散列值未發(fā)生改變，就說明引導(dǎo)加載程序未被篡改，可以安全地用于啟動(dòng)。

 

Ÿ  提供安全的固件無線更新（FOTA）

 

對(duì)于現(xiàn)代的嵌入式應(yīng)用而言，現(xiàn)場升級(jí)是必備功能。通過遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的固件或軟件，制造商能夠快速解決問題、提供新增特性、提升用戶體驗(yàn)。然而，遠(yuǎn)程升級(jí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成安全威脅。沒人希望黑客利用現(xiàn)成的更新通道，讓系統(tǒng)運(yùn)行惡意固件或軟件。

 

除了依靠CPU提供的安全保障，閃存設(shè)備內(nèi)部的安全引擎也能大幅提高FOTA流程的安全水平（圖3）。采用這樣的安全引擎后，提供啟動(dòng)代碼存儲(chǔ)的閃存設(shè)備不僅可以用閃存設(shè)備旁邊的主機(jī)認(rèn)證固件提供商，也可以在遠(yuǎn)程云上進(jìn)行認(rèn)證。通過這種方式，可以為閃存中的固件更新或軟件更新建立端到端的通道安全。

 

圖3.閃存設(shè)備中的安全引擎有助于實(shí)現(xiàn)更安全的固件無線更新流程

 

現(xiàn)代汽車、工業(yè)、通信使用的嵌入式系統(tǒng)需要有高度安全保障的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是，如何構(gòu)建能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全系統(tǒng)。集成安全保障特性的閃存，如賽普拉斯的Semper Flash，通過防范各種針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的攻擊，提高整體系統(tǒng)的安全性。