如何构建通用安全MCU的硬件防护力

物联网安全的本质是利用系统的漏洞访问价值资产信息，以达到对系统的破坏和非法利用。在实际应用中，最典型的物联网攻击有：针对终端设备的可信根提取、固件提取、逆向分析、硬件破解、设备伪造等；针对通信管道的中间攻击、数据监听、劫持、数据协议分析；针对云业务平台的未授权访问、敏感数据挖取、伪造请求攻击、SQL注入攻击、文件上传漏洞、假冒服务器等安全风险。保障物联网安全性的核心是保障数据的机密性、完整性、可用性、不可抵赖性、真实性、隐私性。

融入安全芯片技术的通用安全MCU芯片产品怎样抵御物联网环境下的安全风险

数据存储和传输过程中，通常采用密码技术来保障数据的机密性、完整性、可用性、不可抵赖性、真实性、隐私性。安全芯片由于实现了强大的密码功能和高等级安全防护能力，是保障信息安全的硬件基础设施。20年的行业深耕，国民技术基于密码技术形成了一套具有高安全等级防护能力的安全芯片技术架构，并将该技术架构整合到MCU芯片产品中，形成“安全+通用”的产品战略布局，赋予了通用MCU“安全版图、安全存储、读写保护、分区权限管理、时钟安全系统、侵入检测、密码算法加速”等数十个硬件安全防护能力，旨在解决物联网纷乱复杂的安全问题。

图1：国民技术通用安全MCU硬件安全能力

硬件安全防护能力--安全版图

安全版图是使用混合布局布线技术，将所有的敏感电路和其它电路混合在一起进行布局布线，最终版图上所有电路都是彼此交错融合，敏感电路在版图上没有明显的边界，通过特殊的安全版图布局布线可以抵御探针攻击、FIB（聚焦粒子束）攻击和逆向分析攻击，做到防物理分析和探测功能。

图2：采用了安全版图技术的芯片实体模拟图

硬件安全防护能力--安全存储

安全存储功能的实现，使用了PUF技术与密码技术，PUF技术原理是根据每个芯片的身份特征数据生成不同的密钥作为存储加密的可信根密钥，程序执行时使用密码技术对读出Flash的数据进行了自动解密，对写入Flash的数据进行自动加密存储，同时为写入写出的数据提供了检错纠错功能，当芯片产生校验错误报警信号送入CPU，开发者可借助该报警擦除或改写加密数据，或对芯片进行复位、自毁坏等操作，使得攻击者无法获取或解读关键数据，保障了数据的机密性与完整性。

图3：安全存储

硬件安全防护能力-读写保护

读写保护功能基于国民技术自主创新的WRP、RDP以及MPU等技术，WRP技术用于保护闪存区的页防止错误写（防擦），当运行程序跑飞时发生了对数据的意外改变，基于芯片提供的WRP技术生成只读保护区，保护Flash内容不被外部攻击写入。

RDP技术用于保护主存储区和Option Bytes的访问操作，防止闪存中的用户代码区被非法读出，用户根据需要配置不同保护级别（L0/L1/L2），实现外部接口读写保护。

图4：读保护（RDP）技术

MPU技术实现了存储器保护单元，将存储区划分为多个独立存储区域，每个区域可单独设置地址、大小、访问权限和属性，实现区域数据隔离，当遇到非法访问时将产生错误或异常。

图5：MPU存储保护技术

硬件安全防护能力-MMU分区权限管理

分区权限管理是指对存储区分区域管理，设置不同区域的互相访问权限，达到保护存储器中的代码和数据不被非法访问的目的，当异常出现时，提示存储器访问越界错误，开发者根据返回的异常采取应对措施，达到有效实现防复制、防篡改、防擦除的目的。

图6： MMU分区权限管理

硬件安全防护能力-时钟安全系统

时钟安全系统用于监控MCU外部时钟晶体，当外部时钟晶体因被攻击或其它原因导致失效，时钟安全系统将会把时钟自动切换到内部RC振荡器，在外部时钟晶体恢复后再由用户选择切换时钟源，有效防止针对基于时钟的攻击者破外行为。

图7：时钟安全系统

硬件安全防护能力-侵入检测

MCU内置侵入检测引脚，当检测到有效侵入事件后，将复位清除所有备份寄存器保存的内容，当终端产品被非法拆壳时，用来防止敏感数据被盗取。有纽扣电池存在的情况下，该模块电路在主电源被切断的情况下保持有效。

硬件安全防护能力-硬件密码算法加速引擎

国民技术系列物联网安全MCU提供了10余种安全算法的硬件加速引擎，有效提升算法性能，提高存储资源使用率以及防侧信道攻击的能力，经实验测试，在同等运算条件下，使用硬件算法加速引擎的算法性能提高10倍以上，系统资源使用减少5倍以上。

基于性能优异的硬件密码算法加速引擎以及芯片内置的受可信根密钥保护的引导程序可实现加密下载与固件安全更新功能，解决物联网终端产品在生产、维护阶段可能存在的信息泄露问题。

基于物联网安全MCU硬件安全能力构建“云-端”一体全生命周期安全解决方案

国民技术物联网安全MCU硬件安全能力的加持下，在端侧，可为用户产品快速构建全生命周期的安全策略，覆盖产品开发、生产、运行、维护四个维度，解决了从生产到维护整个声明周期面临的数据机密性、完整性、可用性、不可抵赖性、真实性、隐私性等问题。

图8：构建产品全生命周期的安全保护

在云/管侧，国民技术积极构建安全云平台，其安全云基于国密/国际算法与嵌入硬件安全能力的物联网终端进行身份双向认证，可防护物联网通信过程中的设备伪造/服务器假冒等问题；通过采用密钥协商等方式生成临时密钥对，保护通信数据安全，可防窃取;基于提供的高性能杂凑等算法对传输过程中的关键数据进行摘要签名运算，可防数据假冒。

图9：国民安全云综合解决方案

总结：

基于国民技术物联网安全MCU的硬件安全能力构建“云-端”一体化安全解决方案，可以有效解决物联网安全风险问题，保护物联网各应用场景中数据的机密性、完整性、可用性、不可抵赖性、真实性与隐私性。