面向低功耗工業(yè)4.0應用的可編程安全功能

安全性是醫(yī)療、工業(yè)、汽車和通信領域的一個重大問題。許多行業(yè)都在采用基于互聯(lián)智能機器和系統(tǒng)的智能聯(lián)網(wǎng)機器及工藝，從而優(yōu)化工藝和流程。這些系統(tǒng)容易受到惡意攻擊、未知軟件錯誤的影響，而遠程控制甚至可能導致物理安全問題，因此必須防止未經(jīng)授權的訪問或非法控制。

工業(yè)發(fā)展的最新篇章，也就是常說的第四次工業(yè)革命（又稱工業(yè)4.0），開創(chuàng)了創(chuàng)新和發(fā)展的新紀元，但本身也存在一系列危險和挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0定義了系統(tǒng)、網(wǎng)絡、機器和人類之間的通信和互聯(lián)互通，其中包含物聯(lián)網(wǎng)（IoT），這將復雜性推向了新的高度。雖然互聯(lián)互通具有提高效率、實時識別和糾正缺陷、預測性維護以及改進各種功能之間的協(xié)作等優(yōu)勢，但這些優(yōu)勢也會顯著增加智能工廠或自動化生產(chǎn)基地的安全漏洞?！熬W(wǎng)絡”安全不再局限于特定的操作或系統(tǒng)，還會傳播到工廠車間或工業(yè)網(wǎng)絡上的每一臺設備。智能工廠里的控制系統(tǒng)（包括PLC、傳感器、嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)IoT設備）受到的安全威脅在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢?；谠茍?zhí)行的遠程管理也帶來了篡改、注入惡意內(nèi)容等物理攻擊的風險。

本文概述了FPGA如何推進縱深防御方法的發(fā)展以開發(fā)安全應用程序，這是在第四次工業(yè)革命的推動下，滿足IoT和邊緣計算迅速增長的需求的必經(jīng)之路。本文介紹了安全功能在硬件、設計和數(shù)據(jù)中的作用，以及如何在安全性的三個要素（機密性、完整性和真實性）基礎上構建應用程序。

一個可靠的安全系統(tǒng)必須具備以下三個核心元素：

可信：保證數(shù)據(jù)源可靠、獲得授權且經(jīng)過身份驗證

防篡改：確認設備沒有受到任何干擾

信息保障：以安全的方式使用、處理和傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)

通過FPGA實現(xiàn)基于硬件的安全功能

基于軟件的單一安全方法在生命周期、可編程性、功耗效率、外形等方面存在不足，在當前的工業(yè)4.0環(huán)境下，不足以達到滿足需求的安全等級，因此必須采用縱深防御安全機制，通過安全層加強硬件的防御能力。

如今，大多數(shù)安全框架都采用軟件實現(xiàn)，其中包含編譯為在通用控制器或處理器上運行的加密庫。這些軟件實現(xiàn)暴露了更大的易受攻擊范圍以及許多潛在攻擊點，例如操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、軟件協(xié)議棧、存儲器和軟鍵。此外，軟件實現(xiàn)可能未針對性能和功率進行優(yōu)化，因此會帶來設計挑戰(zhàn)。在工業(yè)系統(tǒng)的整個生命周期中，這些系統(tǒng)需要長期維護，同時協(xié)議棧、庫等方面也需要經(jīng)常更新，這些工作十分繁瑣且成本高昂。原則上，底層硬件必須在其結構中集成安全功能，以防止靜態(tài)和動態(tài)逆向工程、篡改和偽造攻擊。

因此，基于可編程硬件的安全功能已成為一種全面、穩(wěn)健的解決方案，適用于節(jié)能工業(yè)IoT和邊緣應用，尤其是采用FPGA的解決方案。除了提高系統(tǒng)的安全性能外，F(xiàn)PGA還可提高應用程序的安全等級。FPGA必須將關鍵安全組件集成到硬件、設計和數(shù)據(jù)中，以提供真正穩(wěn)健的解決方案，以下幾部分將對此加以討論。

保證FPGA硬件的安全

在制造地點或通過供應鏈運輸?shù)倪^程中，硬件可能會在部署前或預編程時受到攻擊。安全的生產(chǎn)系統(tǒng)支持在不太可信的制造環(huán)境中加密和配置FPGA，控制編程器件的數(shù)量，并以加密控制的方式審計制造過程；其結構必須可以避免復制品、惡意編程的FPGA和未經(jīng)驗證的器件。

保證FPGA設計的安全

設計安全性離不開安全的硬件平臺，這類平臺既可為設計提供機密性和身份驗證，又能監(jiān)視環(huán)境中的物理攻擊。邊信道攻擊（SCA）會破壞燒寫到器件中的比特流，因此可能會對集成了加密機制的FPGA造成嚴重威脅。SCA試圖通過測量或分析各種物理參數(shù)（如電源電流、執(zhí)行時間和電磁輻射），從芯片或系統(tǒng)中提取機密信息。無論是非易失性FPGA還是SRAM FPGA，燒寫或“加載”FPGA的過程都需要具備抵御邊信道攻擊的能力。

主動監(jiān)視器件環(huán)境是另一種防止FPGA設計受到半侵入式和侵入式攻擊的手段。電壓、溫度和時鐘頻率的波動可能表明有人試圖進行篡改。防篡改FPGA提供可定制的響應來抵御攻擊，其中包括完全擦除器件，從而使其對攻擊者毫無用處。

保證FPGA數(shù)據(jù)的安全

最后，除了確保硬件和設計的安全，F(xiàn)PGA還必須提供保護應用程序數(shù)據(jù)的技術，這包括不同方法的組合：

真隨機數(shù)生成器（TRNG），用于構建符合NIST標準的安全協(xié)議，并提供隨機性來源以生成用于加密操作的密鑰

通過物理不可克隆功能（PUF）生成根密鑰。PUF可利用在半導體生產(chǎn)過程中自然發(fā)生的亞微細粒變化，并賦予每個晶體管略微隨機的電氣特性和惟一身份，類似于人類的指紋，每一個都獨一無二

受密鑰保護的安全存儲器

能夠執(zhí)行符合行業(yè)標準的非對稱、對稱和hashtag函數(shù)的加密功能

結論

工業(yè)4.0是一場不斷深化的革命，其廣泛采用依賴于穩(wěn)健的端到端安全解決方案?；谲浖陌踩图用芄δ軐崿F(xiàn)容易存在弱點并遭到惡意利用。

相比之下，當今基于硬件的解決方案利用了具有內(nèi)置高級安全可編程功能的FPGA以及硬件、設計和數(shù)據(jù)中的安全層。這可提供旨在防止客戶IP遭到竊取或過度構建的硬件。這些數(shù)據(jù)安全功能的示例之一是用于抵御邊信道攻擊的DPA保護功能，這通常是一種獲得許可的專利功能。此外，基于物理不可克隆函數(shù)（PUF）的安全密鑰管理解決方案，以及支持符合行業(yè)標準的非對稱、對稱和hashtag函數(shù)的軟件可編程防邊信道攻擊加密處理器也同樣重要。

基于硬件的解決方案為打造真正靈活、安全的系統(tǒng)鋪平了道路。憑借其極高的可編程性、出色的性能和極佳的功耗等優(yōu)勢，基于硬件的FPGA安全解決方案將成為實現(xiàn)重要安全性能的不二之選。FPGA集成了防邊信道攻擊加密加速器，其中包含防篡改/防御措施，可保護客戶的知識產(chǎn)權，并提供可信的供應鏈管理，為開發(fā)安全系統(tǒng)提供一個安全平臺。