物聯網（IoT）連接將會應用到范圍更加廣泛的市場，其規模和程度將遠遠超出我們之前看到的任何技術。隨著數百億個連接節點的部署，并為各種各樣的重要應用提供服務，工程師面臨的最大挑戰之一就是保護IoT網絡中的大量敏感數據。隨著物聯網變得越來越普遍，所包含的節點數量越來越多，展現給潛在黑客的攻擊面也就越大，因此物聯網有一定的風險成為自身成功的犧牲品。本文概述了一些高級硬件和重要的策略方法，這些將有助于在日益惡劣的應用環境中保持物聯網的安全性，同時物聯網還要遵守嚴格的成本和功耗限制。

物聯網的出現為社會帶來了許多潛在的好處，這其中包括家庭自動化、環境監測、工業4．0以及更長遠的智能城市等各個方面。令人難以置信的物聯網網絡規模及其導致的普遍性是這項技術的價值所在，物聯網中包括數十億個連接節點，所有這些節點都可以獲取數據，然后對其進行編譯和分析，并在隨后采取相應行動。然而，這也是它的脆弱性所在。

根據定義，物聯網節點的數量越多，惡意第三方的攻擊面就越大。一旦發現漏洞并發生入侵，就可以侵入到整個網絡，惡意軟件基本上能夠致使網絡無法運行，拒絕服務（DoS）攻擊能夠導致通信中斷，工業間諜也能夠從網絡中提取敏感信息。

盡管在確保物聯網網絡安全方面有明確要考慮的其他措施，但安全的基礎是處于每個節點微控制器單元（MCU）上運行的軟件完整性，以及MCU硬件本身。現代MCU已經集成有一系列不同的保護機制，其中包括復雜的加密／認證引擎、內置安全模塊、密鑰管理功能和篡改檢測／預防功能等等。

對于所采用的眾多IoT通信協議，無論它們是有線還是無線的，當然都要求適當加密／解密，以便充分保護傳入和傳出節點的數據。

有一點極其重要，在MCU啟動時，以某種方式受到未經授權來源干擾或篡改的軟件不允許進入系統。為了防止出現這種情況，需要建立“信任根”，以便可以啟動安全啟動操作。為了確保軟件的有效性，需要具備強大的認證和驗證機制。這樣，對軟件的任何改變都可以被檢測到，并且可采取適當的措施來防止其侵入到物聯網網絡。此外，軟件存儲器的保護也至關重要，需要將軟件存儲在非易失性存儲器上，這種存儲器具有強大的安全功能，能夠防止黑客進行修改或發生某種形式的篡改。

驗證和加密保護

將某種程度的安全性應用到物聯網基礎設施的一種方式是采用哈希碼（hash codes）。通過將數學算法應用于特定數字資產可以生成哈希碼，從而可以產生與該資產相關聯的唯一標識符。通過這種方式，任何此類資產都可以通過簡化和省時的方式進行驗證，只需重新生成其哈希碼即可，這樣可以通過應用相同的算法然后將兩個哈希碼相互比較來完成。

在軟件中執行哈希碼算法通常需要大量處理功能，并且也消耗相當多的功率。這實際上違背了物聯網設計的基本原則，因為資源通常都是有限的，需要盡可能少地使用能源儲備。我們在后面會討論這些問題。

數據加密有兩種基本類型。對稱加密是一個相對簡單的概念，發送者和接收者都依賴相同的密鑰來加密和解密數據。正如您所想到的那樣，采用這種策略的缺點是，如果密鑰落入壞人手中，數據加密不僅將毫無用處，而且數據可以被泄露。相反，非對稱密鑰方法需要兩個不同的密鑰：私鑰（保密）和公鑰（共享）。在本質上，這些密鑰在生成時的狀態沒有區別，其中任何一個密鑰都可以作為私鑰或公鑰使用，這只是后續如何使用密鑰的一個問題。

一種算法允許生成兩個不同但又互補的密鑰，通過一個密鑰加密的任何數據可以通過另一個密鑰解密。重要的是，無法使用公鑰對私鑰進行反向工程。因此，共享公鑰并不會破壞私人數據財產的安全性。

由于公鑰是免費共享提供，私鑰持有者對通過公鑰加密的數據進行任何信任都是不明智的，但任何設備通過私鑰接收加密數據并使用公鑰解密都是安全的。非對稱加密在保證數據安全方面比對稱加密更加有效，但這需要付出很多代價，因為它需要更多的計算工作量。

卸載MCU安全性

在成本和功耗受限的物聯網設計中，所采用的MCU不需要是復雜的高性能器件。因此，在大多數情況下，很可能需要彌補實際MCU上的安全功能。指定一個伴隨MCU的協處理器IC被證明是一種非常有效的方法。

英飛凌的OPTIGA family可信平臺模塊（TPM）擁有非對稱加密操作所需的硬件加速器，例如支持橢圓曲線加密（ECC）和Rivest Shamir Adleman（RSA）算法的加速器，它們還具有生成SHA－1和SHA－256哈希碼所需的算法。通過使用這些TPM，數據的加密和解密不再需要由系統MCU處理，而是可以卸載，從而允許MCU資源集中在其他任務上。這樣做的結果是，實現系統高度的安全性不再以犧牲MCU的運行性能為代價。

圖1：英飛凌OPTIGA TPM。

Maxim Integrated的DS28C36 安全認證芯片同樣可以與任何MCU和外部非易失性存儲器一起完成設計，以創建信任根，從而可以進行安全啟動或無線更新固件，即使是對于簡單、低成本硬件也可以實現這些。它通過使用公鑰和私鑰以及SHA－256哈希碼來工作，軟件開始在MCU上運行之前需要驗證其真實性，這是通過對稱和非對稱加密的組合來實現。使用DS28C36時，OEM在安全環境（例如制造站點內）中生成公鑰和私鑰，私鑰永遠不會離開此位置，因此沒有機會被惡意的未授權方獲取。使用該私鑰可以對固件進行編碼，相應的公鑰在出貨之前被整合到設備之中。

圖2：Maxim DS28C36安全認證IC的典型應用電路。

在上電期間，MCU從外部存儲器加載固件，該固件已通過私鑰加密。但MCU并沒有在開始立即運行固件，而是啟動管理器檢索代碼并傳遞給DS28C36，然后DS28C36從固件生成SHA－256哈希碼。接下來，將其與固件證書內的哈希碼進行比較，該證書是在安全環境中通過私鑰加密代碼時生成的。最后，通過DS28C36內部的公鑰，代碼簽名得到驗證，DS28C36可以確認MCU運行固件。

圖3：Microchip的ATECC608A。

Microchip的ATECC608A 加密協處理器產品能夠安全地存儲多達16個不同的密鑰，它通過橢圓曲線數字簽名算法（ECDSA）、橢圓曲線Diffie－Hellman（ECDH）和NIST標準P256橢圓曲線等來支持非對稱簽名、驗證和密鑰協商。ATECC608A還集成有用于對稱算法的硬件加速器（例如用于生成SHA－256哈希碼的硬件加速器）以及AES－128加密／解密，還具備安全啟動功能。ATECC608A旨在解決整個密鑰生命周期的問題，包括私鑰生成、ECDH密鑰協議、ECDSA簽名生成和ECDSA公鑰簽名驗證。它能夠以比標準微處理器上運行的軟件快1000倍的速度執行非對稱加密功能，多個私鑰和公鑰組合可以直接存儲在器件內部。此外，它還支持隨機私鑰生成，而不允許私鑰離開設備。公鑰自動生成為此過程的一部分，但也可以在事件之后生成。

物聯網網絡的安全性需要從頭開始構建，每個節點都需要相應的布防。很明顯，將安全任務直接施加到已經載荷過度的MCU上可能會適得其反。因此，如果將此任務卸載到另一個完全集中在安全方面的IC上，將具有多種運行和邏輯上的優勢。