（文章來源：電子工程世界）

在現(xiàn)代汽車嵌入式系統(tǒng)中，高度安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是必不可少的，尤其是在面對(duì)日益高明的網(wǎng)絡(luò)攻擊時(shí)。本文將介紹設(shè)計(jì)師正確使用閃存的步驟。對(duì)電子嵌入式系統(tǒng)的安全和安全保障需求從未有今天這樣強(qiáng)烈。隨著汽車的自動(dòng)化程度不斷提高，我們需要提高其安全保障水平，防止它們被黑客攻破。對(duì)于采用大量機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備，需要處理敏感數(shù)據(jù)的工廠來說，同樣如此。

對(duì)所有此類嵌入式系統(tǒng)來說，非易失性閃存存儲(chǔ)器必不可少。閃存可用作代碼存儲(chǔ)、文件系統(tǒng)存儲(chǔ)或直接運(yùn)行代碼的微控制器單元（MCU）存儲(chǔ)器。如果要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全性，必須首先確保系統(tǒng)使用的閃存存儲(chǔ)器是安全的。本文探討閃存存儲(chǔ)器的安全需求，幫助開發(fā)人員為汽車、工業(yè)和通信應(yīng)用構(gòu)建安全有保障的嵌入式系統(tǒng)。

如果我們仔細(xì)觀察現(xiàn)代汽車的電子系統(tǒng)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)閃存在整車上都得到廣泛使用。隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性增加，我們需要更大容量的代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。車內(nèi)的所有子系統(tǒng)，包括高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、儀表系統(tǒng)、傳動(dòng)和車身系統(tǒng)，都需要嵌入式系統(tǒng)才能實(shí)時(shí)運(yùn)行。所有這些嵌入式系統(tǒng)都需要某種類型的閃存存儲(chǔ)器，用作代碼存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。例如，圖1所示的是一個(gè)使用多個(gè)NOR閃存器件的ADAS子系統(tǒng)。

在當(dāng)今的ADAS應(yīng)用中，復(fù)雜的算法和人工智能流程依賴在閃存存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)來運(yùn)行。存儲(chǔ)必須提供故障安全和安全保障，因?yàn)橄到y(tǒng)故障或惡意攻擊可能導(dǎo)致嚴(yán)重的人身傷害乃至身故。

在工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，也存在對(duì)存儲(chǔ)解決方案的類似安全與安全保障需求。在互聯(lián)互通程度不斷提高的大背景下，黑客能突破任何與互聯(lián)網(wǎng)相連的薄弱實(shí)體，竊取敏感信息，或者將被攻破的設(shè)備當(dāng)作跳板，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的其他地方發(fā)起攻擊。因此，構(gòu)建有安全保障的系統(tǒng)，避免發(fā)生這種類型的攻擊，變得至關(guān)重要。

多年來，閃存存儲(chǔ)器廠商一直提供純粹的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)于這些應(yīng)用，耐久度和保持能力是衡量閃存存儲(chǔ)器質(zhì)量的兩大指標(biāo)。安全保障并非是對(duì)這類型閃存器件的要求，這就意味著存儲(chǔ)在閃存上的數(shù)據(jù)要么完全不受保護(hù)，要么使用未經(jīng)認(rèn)證的命令進(jìn)行保護(hù)。

例如，一些閃存器件通過正常命令集提供基本的保護(hù)功能，例如針對(duì)編程或擦除操作對(duì)扇區(qū)提供非易失性或易失性保護(hù)、針對(duì)編程或讀取操作的密碼保護(hù)等。這些功能雖是好功能，但不足以抵御手段高明的攻擊。如果黑客能夠訪問閃存器件的總線接口，他們就能輕易地提取或修改設(shè)備上的數(shù)據(jù)。

為了保障安全，閃存器件必須保護(hù)存儲(chǔ)的代碼和數(shù)據(jù)免受多種手段的攻擊。下面總結(jié)了閃存存儲(chǔ)設(shè)備需要加以防范的幾種攻擊。MIM攻擊中的黑客常模仿通信信道的發(fā)送方，發(fā)送命令或消息給另一側(cè)，以竊取或修改數(shù)據(jù)（圖2）。因此，有必要認(rèn)證主機(jī)和閃存設(shè)備間的每一條消息。認(rèn)證可通過在主機(jī)和閃存上使用公共密鑰，生成伴隨實(shí)際消息的消息認(rèn)證碼（MAC）來實(shí)現(xiàn)。接收方可以在對(duì)消息采取行動(dòng)之前先驗(yàn)證MAC。

為了防止在密鑰受損時(shí)系統(tǒng)被永久破壞，通常需要使用臨時(shí)密鑰。臨時(shí)密鑰會(huì)在一定時(shí)間或在一定次數(shù)后失效。這樣做的目的是盡可能避免密鑰被破壞性物理分析或其它迭代攻擊等方法進(jìn)行解密。另一種中間人攻擊則是在一定時(shí)間以后重放截獲的合法消息。為了防范重放攻擊，主機(jī)和閃存設(shè)備必須使用累加計(jì)數(shù)器生成MAC。由于當(dāng)前的累加計(jì)數(shù)器值與上一消息的值不同。

一些黑客可以使用先進(jìn)的技術(shù)讀取閃存芯片中的全部內(nèi)容，通過非法克隆牟利。為了防范此類攻擊，每個(gè)閃存芯片都必須擁有任何人都不能讀取的唯一設(shè)備秘密（UDS）。UDS值具有唯一性，是每個(gè)芯片內(nèi)的真實(shí)隨機(jī)值。一個(gè)芯片和另一個(gè)芯片中的UDS之間毫無關(guān)聯(lián)。

UDS可用于推導(dǎo)復(fù)合設(shè)備標(biāo)識(shí)符（CDI），而這個(gè)標(biāo)識(shí)符是生成可信計(jì)算工作組織（TCG）設(shè)備標(biāo)識(shí)符組合引擎（DICE）規(guī)格定義的設(shè)備ID證書的基礎(chǔ)。一般來說，設(shè)備也在CDI的基礎(chǔ)上，為所有用主機(jī)導(dǎo)出的密鑰生成別名私鑰公鑰對(duì)。這樣就無需暴露設(shè)備ID的私鑰。有了UDS和DICE流程后，由于UDS在物理上不可克隆，因此黑客就無法克隆設(shè)備。

被動(dòng)偵聽是另外一種已知的攻擊方式。攻擊者通過在總線上竊聽，可從通過總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中搜集敏感信息或機(jī)密情報(bào)。為保護(hù)重要數(shù)據(jù)，用戶可選擇在通過總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到閃存設(shè)備，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)前為數(shù)據(jù)加密。當(dāng)主機(jī)從設(shè)備檢索數(shù)據(jù)時(shí)，也應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，讓潛在的黑客永遠(yuǎn)無機(jī)可乘。

也許有人會(huì)說，加密方法不需要有安全保障的閃存存儲(chǔ)解決方案，因?yàn)橹鳈C(jī)可以直接加密數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)到閃存中。只有主機(jī)才能解密數(shù)據(jù)。然而，這樣做也有一定的缺點(diǎn)。其中之一是主機(jī)不能輕易地棄用加密密鑰。例如，假設(shè)使用KeyA加密數(shù)據(jù)并將其存儲(chǔ)在閃存中，后來用戶發(fā)現(xiàn)KeyA已被攻破，就需要在系統(tǒng)上使用不同的密鑰，即KeyB。

這時(shí)，主機(jī)陷入兩難境地：它不能直接棄用KeyA，因?yàn)樗枰Ａ粼撁荑€，才能解密從設(shè)備讀取的數(shù)據(jù)。然而，如果KeyA被攻破，用戶可能不想永久保留它。如果要使用新的數(shù)據(jù)加密密鑰，用戶不得不采取更復(fù)雜的措施。先擦除閃存上的原始加密數(shù)據(jù)，再用新加密的數(shù)據(jù)為閃存編程。這種操作在現(xiàn)場(chǎng)并非易事，且存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

另一方面，如果有安全保障的閃存能夠提供加密和解密功能，它就能在其有安全保障的存儲(chǔ)中安全地存放明文數(shù)據(jù)，并在將數(shù)據(jù)發(fā)回給主機(jī)之前進(jìn)行加密處理。如果當(dāng)前的加密密鑰被攻破，主機(jī)可以簡(jiǎn)單地與設(shè)備交換新的密鑰。存儲(chǔ)中的數(shù)據(jù)保持完整且有安全保障，與存儲(chǔ)加密數(shù)據(jù)相比，是一種簡(jiǎn)單得多的方法。

在現(xiàn)代的多核嵌入式系統(tǒng)中，多個(gè)MCU或硬件安全模塊（HSM）可能可以訪問同一個(gè)閃存存儲(chǔ)。閃存設(shè)備有必要提供一種靈活的存儲(chǔ)器架構(gòu)，可以對(duì)其進(jìn)行分區(qū)和配置，以便通過不同的內(nèi)核管理不同的區(qū)域。這些不同區(qū)域可提供不同水平的安全保障，或者在完全不需要時(shí)，取消安全保障。

通過了解eMMC標(biāo)準(zhǔn)和UFS標(biāo)準(zhǔn)，我們顯然可以看到支持多個(gè)安全區(qū)域的趨勢(shì)。當(dāng)前的eMMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了重放保護(hù)內(nèi)存塊（RPMB）。最新的UFS（v3．0）標(biāo)準(zhǔn)可為四個(gè)RPMB分區(qū)提供智能支持，它們由四個(gè)不同的密鑰進(jìn)行管理。這樣的存儲(chǔ)器架構(gòu)靈活性在多核SoC環(huán)境中更加合適。眾多嵌入式系統(tǒng)都在閃存中存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼。部分是因?yàn)樾枰焖賳?dòng)，例如汽車子系統(tǒng)需要在加電重置（POR）的100ms內(nèi)處理CAN消息。系統(tǒng)不僅需要安全啟動(dòng)（即驗(yàn)證啟動(dòng)代碼），還需要快速啟動(dòng)。這就給嵌入式設(shè)計(jì)師提出更高的挑戰(zhàn)。

一般情況下，在運(yùn)行存儲(chǔ)并下載（SnD）模式時(shí)，主機(jī)從閃存讀取引導(dǎo)加載程序并映射給RAM執(zhí)行。然而，要想安全啟動(dòng)，就需要檢查認(rèn)證整個(gè)引導(dǎo)加載程序代碼，以確保其可信性。這個(gè)過程需要在MCU上花費(fèi)時(shí)間。有安全保障的閃存存儲(chǔ)能夠提供引導(dǎo)加載認(rèn)證，大幅度縮短啟動(dòng)時(shí)間。

安全的閃存設(shè)備能夠使用內(nèi)部安全散列函數(shù)檢查引導(dǎo)加載程序，并為主機(jī)提供驗(yàn)證用散列值。如果散列值未發(fā)生改變，就說明引導(dǎo)加載程序未被篡改，可以安全地用于啟動(dòng)。對(duì)于現(xiàn)代的嵌入式應(yīng)用而言，現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)是必備功能。通過遠(yuǎn)程升級(jí)系統(tǒng)的固件或軟件，制造商能夠快速解決問題、提供新增特性、提升用戶體驗(yàn)。然而，遠(yuǎn)程升級(jí)也會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成安全威脅。沒人希望黑客利用現(xiàn)成的更新通道，讓系統(tǒng)運(yùn)行惡意固件或軟件。

除了依靠CPU提供的安全保障，閃存設(shè)備內(nèi)部的安全引擎也能大幅提高FOTA流程的安全水平（圖3）。采用這樣的安全引擎后，提供啟動(dòng)代碼存儲(chǔ)的閃存設(shè)備不僅可以用閃存設(shè)備旁邊的主機(jī)認(rèn)證固件提供商，也可以在遠(yuǎn)程云上進(jìn)行認(rèn)證。通過這種方式，可以為閃存中的固件更新或軟件更新建立端到端的通道安全。

現(xiàn)代汽車、工業(yè)、通信使用的嵌入式系統(tǒng)需要有高度安全保障的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是，如何構(gòu)建能夠抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊的安全系統(tǒng)。集成安全保障特性的閃存，如賽普拉斯的Semper Flash，通過防范各種針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的攻擊，提高整體系統(tǒng)的安全性。
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