安全認證的重要性如何實施有效的安全認證方法 - 全文

當前，數字安全是電子設計領域最熱門的話題之一。對于許多工程師，當提到安全性時，腦海中閃現出的第一個詞可能就是加密。可能只有極少數人會想到安全認證。

然而，安全認證是安全器件或交易的基礎功能。我們以家庭銀行為例。顯然，您希望余額和賬號等保密信息能夠加密，此時，您的網絡瀏覽器上會顯示一個小鎖標識以及“https://”。也就是說，網絡瀏覽器在建立安全連接時，第一件事情就是檢查銀行站點的真實性；換句話說，就是要對銀行站點進行安全認證。實際上，如果將登錄和密碼信息發送到釣魚網站，危害性非常大，因為這些憑據可被進一步重用，以銀行賬戶持有人的名義執行未經授權的交易，而實際持有人卻毫不知情。通過TLS/SSL協議，一般能夠實現安全的互聯網瀏覽，確保真實性和保密性。

安全認證對于物聯網(IoT)應用也非常重要：不可信的終端可能會將整個基礎設施置于危險之中。我們以連接到配電系統的智能電表為例。對于要破壞電網的攻擊者，一種簡單方法是將病毒或惡意軟件加載到智能電表。然后被干擾的電表會向基礎設施發送假消息，反應出的功耗與實際功耗相差非常大。電網將會出現不平衡；更壞情況下，攻擊可能觸發全網斷電。為了避免這種情況，必須檢驗電表硬件和固件的真實性。對固件進行安全認證的過程稱為安全引導。

實施有效的安全認證方法

現在我們已經理解了安全認證的重要性，接下來我們討論如何實施。最簡單的安全認證方法是使用密碼。在智能電表的例子中，設備可向電網控制系統發送密碼。服務器驗證密碼，然后再授權執行下一步。雖然這種方法非常容易理解，但并不是最好的方法。攻擊者很容易監聽通信、記錄密碼，然后用其來對非真實的設備進行安全認證。所以，我們認為基于密碼的安全認證方法比較薄弱。

數字領域執行安全認證的更好方法是質詢-應答方法。我們來看看兩種方式的質詢-應答方法：一種基于對稱加密，另一種基于非對稱加密。

對稱加密安全認證依賴于共享密鑰。主機和被認證設備持有相同的密鑰。主機向設備發送一個隨機數，即質詢。設備計算一個數字簽名，該簽名是密鑰和質詢的函數，并發送回主機。主機執行相同的運算并對結果進行比較。如果兩項計算結果一致，則設備通過安全認證(圖1)。為了確保結果不被模仿，必須使用數學屬性足夠的函數；例如必須保證不可能通過計算結果獲得密鑰。SHA-256等安全散列函數滿足這些要求。對于質詢-應答方法，設備在不泄露密鑰的情況下證明自己知道密鑰。即使攻擊者攔截通信，也無法接觸到密鑰。

安全認證的重要性如何實施有效的安全認證方法

圖1. 基于對稱加密的安全認證依賴于主機和設備之間的共享密鑰。

基于非對稱加密的安全認證依賴于兩個密鑰：私鑰和公鑰。只有被認證的設備知道私鑰，而公鑰可透露給希望對設備進行安全認證的任何一方。與上文中討論的方法一樣，主機向設備發送質詢。設備根據質詢和私鑰計算數字簽名，并將其發送給主機(圖2)。但此時，主機使用公鑰對數字簽名進行驗證。用于計算數字簽名的函數擁有特定數學屬性至關重要。非對稱方法中最常用的函數是RSA和ECDSA。同樣，設備也在不泄露密鑰情況下提交了自己知道密鑰的證明，即私鑰。

安全認證的重要性如何實施有效的安全認證方法

圖2. 非對稱密鑰安全認證依賴于公鑰和私鑰。

為什么安全IC有益于安全認證

質詢-應答安全認證始終要求被認證的對象持有密鑰。對稱加密方法中，該密鑰為主機和設備之間的共享密鑰；對于非對稱加密方法，該密鑰為私鑰。無論哪種情況，一旦密碼泄露，質詢-應答式安全認證就失效了。安全IC有助于防范這種情況。安全IC的一項基本特性是為密鑰和密碼提供強保護。

Maxim提供三種支持安全認證的解決方案。

安全認證IC：IC是可配置但固定功能的器件，為實施質詢-應答安全認證提供最經濟的途徑，并且具有基本的加密操作。

安全微控制器：在支持質詢-應答安全認證的基礎上，提供全面的密碼學功能，包括加密。

低功耗微處理器：盡管這些產品并非專用于加密，但擁有支持強安全認證所需的電路模塊。

安全認證IC中，基于SHA-256的產品支持基于共享密鑰的安全認證(圖3)，而基于ECDSA的IC使用私鑰/公鑰對(圖4)。除加密引擎外，這些產品擁有板載EEPROM存儲器。該存儲器是可配置的，可用于儲存經過安全認證的用戶數據，例如傳感器的校準信息。

基于SHA-256的產品是最經濟的方案。盡管支持相互認證，但共享密鑰的分發要求采取一定的防范措施，保證設備制造和配置期間不會泄露密鑰。為克服該缺點，可在Maxim工廠對密鑰進行編程。

安全認證的重要性如何實施有效的安全認證方法

圖3. SHA-256密鑰安全認證基于共享密鑰。

Maxim的DS28E15/22/25 IC基于SHA-256技術，擁有不同的內部存儲器容量。由于主機和設備側儲存有相同的密鑰，我們建議主機側使用協處理器，例如DS2465。

DS28C36和DS28E35等基于非對稱加密的產品提供更靈活的方法，因為主機側不需要防止密鑰被泄露。然而，為降低公鑰算法負荷并且提供附加安全操作，可利用DS2476 (DS28C36的配套IC)等主機側協處理器簡化系統方案的開發。

安全認證的重要性如何實施有效的安全認證方法

圖4. 基于ECDSA的安全認證算法依賴于私鑰/公鑰對。

支持對稱和非對稱加密的安全微控制器

Maxim提供各種各樣的安全微控制器，包括從MAX32590 (ARM9，工作頻率384MHz)應用級處理器(支持Linux等高級操作系統)到MAX32555或MAXQ1061等小尺寸協處理器。

這些微控制器支持對稱和非對稱加密，適用于數字簽名和安全認證，以及加密算法。器件擁有支持SHA、RSA、ECDSA和AES的硬件加速器，以及完整的加密算法庫，提供符合標準的整體API方案。器件內置安全引導，所以能夠保證固件可靠性。得益于齊全的加密功能，器件能夠支持多種安全認證方法。

MAXQ1061協處理器不僅支持安全認證，而且也支持使用IP的TLS/SSL標準安全通信協議的大多數關鍵步驟。在芯片內實現TLS協議可提高安全水平并減輕主處理器執行計算密集型任務的負荷。這對于資源受限的嵌入式系統非常寶貴。

MAX32626等低功耗微控制器的目標應用為可穿戴設備，所以不是“安全為中心”的IC。然而，隨著攻擊現象日益頻繁，產品的設計也充分考慮了未來的安全挑戰。所以，MAX32626具有支持安全認證的硬件信賴保護單元，以及用于加密的硬件AES和內置安全引導。