如何使用多核處理器保護嵌入式解決方案

　　連接到互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品數量繼續以指數速度增長(cháng)。許多產(chǎn)品團隊面臨的問(wèn)題是嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員沒(méi)有足夠的安全經(jīng)驗。缺乏經(jīng)驗會(huì )導致被忽視的安全要求、安全漏洞和糟糕的實(shí)施。結果是連接的系統受到的保護很差，并且很容易竊取知識產(chǎn)權以及設備和用戶(hù)數據。

　　基于微控制器的系統的設計人員可以使用多種解決方案，這些解決方案可用于簡(jiǎn)化安全實(shí)施并為他們提供成功實(shí)現這一目標的工具。例如，單核微控制器可以使用Arm 的TrustZone，它是 Armv8-M 架構（及更高版本）的一部分。還有多核微控制器的解決方案。

　　本文展示了開(kāi)發(fā)人員如何使用多核處理器來(lái)保護他們的嵌入式解決方案。具體來(lái)說(shuō)，它檢查了賽普拉斯PSoC 64 安全微控制器及其提供的用于實(shí)施安全解決方案的工具。

　　嵌入式安全基礎

　　設計安全產(chǎn)品的核心基礎之一是利用基于硬件的隔離。這種隔離可以有多種形式，例如隔離的執行環(huán)境，或基于內存保護單元（MPU）的隔離內存。在最高級別，微控制器需要能夠將其執行環(huán)境分為安全處理環(huán)境 （SPE） 和非安全處理環(huán)境 （NSPE）。

　　SPE 是一個(gè)隔離的執行環(huán)境，它將其內存、組件和應用程序代碼與 NSPE 分開(kāi)。SPE 可以被認為是一個(gè)安全處理器。SPE 運行安全代碼和操作，例如安全操作系統和/或信任根 （RoT）。SPE 還將執行受信任的服務(wù)，例如加密、安全存儲、證明和安全日志記錄。與安全操作相關(guān)的有限數量的受信任應用程序將在 SPE 中運行。

　　就 NSPE 而言，它可以被認為是一個(gè)功能豐富的執行環(huán)境，它運行除了安全操作之外的所有東西。事實(shí)上，NSPE 確實(shí)是大多數嵌入式開(kāi)發(fā)人員所熟悉的編程模型。它有一個(gè) RTOS 和大多數應用程序的組件。

　　基于硬件的隔離是 Arm? 平臺安全架構 （PSA） 提供的用于構建安全系統的核心租戶(hù)或最佳實(shí)踐之一。我們剛剛討論的不同隔離層可以在圖 1 中看到，以 PSoC 64 為例。在此示例中，SPE 和 NSPE （1） 通過(guò)將運行時(shí)環(huán)境放在不同的處理器上來(lái)實(shí)現硬件隔離。除了運行時(shí)分離之外，RoT 和受信任的服務(wù)進(jìn)一步隔離 （2）。最后，SPE 中的每個(gè)受信任應用程序也使用受信任分區和 MPU 等工具進(jìn)行隔離 （3）。

圖 1：安全應用程序使用基于硬件的隔離來(lái)分隔執行環(huán)境。1） NSPE 和 SPE 隔離 2） RoT 和可信服務(wù)隔離 3） 可信應用程序隔離。（圖片來(lái)源：Arm/賽普拉斯）

　　PSoC 64 是雙核微控制器，其中 NSPE 在 Arm Cortex?-M4 處理器上執行，SPE 在 Arm Cortex-M0+ 處理器上執行。Arm Cortex-M0+ 運行所有安全功能，并可通過(guò)處理器間通信 （IPC） 總線(xiàn)與 Cortex-M4 通信。該架構限制了對硬件隔離的 SPE 的訪(fǎng)問(wèn)。

　　要開(kāi)始使用 PSoC 64，開(kāi)發(fā)人員需要查看PSoC 64 Secure Boot Pioneer Kit。

　　PSoC 64 安全啟動(dòng)先鋒套件

　　PSoC 64 Secure Boot Pioneer 套件（圖 2）具有開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始保護其應用程序所需的一切。首先，它有一個(gè) PSoC 64 模塊，其中包含 PSoC 64 微控制器、外部存儲器和所有支持電路（以紅色顯示）。外部存儲器可用于存儲應用程序代碼或用于存儲新固件映像以進(jìn)行安全的無(wú)線(xiàn)固件 （FOTA） 更新。

圖 2：PSoC 64 Secure Boot Pioneer 套件擁有開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)安全物聯(lián)網(wǎng)應用所需的一切。（圖片來(lái)源：賽普拉斯）

　　接下來(lái)，它有一個(gè) Wi-Fi 模塊，允許開(kāi)發(fā)人員將電路板連接到網(wǎng)絡(luò )。Wi-Fi 模塊對于板將連接到 AWS 或 Azure 等云服務(wù)的 IoT 應用程序特別有用。開(kāi)發(fā)板支持 Amazon FreeRTOS，我們將在下一節討論。

　　最后，Pioneer 套件支持廣泛的擴展功能，例如引腳接頭、Arduino接頭和一系列傳感器。開(kāi)發(fā)人員可以利用板載觸摸滑塊和觸摸按鈕、按鈕、電位器等。該板還設置為使幾乎任何應用程序的定制都非常容易。

　　PSoC 64 安全軟件套件

　　設計安全的嵌入式應用程序可能既耗時(shí)又具有挑戰性。開(kāi)發(fā)人員應該尋找有助于降低成本和縮短上市時(shí)間的解決方案，同時(shí)確保他們的應用程序是安全的。為此，PSoC 64 提供了廣泛的軟件，使開(kāi)發(fā)人員能夠快速構建安全的應用程序。

　　例如，CySecureTools為開(kāi)發(fā)人員提供了用于創(chuàng )建密鑰和證書(shū)的工具集，以及用于簽署用戶(hù)應用程序和配置賽普拉斯微控制器的工具。該工具允許開(kāi)發(fā)人員轉移 Cypress RoT，然后注入他們自己的安全資產(chǎn)。有關(guān)如何設置和使用 CySecureTools 的信息可以在 github 存儲庫 README 文件中找到。

　　物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)人員會(huì )發(fā)現一個(gè)有用的工具是使用 FreeRTOS支持AWS 。github 存儲庫包含將 FreeRTOS 和 AWS 與 PSoC 64 結合使用的有用示例。開(kāi)發(fā)人員感興趣的第一個(gè)示例是“Hello World”應用程序，它將 MQTT 消息從 PSoC 64 傳輸到 AWS 云。此示例允許開(kāi)發(fā)人員完成配置過(guò)程、密鑰生成和部署階段。在示例結束時(shí)，開(kāi)發(fā)人員擁有一個(gè)連接到 AWS 的安全嵌入式設備。有關(guān)如何入門(mén)的詳細信息，請參閱 CY8CKIT-064S0S204343套件指南入門(mén)。

　　使用 Trusted Firmware-M （TF-M） 保護應用程序

　　PSoC 64 為開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)開(kāi)箱即用的安全框架，可輕松針對應用進(jìn)行定制。開(kāi)發(fā)人員可能會(huì )發(fā)現從軟件角度了解幕后發(fā)生的事情很有用。具體來(lái)說(shuō)，PSoC 64 固件利用了稱(chēng)為 Trusted Firmware-M 或 TF-M 的開(kāi)源基線(xiàn)安全框架。

　　TF-M 是 Arm PSA IoT 安全框架的參考實(shí)現。它為開(kāi)發(fā)人員提供了有用的安全工具，例如設備證明、固件驗證、加密服務(wù)、設備機密管理和安全分區等。賽普拉斯利用 TF-M 構建其安全框架，以便開(kāi)發(fā)人員可以在他們的應用程序中使用它。

　　開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)添加自己的代碼、添加安全配置文件等等來(lái)修改他們的安全框架。但是，重要的是要記住，修改 SPE 軟件的次數越多，添加漏洞的可能性就越大。開(kāi)發(fā)人員需要仔細權衡與更改、添加或減少基線(xiàn)固件相關(guān)的風(fēng)險。

　　保護嵌入式應用程序的提示和技巧

　　首次希望保護其嵌入式應用程序的開(kāi)發(fā)人員需要考慮很多事情。以下是一些可以簡(jiǎn)化和加速開(kāi)發(fā)的“提示和技巧”：

　　在開(kāi)發(fā)周期的早期執行威脅模型和安全分析 （TMSA）。

　　使用開(kāi)發(fā)板測試設備 RoT、安全引導加載程序、設備配置過(guò)程和固件更新。

　　不要單獨實(shí)施安全！利用現有的開(kāi)源和安全固件堆棧來(lái)最大程度地減少返工。

　　請務(wù)必考慮設備的生命周期，包括如何安全退役。

　　探索 CySecureTools 等工具；此類(lèi)工具附帶示例安全模板、軟件和示例。

　　克隆 FreeRTOS github 存儲庫時(shí)，克隆最新的標記版本?？寺』顒?dòng)主線(xiàn)通常會(huì )導致發(fā)現工具不兼容和仍在進(jìn)行中的錯誤。

　　瀏覽 Cypress CY8CKIT-064S0S2-4343W 套件入門(mén)，開(kāi)始一個(gè)項目。它提供了運行基線(xiàn)應用程序所需的所有必要信息，然后可以針對特定產(chǎn)品目的進(jìn)行修改。

　　遵循這些“提示和技巧”的開(kāi)發(fā)人員會(huì )發(fā)現他們節省了相當多的時(shí)間和痛苦。

　　結論

　　安全并不一定很難。嵌入式開(kāi)發(fā)人員應該專(zhuān)注于他們產(chǎn)品的差異化，他們的秘訣。在大多數情況下，這不是安全性。本文探討了 PSoC 64 如何幫助開(kāi)發(fā)人員快速保護他們的應用程序，不僅提供基于硬件的隔離環(huán)境，還提供軟件工具框架。硬件和軟件解決方案共同為開(kāi)發(fā)人員提供了加速的安全開(kāi)發(fā)周期。