根隔離：顯式安全性的關(guān)鍵

OEM 越來(lái)越要求其下一代系統(tǒng)具有更高的安全性。反過(guò)來(lái)，系統(tǒng)和片上系統(tǒng) （SoC） 設(shè)計(jì)人員的負(fù)擔(dān)是保護(hù)敏感資產(chǎn)免受未經(jīng)授權(quán)或惡意訪問(wèn)的負(fù)擔(dān)。在大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)社區(qū)選擇硬件而不是軟件方法來(lái)設(shè)計(jì)安全性。

如今，設(shè)計(jì)人員將獲得各種安全處理器品牌。但是，它們中的大多數(shù)都遵循幾乎相同的芯片架構(gòu)。它最好的特征是基本上有兩個(gè)域，一個(gè)是非安全的，而另一個(gè)是安全的，用一個(gè)位將安全域與非安全域分開(kāi)，圖 1。

圖 1a 和圖 1b – 安全芯片架構(gòu)的特點(diǎn)是具有兩個(gè)域。一個(gè)是非安全的（圖 1b），而另一個(gè)是安全的（圖 1a），用一個(gè)位將安全域與非安全域分開(kāi)。

此外，來(lái)自不同實(shí)體（其中實(shí)體可能是 SoC 供應(yīng)商、設(shè)備 OEM、服務(wù)提供商、最終用戶或設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)中的其他參與者）的不同應(yīng)用程序可能在同一安全域中運(yùn)行。但是，它們彼此之間并不隔離，它們不僅可以訪問(wèn)自己的密鑰，還可以訪問(wèn)其他應(yīng)用程序中的密鑰。硬件分區(qū)不是在不同實(shí)體之間進(jìn)行的，而只是在安全和非安全之間。

用于安全應(yīng)用程序的沙盒

實(shí)際上，安全處理器使用一位為安全應(yīng)用程序創(chuàng)建沙箱，如圖1a。計(jì)算機(jī)安全術(shù)語(yǔ)中的“沙盒”是指一種軟件或硬件結(jié)構(gòu)，其中創(chuàng)建一個(gè)單獨(dú)的、受限制的環(huán)境，僅用于運(yùn)行某些應(yīng)用程序，通常對(duì)其操作有一組特定的限制。

實(shí)際上，此沙箱適用于安全應(yīng)用程序，可以說(shuō)每個(gè)安全應(yīng)用程序都在同一個(gè)沙箱中運(yùn)行。運(yùn)行安全應(yīng)用程序的實(shí)體之間沒(méi)有隔離。如果正在運(yùn)行安全應(yīng)用程序，則它與其他所有應(yīng)用程序一起處于“安全”世界中。在這種情況下，問(wèn)題之所以出現(xiàn)，是因?yàn)椴煌膶?shí)體在安全方面可能并不完全相互信任。如果一個(gè)實(shí)體遭受惡意攻擊，則會(huì)危及所有其他實(shí)體的安全性。

讓我們以編寫(xiě)不佳的數(shù)字版權(quán)管理 （DRM） 內(nèi)容保護(hù)應(yīng)用程序?yàn)槔Ｋ赡軙?huì)危及在同一處理器上運(yùn)行的支付應(yīng)用程序的安全性，并允許訪問(wèn)銀行信息。同樣，這里的問(wèn)題是應(yīng)用程序之間缺乏隔離。一個(gè)編寫(xiě)不當(dāng)或惡意的應(yīng)用程序可能會(huì)危及在該處理器上運(yùn)行的其他應(yīng)用程序的安全性。

這是一個(gè)缺點(diǎn)。另一個(gè)問(wèn)題是存在廣泛的攻擊，攻擊者可以更改設(shè)計(jì)中的信號(hào)值。那些所謂的“故障攻擊”或“毛刺攻擊”是基于擾動(dòng)電路以改變其操作。它們的范圍從簡(jiǎn)單的電源和時(shí)鐘毛刺到激光脈沖、電磁脈沖等。正確執(zhí)行的此類(lèi)攻擊可以將位控制安全模式更改為某些操作的安全模式，從而允許非安全應(yīng)用程序訪問(wèn)敏感數(shù)據(jù)和密鑰。

許多域和隔離

另一方面，考慮具有多個(gè)域或多個(gè)信任根的安全處理器內(nèi)核，圖 2。在這種情況下，每個(gè)實(shí)體都有一個(gè)單獨(dú)的安全域。這些安全域使用強(qiáng)大的硬件安全性彼此完全分離。密鑰和硬件資源等安全資產(chǎn)是完全隔離的。

圖 2 – 具有多個(gè)域或多個(gè)信任根的安全處理器內(nèi)核。

在此安全處理器體系結(jié)構(gòu)中，每個(gè)實(shí)體都有自己的一組已簽名應(yīng)用程序。當(dāng)安全處理器從一個(gè)應(yīng)用程序切換到另一個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，所有上下文都會(huì)從安全處理器中刷新。當(dāng)安全處理器從一個(gè)應(yīng)用程序切換到另一個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，不會(huì)保留任何數(shù)據(jù)、密鑰或其他信息。唯一的例外是能夠在不同的應(yīng)用程序之間傳遞消息，如果應(yīng)用程序編寫(xiě)器明確需要的話。這可確保不同實(shí)體之間無(wú)法共享任何上下文。

因此，安全資產(chǎn)被完全安全地分配給特定實(shí)體，因此默認(rèn)情況下沒(méi)有重疊，這意味著不允許不同的實(shí)體訪問(wèn)相同的資源。但是，如果分配正確，重疊是可以接受的。

假設(shè)有一個(gè) SoC 供應(yīng)商使用的測(cè)試和調(diào)試端口。它希望向其 OEM 客戶提供相同的測(cè)試和調(diào)試端口。它們可能允許為 OEM 根設(shè)置與為 SoC 供應(yīng)商的根設(shè)置相同的權(quán)限位，從而允許訪問(wèn)該特定測(cè)試和首次亮相資源。

相反，SoC 供應(yīng)商可能具有它想要保留的其他測(cè)試和調(diào)試端口，而不是使它們可用。因此，在如何進(jìn)行這些分配方面存在完全的靈活性，這在很大程度上取決于 SoC 設(shè)計(jì)人員想要重疊的資源類(lèi)型。其他安全功能不能重疊。以加密和解密密鑰為例。每個(gè)實(shí)體都有一個(gè)單獨(dú)的密鑰空間或一組密鑰，它們不能相互共享。

分配給每個(gè)根的鍵

在此信任體系結(jié)構(gòu)的多個(gè)根中，將為每個(gè)根分配一組密鑰。如上所述的一個(gè)操作是，它們使應(yīng)用程序能夠針對(duì)每個(gè)根進(jìn)行不同的簽名。因此，每個(gè)根本質(zhì)上都有自己的一組私有應(yīng)用程序。將應(yīng)用程序加載到安全處理器內(nèi)核時(shí)，將標(biāo)識(shí)根，然后硬件專(zhuān)門(mén)為該根配置自身。

此外，與根關(guān)聯(lián)的鍵提供了根使用的一組完整的、隔離的派生密鑰。因此，一個(gè)密鑰可以變成多個(gè)密鑰，而這些密鑰可用于相當(dāng)多的不同安全操作。但是每組密鑰對(duì)于每個(gè)根都是唯一的，并且一個(gè)根無(wú)法從另一個(gè)根訪問(wèn)密鑰，這是硬件強(qiáng)制執(zhí)行的。

一組權(quán)限也與每個(gè)根相關(guān)聯(lián)。這些權(quán)限與安全處理器內(nèi)核中的不同硬件資源相關(guān)，例如調(diào)試和 I/O 引腳。這些不同的資源可以在不同的根之間分區(qū)，同樣是硬件強(qiáng)制執(zhí)行的。一個(gè)根可能能夠訪問(wèn)調(diào)試端口;另一個(gè)根可能沒(méi)有或只能部分訪問(wèn)這些。

一個(gè)根可能能夠控制芯片上的某些外部邏輯。另一個(gè)根可能能夠控制一組不同的外部邏輯，但可能與另一個(gè)根不同。在本例中，讓我們?cè)俅问褂梦覀兊臏y(cè)試和調(diào)試示例。SoC 供應(yīng)商有一個(gè)根，使其能夠完全控制測(cè)試和調(diào)試邏輯，并完全控制該 SoC 其他方面的配置。

它可能會(huì)向購(gòu)買(mǎi)其SoC的OEM授予部分功能，但不是全部功能。SoC 供應(yīng)商可能不希望 OEM 能夠訪問(wèn)所有測(cè)試和調(diào)試邏輯，因?yàn)?OEM 可能會(huì)過(guò)多了解供應(yīng)商不想共享的 SoC 技術(shù)。它可能允許 OEM 配置 SoC 的某些部分，但不是全部。

從一個(gè)實(shí)體到另一個(gè)實(shí)體的委派是根的另一個(gè)方面。與 SoC 供應(yīng)商可以將某些權(quán)限委派給 OEM 一樣，如果 SoC 供應(yīng)商授予 OEM 權(quán)限，OEM 也可以將某些權(quán)限委派給服務(wù)提供商。但是，該委派的權(quán)限必須是 OEM 已擁有的權(quán)限的子集。

此外，根據(jù)業(yè)務(wù)關(guān)系和系統(tǒng)要求，SoC 供應(yīng)商可能會(huì)讓 OEM 抹去 SoC 供應(yīng)商的根目錄。這意味著 SoC 供應(yīng)商將無(wú)法再在 OEM 設(shè)備上運(yùn)行軟件。

根隔離對(duì)即將推出的 SoC 設(shè)計(jì)至關(guān)重要

如今，安全性對(duì)于繪圖板上的幾乎所有設(shè)備和系統(tǒng)都變得越來(lái)越重要。但是，設(shè)計(jì)人員必須記住，安全性有不同的用途，不同的實(shí)體需要安全功能。

例如，芯片制造商需要安全的功能來(lái)制造和測(cè)試其芯片產(chǎn)品。他們的 OEM 客戶還需要為其特定應(yīng)用提供安全性。服務(wù)提供商和其他人可能還需要安全功能。因此，SoC 設(shè)計(jì)人員需要提供可在芯片的整個(gè)生命周期中由這些不同實(shí)體使用的安全性。但是，他們希望在不損害自身安全的情況下實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

正如我們?cè)谶@里所說(shuō)，這個(gè)想法是在應(yīng)用程序之間隔離。一個(gè)編寫(xiě)不當(dāng)或惡意的應(yīng)用程序可能會(huì)危及該 SoC 中所有其他應(yīng)用程序的安全性。最重要的是避免每個(gè)應(yīng)用程序容易受到惡意攻擊，同時(shí)在該 SoC 上運(yùn)行的所有應(yīng)用程序之間保持完全信任。

審核編輯： 郭婷