應(yīng)用嵌入式芯片構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的設(shè)計(jì)方案

　　伴隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全的需求也與日俱增。網(wǎng)絡(luò)安全需要依靠硬件平臺(tái)與高質(zhì)量軟件相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)，其中硬件平臺(tái)是軟件的物理載體和外在表現(xiàn)。如何選擇與高質(zhì)量軟件相匹配的硬件平臺(tái)，將會(huì)直接影響網(wǎng)絡(luò)安全產(chǎn)品的可靠性和最終產(chǎn)品的市場(chǎng)定位。

　　嵌入式設(shè)備在很多應(yīng)用場(chǎng)合正在和因特網(wǎng)相連接，比如金融終端、蜂窩電話、機(jī)頂盒、無線接入點(diǎn)、醫(yī)療設(shè)備和公共信息電話亭。當(dāng)這些能夠上網(wǎng)的設(shè)備與因特網(wǎng)連接時(shí)，若是沒有足夠的安全考慮和措施，它們將會(huì)很容易受到攻擊，這些攻擊包括無意的訪問和惡意攻擊。攻擊可能會(huì)使設(shè)備的功能、操作以及包含的信息遭受破壞，所以應(yīng)該通過制定安全配置來加固和保護(hù)系統(tǒng)，以及通過檢測(cè)與響應(yīng)的方法應(yīng)對(duì)侵?jǐn)_。

　　什么是對(duì)快速侵?jǐn)_的檢測(cè)呢?那就是：對(duì)侵?jǐn)_做出響應(yīng)，把損害減至最小。同時(shí)，提高系統(tǒng)的安全性，幫助應(yīng)對(duì)將來可能發(fā)生的攻擊。在很多嵌入式設(shè)計(jì)中，安全方面的設(shè)計(jì)都集中在如何強(qiáng)化和保護(hù)設(shè)備以及將損失降到最低方面。設(shè)備的功能可以包括標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、E-mail客戶端或FTP 接入，以及接收和處理用戶信息并進(jìn)行授權(quán)和訪問控制的能力，在它們內(nèi)部隱含著各種類型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和文件系統(tǒng)。其常用的方法有兩種，即遠(yuǎn)程訪問方法與密鑰和解密算法。

　　之所以基于密鑰和解密算法，是因?yàn)榧用艿木W(wǎng)絡(luò)信息保證了信息內(nèi)容的機(jī)密性。其大多數(shù)加密方法也需要授權(quán)和數(shù)據(jù)完整*。而加密技術(shù)可以分成三個(gè)大類，即消息摘要、對(duì)稱(密鑰)密碼系統(tǒng)和不對(duì)稱(公開密鑰)密碼系統(tǒng)。

　　金融終端的網(wǎng)絡(luò)安全問題

　　許多嵌入式系統(tǒng)都是由通用計(jì)算機(jī)構(gòu)建的。這些計(jì)算機(jī)基于標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，具有經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)和代碼繼承性。雖然這些特性可能對(duì)設(shè)計(jì)者很有吸引力，但是這樣的系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)并沒有考慮到數(shù)據(jù)安全性。這使其并不適合很大一部分嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)份額，即處理敏感或保密信息的應(yīng)用。一些嵌入式系統(tǒng)，如金融終端、身份授權(quán)以及任何存儲(chǔ)口令和加密密鑰的系統(tǒng)都需要有力措施來保護(hù)它們的數(shù)據(jù)。另外，像自動(dòng)取款機(jī)(ATM)這種物理上暴露的應(yīng)用都是有風(fēng)險(xiǎn)的。顯然存在這樣一種需求，即把數(shù)據(jù)安全和通用計(jì)算機(jī)的便利性結(jié)合起來。

　　為通用計(jì)算機(jī)加入安全機(jī)制的最常見辦法，是使用昂貴的物理外殼保護(hù)系統(tǒng)。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來說，構(gòu)建難以攻破的物理屏障是不切實(shí)際的，必須假定在給定時(shí)間內(nèi)任何級(jí)別的物理安全機(jī)制都會(huì)被擊潰。數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的專家們斷言：“對(duì)私有數(shù)據(jù)的唯一有效保護(hù)措施就是用加密屏障將其包圍?！贝送?，系統(tǒng)必須能夠探測(cè)出物理入侵和密碼入侵，并且作為一種入侵響應(yīng)，能夠迅速地擦除掉存儲(chǔ)器內(nèi)容。能對(duì)入侵做出反應(yīng)的加密邊界可以為密鑰、程序和數(shù)據(jù)提供一個(gè)安全的保護(hù)層。[!--empirenews.page--]

　　實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全與保護(hù)的一個(gè)較理想的選擇就是用嵌入式處理器芯片(即DALLAS Semicon-ductor的DS5250高速安全微處理器)構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。

　　設(shè)計(jì)思想

　　之所以選用嵌入式處理器芯片作為網(wǎng)絡(luò)安全平臺(tái)，核心就在于它能實(shí)現(xiàn)一種安全協(xié)處理器的獨(dú)特功能。

　　使用它可將系統(tǒng)的處理功能分為安全功能和非安全功能。其安全功能包括那些使用和保護(hù)加密密鑰、口令、個(gè)人身份識(shí)別碼(PIN)和其它知識(shí)產(chǎn)權(quán)的功能。由此，不需要安全機(jī)制的系統(tǒng)功能要由非安全處理器完成。為非安全系統(tǒng)加入安全協(xié)處理器提高了系統(tǒng)的安全級(jí)別，而不用對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)。

　　簡單地配置一個(gè)安全協(xié)處理器會(huì)提高包含其它主要部件的系統(tǒng)安全性。安全協(xié)處理器負(fù)責(zé)系統(tǒng)中與安全性相關(guān)的任務(wù)，允許非安全處理器去完成主要的系統(tǒng)功能。這種功能上的分離簡化了設(shè)計(jì)流程，并且提高了系統(tǒng)性能。如表所示，其應(yīng)用大致可以分為以下幾方面的安全性和非安全性功能。

　　非安全處理器可能會(huì)是ARM、SHARC、POWER PC等，并可以使用非易失性存儲(chǔ)器，如閃存或EPROM。在非安全處理器和安全處理器之間一般會(huì)有專用的串行通信信道來傳送狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)。必須仔細(xì)地設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以保證安全處理器不會(huì)被攻破的非安全處理器欺騙，而泄露受保護(hù)的信息。

　　安全協(xié)處理器的主要功能是為存儲(chǔ)口令、PIN碼和私有密鑰提供空間。這樣的器件必須是專用的，并整合強(qiáng)有力的加密功能，而且還要足夠靈活，以支持各種系統(tǒng)級(jí)的安全功能。安全協(xié)處理器的重要特性如下：

　　為保密數(shù)據(jù)包括口令、PIN碼和加密密鑰提供安全保護(hù)。保存這些數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器總線必須使用強(qiáng)大的加密技術(shù)進(jìn)行加密，如DES或其它類似算法。這種存儲(chǔ)器保護(hù)允許安全協(xié)處理器和應(yīng)用作為一個(gè)整體來保證安全交易可信無誤。

　　必須采用主動(dòng)防入侵檢測(cè)功能，來檢測(cè)物理以及環(huán)境的(電壓或溫度變化)入侵，它還應(yīng)該能夠發(fā)現(xiàn)外圍級(jí)別的入侵企圖，例如毀壞外殼。

　　一旦發(fā)現(xiàn)入侵，必須使用主動(dòng)防入侵響應(yīng)。一旦檢測(cè)到入侵事件，安全協(xié)處理器必須能夠?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)迅速清零或擦除，從而消除被敵手恢復(fù)的機(jī)會(huì)。在如此短的時(shí)間內(nèi)能實(shí)現(xiàn)擦除的存儲(chǔ)器技術(shù)只有SRAM。

　　必須能夠檢測(cè)到代碼替換，并阻止多種側(cè)面攻擊，一旦檢測(cè)到，器件必須執(zhí)行防入侵響應(yīng)。

　　包括入侵檢測(cè)和存儲(chǔ)器清零的安全功能，即使在主系統(tǒng)電源切斷的情況下，也必須能起作用。

　　可為應(yīng)用軟件提供加密硬件，以支持系統(tǒng)級(jí)的加密需求。如圖所示，該圖為一個(gè)由嵌入式系統(tǒng)所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備方框圖。

　　上圖顯示了連接系統(tǒng)外圍設(shè)備的通用CPU，該CPU具有自己專用的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其中不包含機(jī)密信息。安全協(xié)處理器和安全通信信道相連，并且還為通用處理器提供加密功能。安全協(xié)處理器的加密保護(hù)構(gòu)建了一個(gè)加密邊界，以保護(hù)所有的重要數(shù)據(jù)不會(huì)被竊取。此外，任何為通用CPU進(jìn)行的系統(tǒng)級(jí)加密計(jì)算都能夠在加密邊界內(nèi)安全完成。在一個(gè)設(shè)計(jì)正確的系統(tǒng)中，機(jī)密或受保護(hù)的信息永遠(yuǎn)不會(huì)在加密邊界之外，作為明碼文本而被得到。

　　安全特性

　　應(yīng)該說DS5250高速安全微控制器正是一種滿足這些需求的安全協(xié)處理器。作為安全微控制器系列的一員，DS5250高速安全微控制器是一種高度安全的，每機(jī)器周期包含4個(gè)時(shí)鐘周期并且與8051指令集兼容的微處理器。DS5250包含一組傳感器，用來探測(cè)物理上攻擊管芯的企圖和操控環(huán)境條件高／低變化的行為?？蛇x擇通過一個(gè)塊校驗(yàn)來檢測(cè)強(qiáng)制執(zhí)行隨機(jī)指令的企圖，從而保護(hù)程序存儲(chǔ)器。當(dāng)檢測(cè)到這些攻擊時(shí)，器件執(zhí)行一個(gè)破壞性的存儲(chǔ)器復(fù)位，使其擦除內(nèi)部加密密鑰、所有的內(nèi)部MOVX SRAM以及在某些情況下甚至包括外部加密SRAM。一旦擦除掉內(nèi)部加密密鑰，外部加密存儲(chǔ)器就無法破解。[!--empirenews.page--]

　　另外，除了直接的加密保護(hù)之外，DS5250能將其安全保護(hù)延伸到整個(gè)系統(tǒng)。DS5250具有一個(gè)自毀輸入引腳，可以連到用戶定義的外部入侵傳感器上。激活后，這個(gè)引腳會(huì)導(dǎo)致擦除微控制器的內(nèi)部加密密鑰和存儲(chǔ)器工作。這樣一來，加入安全協(xié)處理器可以使DS5250的入侵檢測(cè)能力擴(kuò)展至通用處理器，從而當(dāng)入侵或攻擊者企圖對(duì)通用處理器進(jìn)行訪問時(shí)，可保證系統(tǒng)會(huì)不起作用。這就是簡單的自毀輸入設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)在對(duì)付增加入侵防護(hù)方面變得非常靈敏易用。

　　與此同時(shí)，為了增加保護(hù)功能可以使用如下多種傳感器：其一，光傳感器，當(dāng)外殼打開時(shí)，殼體內(nèi)的簡單光學(xué)傳感器能檢測(cè)到光，并觸發(fā)防入侵響應(yīng)。其二，接觸傳感器，到當(dāng)外殼打開時(shí)會(huì)切斷導(dǎo)電墨水引線的復(fù)雜設(shè)計(jì)。其三，運(yùn)動(dòng)／傾斜傳感器，它可檢測(cè)外殼運(yùn)動(dòng)是具有入侵或攻擊企圖。這就是說DS5250可支持多種外部入侵傳感器，以檢測(cè)所有穿透外殼并獲取信息的企圖。

　　金融終端網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備方案

　　下面我們對(duì)如何使用安全高速微控制器作為安全協(xié)處理器構(gòu)建一個(gè)金融終端網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備構(gòu)建做分析說明。

　　在一個(gè)中央操作系統(tǒng)的控制下，此應(yīng)用驅(qū)動(dòng)許多外圍設(shè)備。應(yīng)用必須在一個(gè)加密通信信道上使用公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施(Pki)進(jìn)行機(jī)密信息通信。此應(yīng)用要求保護(hù)終端的私有密鑰、網(wǎng)絡(luò)上其它設(shè)備的公開密鑰，以及PIN碼和口令。

　　通用微控制器的主要功能是執(zhí)行高級(jí)別的操作系統(tǒng)。該處理器實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)功能包括：復(fù)雜的圖形顯示，與外圍設(shè)備如掃描儀、打印機(jī)和鍵盤進(jìn)行通信等。處理器和安全微控制器間使用通用的串行協(xié)議，如簡單(RX／TX)異步UART、SPI或SCI通信，這就大大減少了微控制器結(jié)構(gòu)間的兼容性問題。

　　在此應(yīng)用中，系統(tǒng)采用了DS5250作為安全協(xié)處理器。該安全協(xié)處理器負(fù)責(zé)完成安全通信和保護(hù)重要信息，如加密密鑰、PIN碼和口令不被竊取。這是通過將重要信息存儲(chǔ)在3DES加密，并由電池備份的SRAM中實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)部SRAM提供最強(qiáng)的數(shù)據(jù)安全性，因其受到最強(qiáng)有力的保護(hù)。加密和其它安全特性在微控制器和它的存儲(chǔ)器周圍構(gòu)建了一個(gè)加密邊界。

　　使其在遭到破壞時(shí)會(huì)立即破壞數(shù)據(jù)。

　　該存儲(chǔ)器的加密密鑰由DS5250自身存儲(chǔ)，并通過一個(gè)復(fù)雜的電壓／探針／溫度傳感器陣列對(duì)探測(cè)和其它物理攻擊提供保護(hù)。由于外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是加密的，所以它和內(nèi)部的SRAM都包含在加密邊界以內(nèi)。

　　系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)通過3DES加密通信進(jìn)行接口，并由安全協(xié)處理器的用戶訪問DES引擎實(shí)現(xiàn)。這就為金融交易信息提供了一個(gè)安全通信信道，應(yīng)用軟件決定了通信格式，因此它可以和幾乎任何的網(wǎng)絡(luò)靈活地聯(lián)接。

　　由上可以看出，從理論與實(shí)踐上應(yīng)用嵌入式芯片構(gòu)建金融終端網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備并基于密鑰和解密算法的方案，解決了如何使用高速安全微處理器作為安全協(xié)處理器來保護(hù)口令、PIN碼、加密密鑰，以及其它重要數(shù)據(jù)的普遍問題，該高速安全微處理器采用了3DES總線加密算法、精巧的防入侵優(yōu)傳感器和電池備份 SRAM，對(duì)其外部程序存儲(chǔ)器加密，使得竊賊無法破解處理器的操作和敏感數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)金融終端安全系統(tǒng)及其保護(hù)寶貴知識(shí)產(chǎn)權(quán)的加密邊界。而一個(gè)可由用戶配置的外部防入侵傳感器，還可以保護(hù)所有系統(tǒng)組件，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將安全范圍延伸至應(yīng)用外殼。

　　通過將嵌入式系統(tǒng)分割成非安全和安全功能模塊，從中可以發(fā)現(xiàn)，向已有設(shè)計(jì)中增加安全協(xié)處理器，能夠在不需要新設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)的情況下提高系統(tǒng)的安全性。其安全協(xié)處理器為重要數(shù)據(jù)如加密密鑰、PIN碼和口令充當(dāng)了一個(gè)幾乎無法滲透的屏障。