OmniShield處理器通過隔離提供安全性方案

安全性現(xiàn)在是許多嵌入式應(yīng)用程序的主要要求。隨著連接設(shè)備越來越多地融入我們的生活，其安全隱患可能是災(zāi)難性的——可能導(dǎo)致隱私、數(shù)據(jù)和財(cái)務(wù)信息的丟失，甚至在某些情況下導(dǎo)致死亡。

由于其行為有封閉性的特點(diǎn)，一般嵌入式平臺(tái)不需要考慮任何級(jí)別的安全性；然而，現(xiàn)在許多嵌入式設(shè)備都會(huì)聯(lián)網(wǎng)，并支持第三方下載軟件，這就引起人們對(duì)這些“智能”設(shè)備的安全和可信操作的密切關(guān)注。

這種“智能“超越PC和手機(jī)，由此引發(fā)了新的思考。

圖1- 不同應(yīng)用間隔離的SoC平臺(tái)

現(xiàn)在，為了使不同應(yīng)用程序的資產(chǎn)保護(hù)（如密碼，數(shù)據(jù)，證書等）相互隔離，必須要采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法，并在可移植性、可擴(kuò)展性和部署方便性方面提出了挑戰(zhàn)。為此，行業(yè)采用在嵌入式平臺(tái)中強(qiáng)制執(zhí)行多個(gè)受保護(hù)的環(huán)境的方法是至關(guān)重要的。保護(hù)一個(gè)或多個(gè)環(huán)境的能力使得這些應(yīng)用程序的可信操作需要防止來自物理上或者互聯(lián)網(wǎng)的外部攻擊。

什么是TEE？它是做什么的？

TEE在連接設(shè)備中提供一個(gè)安全區(qū)域，確保敏感數(shù)據(jù)在隔離、可信的環(huán)境中存儲(chǔ)、處理和保護(hù) - 通過提供隔離的、安全執(zhí)行的授權(quán)軟件，實(shí)現(xiàn)端到端的安全。換句話說，TEE表示一個(gè)與SoC中其他模塊隔離并能夠執(zhí)行可信應(yīng)用程序（TAs）的區(qū)域。

圖2 -由硬件支持的虛擬化強(qiáng)制執(zhí)行的隔離
TEE確?？蛻粼诎踩拓S富的應(yīng)用程序中運(yùn)行

TEE可以包括CPU和其他元件，如存儲(chǔ)器和IO；在許多情況下，可信應(yīng)用程序需要訪問安全加速器，這些加速器也必須駐留在TEE環(huán)境中，例如GPU、顯示端口、信任根（RoT）等。

通過讓授權(quán)的應(yīng)用程序在TEE中執(zhí)行，平臺(tái)可以按預(yù)期可信地運(yùn)行。此方法在為可信應(yīng)用程序提供保護(hù)不受非可信應(yīng)用程序干擾的同時(shí)，也能確保在這些區(qū)域如鍵盤、支付交易、生物識(shí)別等之間的信息交換能力。

位于嵌入式設(shè)備核心的可信執(zhí)行環(huán)境必須繼續(xù)發(fā)展，超越現(xiàn)有的二進(jìn)制方法，以保護(hù)新興設(shè)備中的可信資產(chǎn)和現(xiàn)有設(shè)備的新范式。我們認(rèn)為答案在于對(duì)這些存在風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品采取“多重信任”的方法。

GlobalPlatform 扮演什么角色？

GlobalPlatform已經(jīng)開始對(duì)多個(gè)市場(chǎng)/應(yīng)用程序的TEE應(yīng)用程序編程接口（API）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化支持。這些標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口大大減少了應(yīng)用程序開發(fā)人員的挑戰(zhàn)。例如，可信應(yīng)用程序開發(fā)過程可以與豐富多樣的應(yīng)用程序開發(fā)過程解耦。有了TEE，原本曾經(jīng)緊密相連的工作，開發(fā)人員可以通過獨(dú)立創(chuàng)建一組通用應(yīng)用程序接口來實(shí)現(xiàn)。這允許互操作性和易用性，并最終加速部署需要安全和可信操作的應(yīng)用程序。

由GlobalPlatform定義的可信執(zhí)行環(huán)境（TEE）為軟件開發(fā)人員提供了一個(gè)開源、透明的環(huán)境，可以通過一個(gè)平臺(tái)安全可靠的操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)他們應(yīng)用程序的保護(hù)，不受其他應(yīng)用程序的危害。

TEE的今天和未來

TEE是一種在多環(huán)境共存的同時(shí)，建立起策略來保護(hù)每個(gè)環(huán)境的代碼和數(shù)據(jù)的方法。GlobalPlatform TEE的初始部署主要用于移動(dòng)空間，解決諸如安全視頻路徑或安全支付等應(yīng)用程序。然而，在過去的幾年中，在其他應(yīng)用領(lǐng)域，如消費(fèi)電子、智能家電、家庭網(wǎng)關(guān)、無人駕駛飛機(jī)等，也出現(xiàn)了類似的需求。

隨著行業(yè)正朝著采用異構(gòu)性的可信應(yīng)用程序遷移，從操作、安全要求、認(rèn)證授權(quán)，更新和打補(bǔ)丁的頻率等不同，以及其他方面的考慮，人們對(duì)單一TEE結(jié)構(gòu)下管理這些關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用有更多的關(guān)注。需要在各自獨(dú)立的環(huán)境中保留這些可信應(yīng)用程序，從而為最易受攻擊的路徑添加另一層保護(hù)。

一個(gè)多可信的TEE可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)可信筒倉(cāng)（silos），以處理混合可信應(yīng)用程序，每個(gè)TA都要在自己的可信環(huán)境上執(zhí)行。有了多可信TEE，驗(yàn)證和LCM（生命周期管理）的易用性使部署更輕松從而加快上市時(shí)間

圖3 -多信任TEE允許同時(shí)運(yùn)行多個(gè)TEE

一個(gè)多可信的TEE允許應(yīng)用程序開發(fā)人員只關(guān)注他們自身應(yīng)用程序的安全功能，就像他們使用一個(gè)單一的TEE一樣，而不用擔(dān)心會(huì)受到來自相鄰可信應(yīng)用程序的干擾。

多可信TEE上的“安全數(shù)據(jù)路徑”示例

在一些宿主應(yīng)用程序中，有一系列并發(fā)運(yùn)行的、不同的輔助安全任務(wù)，支持宿主應(yīng)用程序，而且越來越需要保持每個(gè)任務(wù)的自主性。一個(gè)例子是運(yùn)行安全視頻流的控制路徑，并將它與相鄰的支付流隔離。每個(gè)流程都需要符合特定的認(rèn)證，并且具有不同的生命周期。除了來自不同的獨(dú)立第三方的遠(yuǎn)程管理，這種差異可能對(duì)不同任務(wù)的資產(chǎn)造成危害和污染。

多可信TEE提供了支持多個(gè)并發(fā)TAs的機(jī)制，不同的TA可以在各自可信任環(huán)境中獨(dú)立運(yùn)行。，支持多個(gè)TEE的能力使軟件能夠更加獨(dú)立的進(jìn)行補(bǔ)丁、更新和生命周期管理。

圖 4- 多信任TEE示例操作雙隔離DRM流程

硬件虛擬化的必要性

在嵌入式環(huán)境中，硬件虛擬化的使用是通過隔離，維持應(yīng)用程序在一個(gè)潔凈的執(zhí)行環(huán)境，同時(shí)防止軟件交叉污染和泄漏，以確保安全性。此外，該技術(shù)還可以將關(guān)鍵資產(chǎn)（如設(shè)備通信接口（軟件棧）、存儲(chǔ)和其他資源）隔離和保護(hù)到自己的地址空間中，并確保不能從任何其他應(yīng)用程序的地址空間訪問。

每一個(gè)這些獨(dú)立的內(nèi)存空間都被稱為“域”。每個(gè)系統(tǒng)功能只能使用自己的域，通常不能訪問其他功能所使用的域。通過擁有多個(gè)域，每一個(gè)單一功能都與其他功能和系統(tǒng)的其余部分相隔離。訪問在多個(gè)域之間共享的內(nèi)存空間由特權(quán)級(jí)內(nèi)核源代碼以編程方式進(jìn)行控制。

圖5- Imagination’s OmniShield-使處理器通過隔離提供安全性

基于硬件虛擬化的架構(gòu)可以提供許多好處：
? CPU 整合
? 隔離關(guān)鍵軟件
? 安全更新
? 減少Q(mào)A、測(cè)試和認(rèn)證
? 加速市場(chǎng)投放時(shí)間

GlobalPlatform兼容的MIPS Omnishield Sierra TEE

MIPS omnishield?sierraTEE 是一個(gè)GlobalPlatform兼容的TEE，用于基于Imagination Technologies 的 MIPS OmniShield-ready CPUs。

Omnishield利用硬件虛擬化技術(shù)，為支持CPU、GPU和SoC其他關(guān)鍵部件的安全異構(gòu)操作提供了基礎(chǔ)。它超越了二進(jìn)制方法，在CPU、GPU、內(nèi)存和外設(shè)中創(chuàng)建多個(gè)安全域。在那里，每個(gè)安全/非安全應(yīng)用程序可以在自己的域中獨(dú)立運(yùn)行。

Sierra TEE 采用 omnishield虛擬化技術(shù)來執(zhí)行硬件級(jí)的隔離，以支持單一TEE和多可信TEE運(yùn)行。通過這種方式，它完全保護(hù)安全應(yīng)用程序和相關(guān)外圍設(shè)備在豐富的環(huán)境中的代碼運(yùn)行。這意味著，即使攻擊者設(shè)法在Rich OS中獲得完全的管理員權(quán)限，它也不能訪問安全域。

在一個(gè)具有多個(gè)域的系統(tǒng)中，相應(yīng)的管理程序（SierraVisor）使多個(gè)并行客戶系統(tǒng)保持隔離。SierraVisor與SierraTEE的結(jié)合使得TEE和各自域中的豐富環(huán)境下都能夠發(fā)揮作用。

結(jié)論

隨著嵌入式的行業(yè)從專有封閉環(huán)境過渡到連接豐富的世界，現(xiàn)在對(duì)安全的需求成為必然。

通過采用由業(yè)界專家定義并驗(yàn)證的開放標(biāo)準(zhǔn)，安全性的實(shí)現(xiàn)、部署和管理變得更加穩(wěn)健和高效。

GlobalPlatform在引領(lǐng)提供一組強(qiáng)大的開放的TEE應(yīng)用可編程接口，確保安全數(shù)據(jù)在一個(gè)隔離的、可信環(huán)境下存儲(chǔ)、處理和保護(hù) - 使得可信的應(yīng)用程序在一個(gè)筒倉(cāng)（silo）內(nèi)執(zhí)行。

硬件虛擬化為通過隔離創(chuàng)建安全性提供了基礎(chǔ) — 創(chuàng)建帶有強(qiáng)制策略的隔離域以維護(hù)可信操作。此技術(shù)可以為多可信TEE提供基礎(chǔ)，從而進(jìn)一步隔離可信應(yīng)用程序，同時(shí)改進(jìn)平臺(tái)的部署和生命周期管理。

SierraTEE 在MIPS平臺(tái)上作為多可信TEE運(yùn)行，為開發(fā)者提供了在防止其他交叉污染環(huán)境下的可信環(huán)境中創(chuàng)建應(yīng)用程序的理想生態(tài)系統(tǒng)。

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