如何在硬件級別實現安全特性以保護嵌入式系統
時間：2024-12-13 來源：華清遠見
在當今數字化時代，嵌入式系統廣泛應用于各個領域，從智能家居到工業控制，從醫療設備到汽車電子。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
嵌入式系統通常執行關鍵任務，一旦受到攻擊，可能導致嚴重后果。比如醫療設備的故障可能危及患者生命，工業控制系統的漏洞可能引發生產事故，汽車電子系統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方式
（一）安全啟動機制
安全啟動是確保嵌入式系統完整性的關鍵。在系統啟動時，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。芯片內部的安全模塊會存儲啟動代碼的哈希值，當系統啟動時，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，系統將拒絕啟動。例如，一些高端的物聯網網關設備在啟動時，通過這種方式防止惡意代碼在啟動階段植入系統，保障了整個設備運行的初始安全。
（二）硬件加密模塊
硬件加密模塊能夠對嵌入式系統中的數據進行高效、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，在數據傳輸和存儲過程中，即使數據被竊取，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（PUF）
PUF 是一種利用芯片制造過程中產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關進行安全認證，只有通過認證的設備才能接入家庭網絡，防止非法設備的接入，從而保護整個家庭網絡的安全。
（四）內存保護單元（MPU）
MPU 在嵌入式系統中扮演著重要角色，它可以對內存進行分區和保護。通過設置不同的訪問權限，如只讀、讀寫、可執行等，MPU 可以防止惡意軟件對內存中的關鍵數據和代碼進行非法訪問。在一個多任務的嵌入式系統中，不同的任務可能運行在不同的內存區域，MPU 可以確保每個任務只能訪問自己被授權的內存空間，避免一個任務破壞其他任務的數據和代碼，提高了系統的穩定性和安全性。
（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，在汽車電子系統中，可以將娛樂系統和動力控制系統進行隔離。即使娛樂系統受到網絡攻擊，攻擊者也無法通過娛樂系統入侵到動力控制系統，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與應對
（一）成本問題
在硬件級別實現安全特性往往會增加生產成本。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品，這可能是一個挑戰。然而，我們可以根據系統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存保護機制。
（二）設計復雜性
硬件安全設計需要專業的知識和經驗，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，可能導致開發周期延長。為了解決這個問題，企業可以加強與專業的硬件安全設計團隊或芯片制造商的合作，利用他們的專業知識和成熟的技術來簡化設計過程。同時，在產品設計的初期就將安全需求納入考慮，而不是在產品開發后期再添加安全特性。
總之，在硬件級別實現安全特性對于保護嵌入式系統至關重要。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，但通過合理的策略和方法，我們可以為嵌入式系統打造一個堅固的硬件安全防線，確保其在復雜的應用環境中安全可靠地運行。
