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摘要：隨著安全性需求不斷滲透到電子系統設計的各個環節，制造商和電路設計人員面臨著前所未有的挑戰。問題的核心在于在新的應用中增加前所未有的安全及防篡改措施，還需避免在現有的安全電路中過多引入新的設計更改。新一代安全標準的出現加速了對認證體系的需求，而設計中對尺寸、成本的苛刻要求進一步增大了設計難度。為了應對這一挑戰，Maxim根據新的安全標準對控制、分層管理體系的要求推出了一系列極具創新性的器件。而且，這些新器件能夠以最低成本、最低設計風險改善傳統設計的安全性，本文針對這一點進行討論。
本文還發表于Maxim工程期刊，第59期(PDF, 876kB)。
隨著安全性需求不斷滲透到電子系統設計的各個環節，制造商和電路設計人員面臨著前所未有的挑戰。過去，只有少量的電子設備用戶才會考慮安全性問題，而且主要集中在金融行業、軍用產品、門禁控制市場等，大多采用相關的軟件技術或專用硬件實現。而這種狀況在最近幾年發生了巨大變化，工程師需要面對層出不窮的安全標準、需要獲得相關的產品認證，即便是很有經驗的嵌入式系統設計人員，也要不斷學習掌握這項新技術。了解這一技術趨勢以及相關的設計、制造成本對于嵌入式系統制造商非常關鍵。
由于通過軟件/固件設計很難保證全面的系統安全性，這就需要借助硬件保證系統的安全性，降低設計的復雜度(見附錄1—等級分類)。新推出的標準體系，例如：Trusted Computing Group?及各種數字版權管理(DRM)，涉及到消費類電子、多媒體、工業、醫療、汽車、電信等各個領域。當然，這一問題還涉及到政府、國家安全系統升級和不斷發展的電子銀行、電子商務系統。
為了獲得更有效的安全體系，系統必須具備防物理篡改功能。即便是最老道的安全微處理器、FPGA、智能卡或其它安全設施，都會存在一些易受攻擊的薄弱環節。這就需要系統有一個適當的有源保護電路，該電路即使在系統關斷的情況下也能處于有效工作狀態，監測可能發生的竊取敏感信息或知識產權的操作。為了完成這項任務，器件必須具備極低的功耗，并將防篡改響應電路與適合不同傳感器的接口電路相結合，為敏感數據提供一道有效的防護網。
應該注意到，加密算法已不再是防范攻擊的重點。攻擊者會通過各種途徑竊取密鑰。因此，設計人員已經不在加密算法上投入過多精力，而是將注意力轉向硬件保護方案的設計。
隨著對安全水平要求的提高，以及眾多新標準不斷涌現，負責制定標準的跨國組織正采納一個新的、統一的標準，稱為“公共標準”，它組合了這些標準的優點(見附錄2—通用認證/標準)。例如，NIST最近將其FIPS規范更新為140-2版，并且很快會統一到公共標準。
此外，隨著金融領域對安全設備需求量的增多，其它標準也開始變得活躍起來。公認的有MasterCard?和Visa?制定的EMV(歐洲MasterCard Visa)和PCI PED(支付卡行業，PIN輸入設備)。這些標準與DRM相融合，能夠使移動平臺具備處理金融交易的能力，并可保護用戶及系統的身份。政府也制定了新的法案，如FIPS 201身份驗證(PIV)等。由此可見，安全認證標準的要求會越來越嚴格。
上述標準都論述了對物理安全性的要求，以滿足不同終端產品范疇的規范。通常，這些安全性要求被劃分到多個層次，從處理器開始到最終封裝，包括處理器、涉及敏感數據或算法的存儲器及數據通道。終端產品要取得認證，必須通過認證機構的全面測試，并提供一份安全文檔，說明產品如何防范各種物理威脅。要通過某些標準認證(例如PCI)，制造商必須說明新產品在安全方面比現有產品有哪些改進，以滿足新升級的標準。許多情況下，制造商和設計部門之前并沒有面臨類似要求，因此不清楚需要在產品中實現怎樣的安全性。
不同應用對安全等級的要求千差萬別，但是，對物理篡改保護功能的要求越來越嚴格。隨著一些用于竊取數據的高端分析工具和專業技術的出現，越來越多的應用要求具有物理篡改保護功能。
這些器件具備精心設計的溫度監視(利用具有超低漏電流的比較器)、低溫攻擊保護、計時和篡改記錄功能，以及密碼子系統(圖1)需要的眾多其它功能。這些功能的核心是獨特的存儲單元結構，可進一步保護頂層密鑰和認證信息。傳統的存儲單元都存在數據印跡現象，即存儲單元會殘留先前保存的信息。可以通過多種攻擊手段提取這些殘留信息。DS3600內部的無印跡存儲器是第一款具備該功能的器件，可有效防范這種常見的攻擊方式。此外，使用一條硬件命令可迅速擦除整個存儲器陣列。這種組合多種功能的安全控制器可極大地降低功耗，并且密鑰存儲器保護無需主處理器介入。
圖1. DS3600防篡改控制器具有超高性能的比較器，可連續監控低功耗系統，符合最高級別的公共標準要求。
大多數情況下，該系列控制器的高集成度可替換40個以上的分離元器件。DS3600系列不僅具有小尺寸、低成本和低功耗的特點，還可省掉其它價格昂貴的器件，如安全微處理器。因此，嵌入式系統制造商不必采用安全處理器架構即可通過認證，并獲得豐富的軟件資產。由于這些產品專為滿足認證要求而設計，當設計人員必須提供必要文檔以取得產品認證時，它們可提供最有力的幫助。
等級I (聰明的外行)
物理攻擊
本文還發表于Maxim工程期刊，第59期(PDF, 876kB)。
隨著安全性需求不斷滲透到電子系統設計的各個環節，制造商和電路設計人員面臨著前所未有的挑戰。過去，只有少量的電子設備用戶才會考慮安全性問題，而且主要集中在金融行業、軍用產品、門禁控制市場等，大多采用相關的軟件技術或專用硬件實現。而這種狀況在最近幾年發生了巨大變化，工程師需要面對層出不窮的安全標準、需要獲得相關的產品認證，即便是很有經驗的嵌入式系統設計人員，也要不斷學習掌握這項新技術。了解這一技術趨勢以及相關的設計、制造成本對于嵌入式系統制造商非常關鍵。
由于通過軟件/固件設計很難保證全面的系統安全性，這就需要借助硬件保證系統的安全性，降低設計的復雜度(見附錄1—等級分類)。新推出的標準體系，例如：Trusted Computing Group?及各種數字版權管理(DRM)，涉及到消費類電子、多媒體、工業、醫療、汽車、電信等各個領域。當然，這一問題還涉及到政府、國家安全系統升級和不斷發展的電子銀行、電子商務系統。
為了獲得更有效的安全體系，系統必須具備防物理篡改功能。即便是最老道的安全微處理器、FPGA、智能卡或其它安全設施，都會存在一些易受攻擊的薄弱環節。這就需要系統有一個適當的有源保護電路，該電路即使在系統關斷的情況下也能處于有效工作狀態，監測可能發生的竊取敏感信息或知識產權的操作。為了完成這項任務，器件必須具備極低的功耗，并將防篡改響應電路與適合不同傳感器的接口電路相結合，為敏感數據提供一道有效的防護網。
應該注意到，加密算法已不再是防范攻擊的重點。攻擊者會通過各種途徑竊取密鑰。因此，設計人員已經不在加密算法上投入過多精力，而是將注意力轉向硬件保護方案的設計。
新的安全標準
新推出的安全標準大多參考了美國國家標準局(NIST)和英國通信電子安全組(CEG)建立的安全規范。這兩個組織提供的標準分別是FIPS 140-1和ITSEC。隨著對安全水平要求的提高，以及眾多新標準不斷涌現，負責制定標準的跨國組織正采納一個新的、統一的標準，稱為“公共標準”，它組合了這些標準的優點(見附錄2—通用認證/標準)。例如，NIST最近將其FIPS規范更新為140-2版，并且很快會統一到公共標準。
此外，隨著金融領域對安全設備需求量的增多，其它標準也開始變得活躍起來。公認的有MasterCard?和Visa?制定的EMV(歐洲MasterCard Visa)和PCI PED(支付卡行業，PIN輸入設備)。這些標準與DRM相融合，能夠使移動平臺具備處理金融交易的能力，并可保護用戶及系統的身份。政府也制定了新的法案，如FIPS 201身份驗證(PIV)等。由此可見，安全認證標準的要求會越來越嚴格。
上述標準都論述了對物理安全性的要求，以滿足不同終端產品范疇的規范。通常，這些安全性要求被劃分到多個層次，從處理器開始到最終封裝，包括處理器、涉及敏感數據或算法的存儲器及數據通道。終端產品要取得認證，必須通過認證機構的全面測試，并提供一份安全文檔，說明產品如何防范各種物理威脅。要通過某些標準認證(例如PCI)，制造商必須說明新產品在安全方面比現有產品有哪些改進，以滿足新升級的標準。許多情況下，制造商和設計部門之前并沒有面臨類似要求，因此不清楚需要在產品中實現怎樣的安全性。
不同應用對安全等級的要求千差萬別，但是，對物理篡改保護功能的要求越來越嚴格。隨著一些用于竊取數據的高端分析工具和專業技術的出現，越來越多的應用要求具有物理篡改保護功能。
DS3600系列安全控制器
為了幫助設計人員以小尺寸、低成本、低功耗滿足嚴格的物理保護功能的需求，Maxim推出了新一代安全控制器產品，用于保護硬件設備。DS3600系列產品能夠為嵌入式系統提供可靠的安全保證，滿足現有標準和新標準的要求。這些器件具備精心設計的溫度監視(利用具有超低漏電流的比較器)、低溫攻擊保護、計時和篡改記錄功能，以及密碼子系統(圖1)需要的眾多其它功能。這些功能的核心是獨特的存儲單元結構，可進一步保護頂層密鑰和認證信息。傳統的存儲單元都存在數據印跡現象，即存儲單元會殘留先前保存的信息。可以通過多種攻擊手段提取這些殘留信息。DS3600內部的無印跡存儲器是第一款具備該功能的器件，可有效防范這種常見的攻擊方式。此外，使用一條硬件命令可迅速擦除整個存儲器陣列。這種組合多種功能的安全控制器可極大地降低功耗，并且密鑰存儲器保護無需主處理器介入。
圖1. DS3600防篡改控制器具有超高性能的比較器，可連續監控低功耗系統，符合最高級別的公共標準要求。
大多數情況下，該系列控制器的高集成度可替換40個以上的分離元器件。DS3600系列不僅具有小尺寸、低成本和低功耗的特點，還可省掉其它價格昂貴的器件，如安全微處理器。因此，嵌入式系統制造商不必采用安全處理器架構即可通過認證，并獲得豐富的軟件資產。由于這些產品專為滿足認證要求而設計，當設計人員必須提供必要文檔以取得產品認證時，它們可提供最有力的幫助。
附錄1—等級分類
為確定系統需要的安全等級，10多年前IBM?給出了一種等級分類方法，用來說明潛在的攻擊等級，并且沿用至今。等級I (聰明的外行)
- 通常很聰明
- 系統知識匱乏
- 可能使用過適度復雜的設備
- 通常會攻擊系統的薄弱環節，而不會構建一個新系統
- 具備扎實的專業技術教育背景和工作經驗
- 具備一些系統知識，可能接觸過系統的大部分模塊
- 經常使用高端工具和分析儀器
- 擁有大量資金
- 能夠組建專家隊伍
- 能夠獲取或使用大部分高端分析工具
- 能夠深入分析并設計復雜的攻擊行為
- 可能招募等級II中知識豐富的行家，以擴充其攻擊隊伍
物理攻擊
工商網監
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