淺談應用于嵌入式設備的無線微控制器PKI技術

　　嵌入式設備一直很容易受到攻擊。近年來發生的變化是黑客訪問這些設備的能力。由于使用無線網絡互連它們的增長，用于保護工業控制器和類似設備的網絡中的氣隙已被填補。引入無線網絡是為了增加便利性和靈活性，但它們也為黑客發起攻擊提供了一種簡單的方法。需要的是能夠抵御攻擊的設備，使用多種技術來支持高安全性。

　　安全強化的關鍵是一組基本構建塊，當它們一起使用時，可以拒絕黑客攻擊并保持完整性。啟用無線的設備需要確保它能夠保持對自己的代碼和數據的控制，并支持與遠程端點的私有通信，這些端點可以提供必要的可信認證。

　　設備身份驗證必不可少的一個例子是中間人攻擊。這是一種攻擊，其中黑客攔截兩個合法設備之間的通信并竊聽對話，并更改他們收到的數據包，以獲取對其中一個或兩個設備的機密或條目的訪問權限。針對啟用了 Wi-Fi 的設備的常見攻擊是創建一個偽裝成合法路由器的接入點，將操縱的數據轉發到真正的接入點和設備本身。使用此類技術，攻擊者可能會了解執行成功登錄所需的訪問代碼，或者他們可能會注入導致設備出現故障的虛假數據或惡意軟件。

　　因此，受保護的對話很重要，這表明使用加密技術使潛在攻擊者的竊聽變得更加困難。但是，密碼學支持極大地簡化了創建安全設備的工作。

　　每個安全物聯網設備的中心都需要有一個信任根。這是計算機操作系統和軟件可以完全信任的嵌入式設備中的一組功能。在當今的設備中，信任根是通過使用公鑰基礎設施 （PKI） 加密來保證的——這種機制可以檢查任何設備的真實性及其操作的有效性。

　　如今，PKI 對于在高度分布式環境中成功利用密碼學至關重要。PKI 是圍繞創建非對稱使用的加密密鑰對而構建的。一種是可以自由分發的公鑰，用于加密發送給私鑰持有者的消息。與對稱密鑰系統相比，跨公共網絡無風險傳輸公鑰的能力大大提高了基于加密的安全性的可擴展性。

　　由于對稱系統使用相同的密鑰進行加密和解密，因此必須始終對未經授權的用戶保密。這使得向用戶提供受信任的密鑰變得極其困難，因為他們必須使用替代的、高度信任的渠道進行通信才能獲得密鑰。

　　在 PKI 下，只有私鑰的持有者才能解密公鑰持有者發送的消息。因此，密鑰必須保密。但是，PKI 支持的協議意味著永遠不需要將私鑰發送給另一個用戶。所有通信都可以通過使用公鑰和使用私鑰進行數字簽名的證書來支持。

　　PKI 事務可能是計算密集型的，這可能使其難以在嵌入式系統中實現。然而，使用專用協處理器將減輕處理來自主處理器的密鑰和加密數據的負擔。德州儀器（TI） SimpleLink CC3220 無線微控制器上提供了這種協處理器。CC3220 解決方案將 Wi-Fi 收發器、TCP/IP 網絡和加密引擎與基于 ARM? Cortex?-M4 MCU 的微處理器相結合。

　　圖 1：CC3220 的框圖。

　　互聯網上幾乎普遍使用的傳輸層安全 （TLS） 協議基于 PKI，可防止竊聽并有助于防止中間人攻擊。但是，使用 PKI 核心，可以超越消息加密和保護。該內核可以與精心設計的硬件功能結合使用，為嵌入式系統建立信任根，確保設備只能運行授權代碼，然后只能與網絡中其他地方的授權設備通信。

　　信任根背后的想法是，只有已由受信任方簽名的代碼才允許在啟動時運行，并且該代碼只能由同一受信任方更改。引導代碼的關鍵因素是它使用 PKI 技術進行數字簽名，創建一個與代碼本身內容相關的哈希值。此簽名過程通常由首先獲得或生成受制造商私鑰保護的基于 PKI 的數字證書的設備制造商執行。用于此過程的數字證書通常源自由高信任機構生成的根證書。

　　當加載到設備中并使用匹配的公鑰進行分析時，代碼簽名需要與二進制文件的內容精確匹配。對軟件的任何更改都會將哈希標記為無效，并且設備應拒絕從該映像啟動。這有助于防止以操縱存儲圖像為中心插入惡意代碼的攻擊。

　　公共代碼驗證密鑰需要與設備自己的私鑰一起存儲在安全內存中，它將用于生成可信密鑰對以與其他設備進行通信。CC3220 上提供了這樣的功能。除了對代碼驗證密鑰和本地系統的私鑰進行安全存儲外，該設備還提供受信任的根證書目錄，可用于驗證設備制造商或服務運營商提供的其他數字簽名的真實性。

　　需要從服務器發送的代碼更新和其他安全數據可以使用類似的過程進行驗證，如圖 2 所示。首先，服務器生成一個公鑰/私鑰對并將公共版本傳遞給設備。這用于生成臨時密鑰對。派生的公鑰被傳輸到應用服務器。加密文件可以通過不安全的通道（例如 Wi-Fi）傳輸，并在設備上解密一次，然后對其簽名進行最終的真實性檢查。

　　圖 2：用于向設備提供安全內容的過程。

　　如果簽名不匹配，任何未經授權的代碼或數據更新都可能被拒絕。此外，保護設備免受涉及更新過程中重置引起的中斷的攻擊。潛在地，具有部分安裝固件的設備可能容易受到利用軟件在重新啟動時處于不確定狀態的攻擊。在 CC3220 上，重置后會觸發自動回滾，以確保只有完全安裝且經過認證的固件才能運行。

　　CC3220 提供進一步的篡改檢測和保護功能。理想情況下，信任根使用 PKI 操作將受信任區域從自身擴展到覆蓋系統的其他元素，例如在執行前簽名和檢查的應用程序代碼。但是，有可能在工廠引入惡意代碼，或者運行各種服務的需要涉及加載不受信任的代碼。另一種情況可能是黑客獲得對設備的物理訪問權限，并通過直接操縱內存總線引入自己的代碼。CC3220 中的安全警報計數器跟蹤訪問違規，例如嘗試使用無效或不正確的安全令牌讀取或寫入文件。當系統達到預定義的安全警報限制時，設備將被鎖定。要從鎖定狀態中恢復。

　　圖 3：CC3220 的安全特性。

　　在 CC3220 等設備上安裝硬件加密引擎的優勢在于，處理器無需加載可能不受信任的代碼即可運行 PKI 算法，然后它就可以測試引導軟件的其余部分的來源。加密和安全功能的代碼不僅由與主 Cortex-M4 內核一起運行的專用網絡處理器執行，而且存儲在 ROM 中，因此攻擊者無法修改它——即使是對系統具有物理訪問權限的攻擊者。

　　結論

　　結果是高度安全的無線微控制器的基礎，它可以兌現物聯網的承諾，成為一個安全、安全但靈活的智能控制環境。軟件開發人員需要采取其他措施來避免打開安全漏洞，但通過使用加密和僅與受信任方通信，攻擊者獲得設備訪問權限的可能性大大降低。