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如何利用PUF技术保护物联网设备？


越来越多的IC厂商开始探索一种芯片级的安全技术来保护数据 ， 这种技术被称为物理不可克隆功能(Physically Unclonable Function ， 简称PUF) 。 虽然芯片的生产流程是很精密的 ， 但芯片上每个电路还是有细微的差异 ， 这种技术就是利用这一差异 。 PUF利用这些微小的差异来生成一个独特的数值作为密钥 ， 而密钥对数字安全至关重要 。
安全问题正日益成为互联设备(或物联网IoT) 开发人员的一大担忧 ， 尤其是当他们不得不面对巨大安全风险的情况下 ， 这些安全风险来自黑客攻击、信息泄露和安全漏洞 。
考虑到IoT设备需要保持低功耗和优化处理能力 ， 要提高其安全性而又不增加芯片尺寸或成本 ， 这是IoT设备面临的挑战之一 。
有效的PUF技术就可能克服传统密钥存储的局限性: PUF电路没有电池或其它永久性电源 。 任何对这个密钥进行物理探测的尝试都将会极大地改变PUF电路的特性 ， 从而产生一个不同的数字 。 PUF密钥只在需要加密操作时生成 ， 并且可以立即擦除 。
从料单(BOM)成本的角度看 ， PUF技术在防篡改SRAM的安全性方面具有很大优势 。 虽然单靠PUF技术本身不足以保证密钥安全 ， 但它无疑可将嵌入式设备的安全风险降到最低 。
最近 ， 我们看到美信(Maxim Integrated)和Silicon Labs发布了利用PUF技术保证安全的芯片产品 。 Silicon Labs在其Wireless Gecko Series 2平台上 ， 为面向IoT设备的无线SoC添加了基于硬件的安全功能 ， 就是将安全软件功能与PUF硬件技术结合起来 。 Maxim发布的ChipDNA MAX32520是基于Arm Cortex-M4的微控制器 ， 采用PUF技术来提供多级保护 。 ChipDNA可以生成安全密钥 ， 直接用于多种加密安全功能 ， 比如一种对称密匙可对存储于安全IC非易失性存储器中的数据进行加密/解密 。
Maxim的一位发言人告诉《EE Times》 ， “MAX32520适用于于多种应用 ， 尽管我们在嵌入式世界展会上的新闻发布公告中特别指出了IoT应用 ， 但该芯片并不局限于IoT” 。 该器件可用于其它领域 ， 包括工业、医疗、计算等 。
如何利用PUF技术保护物联网设备？
本文插图

图1：Maxim ChipDNA微控制器简化框图(图片来源：Maxim)
基于串行闪存仿真功能 ， MAX32520可以为任何处理器实现安全启动 ， 并提供两个额外的物理层：裸片屏蔽和物理篡改检测 。 该芯片还提供了内部闪存加密选项 ， 可用于IP保护和闪存数据保护 。 它支持SHA512、ECDSA P521和RSA 4096等强大的加密算法 ， 其强大的加密功能可提高设备的可信度 。 MAX32520利用ChipDNA输出作为密钥内容 ， 以加密的方式保护来设备存储的数据 ， 包括用户固件 。 用户固件的加密可实现终极的软件IP保护 。
ChipDNA还可以为ECDSA签名操作生成私钥 。 为支持系统级安全 ， MAX32520提供了符合FIPS/NIST规范的TRNG、环境和篡改检测电路 。 任何探测或观察ChipDNA的尝试都会改变底层电路的特性 ， 从而避免了芯片加密功能所用的唯一值被发现 。 同样 ， 由于使ChipDNA电路正常运行所需的工厂条件限制 ， 即便高超的逆向工程尝试也无法成功 。
与此同时 ， Silicon Labs 物联网安全高级产品经理Mike Dow向EE Times解释了他们如何在IoT设备的无线SoCs中使用PUF技术 。 “为了将PUF嵌入Silicon Labs的安全库和安全元件技术中 ， 我们使用了SRAM PUF ， 意指利用一组SRAM位的固有随机性 ， 当它们被激活时可以获得一个该设备独有的对称密钥 。 我们所采用的SRAM PUF技术在市场上具有最长的可靠性记录 。 由于我们的客户所部署的设备通常运行时间超过10年 ， 因此我们需要具有长期可靠性的PUF技术 。 ”
他解释道 ， 在Silicon Labs的实施方案中 ， PUF的使用仅限于创建密钥加密密钥(KEK) ， KEK用于封装(加密)系统中的其它密钥 ， 并将它们存储在内部或外部存储器中 。 “因为KEK仅用于访问封装的密钥 ， 所以它的使用时间会受到限制 ， 从而降低了遭受多种攻击的可能性 。 此外 ， 只有在重启或复位（Power on Reset--POR)的时候才需要重构KEK ， 这进一步限制了生成密钥过程的访问 。 ”


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