在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0和機器人技術的崛起中，微控制器越來越多地成為防篡改和網(wǎng)絡攻擊的保護屏障。各種微控制器系列已經配備了一系列安全功能。一旦歐洲通用數(shù)據(jù)保護條例(GDPR)在2018年5月開始生效，企業(yè)便必須執(zhí)行其中規(guī)定的數(shù)據(jù)安全標準。該法律對個人數(shù)據(jù)的匿名化(pseudonymization)和加密進行了更加嚴格的規(guī)定，與德國以前的法律基礎相比，新增了彈性條款和問責條款。

 

GDPR不僅影響制造商，還影響OEM廠商和網(wǎng)絡運營商等運營企業(yè)。作為一個中央控制和監(jiān)管元件，微控制器在網(wǎng)絡系統(tǒng)中扮演著關鍵角色。制造商的開發(fā)過程已經開始按照相應的安全標準進行認證。憑借安全的生產

 

 

由循環(huán)冗余校驗所確定的校驗值可以檢測數(shù)據(jù)傳輸或存儲中的錯誤。這意味著它不僅可以檢查數(shù)據(jù)的完整性，還可以驗證軟件運行時的簽名。安全的電源監(jiān)控系統(tǒng)(POR [上電復位] / PDR [掉電復位] / BOR [欠壓復位] / PVD [可編程電壓檢測器]標志狀態(tài))可以識別復位的原因，并確保器件的復位是基于合法訪問。它由“寫入時進行讀取”功能進行補充，以實現(xiàn)高效的篡改檢測和記錄。

 

時鐘安全系統(tǒng)(CSS)基于恢復時的時鐘和系統(tǒng)，以及相互獨立運行的內部和外部時鐘。看門狗和窗口看門狗也相互獨立地監(jiān)視時間窗口。

 

存儲器內容的完整性和可靠性則可通過糾錯碼(ECC)和奇偶校驗來確保，它還提供了擴展的保護，免受通過錯誤來偷偷進行的攻擊。溫度傳感器持續(xù)監(jiān)測IC的環(huán)境溫度，以防止惡意程序故意加熱到超出其指定范圍，從而永久性損壞IC。

 

 

加密方法通過使用代碼加密原始純文本來防止源文本遭到未經授權的訪問，破解代碼使黑客能夠解密加密的文本。更復雜的加密方法使用對稱或非對稱加密。若使用對稱加密，只有一個加密和解密密匙，這意味著發(fā)送者和接收者使用相同的密鑰。

 

若使用不對稱方法，通信各方各自使用自己的密匙，用于生成密匙對。這包括用于加密數(shù)據(jù)的公匙和用于解密的私匙。

 

對稱方法，舉例來說，某些STM32系列有一個真正的隨機數(shù)發(fā)生器，用于產生32位加密密匙，完全集成到芯片中。這種加密基于對稱高級加密標準(AES)，而STM32F2、F4、F7、L4系列采用128位密匙長度(AES-128)和256位(AES -256)密匙長度以及多種方法 (ECB、CBC、CTR、GCM、GMAC、CMAC)，而STM32L0 / L1則采用128位密匙長度(AES-128)。這種對稱加密標準也適用于少數(shù)其他供應商的專用MCU / MPU系列(如瑞薩RX、瑞薩Synergy和東芝TZ1000) (見交叉列表)。 此外，瑞薩RX系列和Synergy S5和S7系列在硬件上提供非對稱加密引擎，這是一項突出的功能。

 

對稱方法的優(yōu)點是，由于只有一個密匙，所以密匙管理比非對稱方法更簡單，加密和解密的速度也明顯更快。 一些微控制器部件也具有完全集成的散列函數(shù)，其中數(shù)據(jù)被散列和分散，并且該函數(shù)將較大量的輸入映射到較少量的目標數(shù)據(jù)。

 

還有密匙散列信息驗證碼(HMAC)，該信息認證碼(MAC)的結構基于密碼散列函數(shù)。在RFC 2104和NIST標準FIPS 198中規(guī)定了HMAC。

 

 

防篡改機制用于防止針對微控制器之外的硬件系統(tǒng)有意或無意發(fā)起的物理攻擊。它引用各種喚醒源的備份域，確保即使在低功耗模式下也能保持保護。實時時鐘(RTC)為每個篡改事件蓋上時間戳。

 

某些微控制器系列還具有RTC寄存器保護功能，可以阻止未授權的寫操作，并獨立于系統(tǒng)復位進行操作，但不包括寫入一系列按鍵時的保護功能。

 

如果檢測到篡改，備份寄存器確保寫入內容被自動刪除。通訊通道也可以通過通用輸入/輸出(GPIO)通訊模塊選擇性地阻止，這可以防止選定的GPIO，并且可以在下次復位時刪除該模塊。

 

調試模塊通過調試接口防止未經授權的微控制器訪問。可以為每個應用程序或需求選擇安全級別，但是在此之后不能再次降級。

 

 

訪問權授予用戶或用戶組執(zhí)行某些操作的權限。為此，集成存儲器保護單元(MPU)將存儲器劃分為具有不同訪問權限和規(guī)則的區(qū)域。

 

在數(shù)據(jù)傳輸期間，防火墻將閃存或SRAM的代碼或數(shù)據(jù)組件與在保護區(qū)外執(zhí)行的其余代碼隔離開來。防火墻比內存保護單元(MPU)更具限制性，僅集成到STM32L0、L4和瑞薩Synergy S5和S7中。

 

讀保護用于管理如何訪問內存，例如用戶IP的存儲轉儲和備份是不允許的。寫保護可以保護每個扇區(qū)免受不妥當?shù)膶懭氩僮鳌Ｓ写a保護允許將每個存儲器區(qū)域配置為“僅執(zhí)行”，這意味著只有代碼可以在此處執(zhí)行——不能寫入該區(qū)域。 使用批量擦除或安全擦除功能可以安全地刪除IP和機密數(shù)據(jù)，該功能將內存完全重置為出廠狀態(tài)。

 

 

許多微控制器系列具有特定的獨特96位ID，以確保最終產品可追溯。這也可以用于安全密匙的多樣化。許多系列還具有啟用安全固件更新的功能。

 

 

用硬件實現(xiàn)的安全功能也可以配合基于軟件的解決方案。加密庫軟件包可用于不同的微控制器系列，并提供一系列加密算法。它們以二進制目標格式作為標準提供，也可以通過基于保密協(xié)定(NDA)授權的條款以源代碼形式提供。也可通過硬件擴展為某些集成電路提供功能支持。

 

除了集成在芯片中的隨機數(shù)發(fā)生器之外，軟件包還提供了對重播攻擊的保護；這些重播攻擊利用了先前的請求來重新攻擊。散列算法驗證消息的數(shù)字簽名和驗證代碼，以確保數(shù)據(jù)可信并保護其完整性。此外，還有可用于對稱和非對稱加密方法的軟件包。

 

對于復雜的IoT解決方案，還可以選擇使用另一個板載模塊——意法半導體的STSAFE-A100或英飛凌的OPTIGA系列是可立即運行的解決方案，并且具有安全的操作系統(tǒng)。這一最新一代安全微控制器為本地和遠程主機、智能家居、智慧城市和工業(yè)應用、電子娛樂設備以及各種其他終端設備、公用設施和配件增強了身份驗證和數(shù)據(jù)管理服務的安全性。