專攻低功耗工業(yè)4.0應(yīng)用 可程序化安全功能添防御

為了確實(shí)防御智能工廠里的控制系統(tǒng)，本文概述FPGA如何推進(jìn)縱深防御方法的發(fā)展以開發(fā)安全應(yīng)用程序，以及安全功能在硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中的作用，以及如何在安全性的三個要素基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用程序。

安全性是醫(yī)療、工業(yè)、汽車和通訊領(lǐng)域的一個重大問題。許多行業(yè)都在采用基于智能型互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器和系統(tǒng)，去優(yōu)化連網(wǎng)機(jī)器和系統(tǒng)的程序及流程。這些系統(tǒng)容易受到惡意攻擊與未知軟件錯誤的影響，而遠(yuǎn)程控制甚至可能導(dǎo)致實(shí)體安全問題，因此必須防止未經(jīng)授權(quán)的存取或非法控制。

工業(yè)發(fā)展的最新篇章，也就是常說的第四次工業(yè)革命（亦稱工業(yè)4.0），開創(chuàng)了創(chuàng)新和發(fā)展的新紀(jì)元，但本身也存在一系列危險和挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0定義了系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器和人類之間的通訊和互聯(lián)互通，其中包含物聯(lián)網(wǎng)（IoT），這將復(fù)雜性推向了新的高度。雖然互聯(lián)互通具有提高效率、實(shí)時識別和糾正缺陷、預(yù)測性維護(hù)，以及改進(jìn)各種功能之間的協(xié)作等優(yōu)勢，但這些優(yōu)勢也會明顯增加智能工廠或自動化生產(chǎn)基地的安全漏洞。

「網(wǎng)絡(luò)」安全不再局限于特定的操作或系統(tǒng)，還會傳播到工廠廠房或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的每一臺設(shè)備。智能工廠里的控制系統(tǒng)，包括PLC、傳感器、嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)IoT設(shè)備，其受到的安全威脅在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢?；谠贫藞?zhí)行的遠(yuǎn)程管理，也帶來了篡改、注入惡意內(nèi)容等實(shí)體攻擊的風(fēng)險。

本文概述FPGA如何推進(jìn)縱深防御方法的發(fā)展以開發(fā)安全應(yīng)用程序，這是在工業(yè)4.0的推動下，滿足IoT和邊緣運(yùn)算迅速增長的需求的必經(jīng)之路。本文介紹安全功能在硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中的作用，以及如何在安全性的三個要素（機(jī)密性、完整性和真實(shí)性）基礎(chǔ)上構(gòu)建應(yīng)用程序。

 
圖1 : 一個可靠的安全系統(tǒng)必須具備三個核心元素：可信、防篡改及信息保障。

一個可靠的安全系統(tǒng)必須具備以下三個核心元素：

? 可信：保證數(shù)據(jù)源可靠、獲得授權(quán)且經(jīng)過身份驗(yàn)證
? 防篡改：確認(rèn)設(shè)備沒有受到任何干擾
? 信息保障：以安全的方式使用、處理和傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)

透過FPGA實(shí)現(xiàn)硬件安全功能
基于軟件的單一安全方法在生命周期、可程序設(shè)計性、功耗效率、外形等方面存在不足，在當(dāng)前的工業(yè)4.0環(huán)境下，不足以達(dá)到滿足需求的安全等級，因此必須采用縱深防御安全機(jī)制，透過安全層加強(qiáng)硬件的防御能力。

如今，大多數(shù)安全框架都采用軟件實(shí)現(xiàn)，其中包含編譯為在通用控制器或處理器上運(yùn)行的加密庫。這些軟件作法暴露了更大的易受攻擊范圍以及許多潛在攻擊點(diǎn)，例如操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、軟件協(xié)議堆棧、內(nèi)存和軟鍵。此外，軟件作法可能未針對效能和功率進(jìn)行優(yōu)化，因此會帶來設(shè)計挑戰(zhàn)。

在工業(yè)系統(tǒng)的整個生命周期中，這些系統(tǒng)需要長期維護(hù)，同時協(xié)議堆棧、鏈接庫等方面也需要經(jīng)常更新，這些工作十分繁瑣且成本高昂。原則上，底層硬件必須在其結(jié)構(gòu)中整合安全功能，以防止靜態(tài)和動態(tài)逆向工程、篡改和偽造攻擊。

因此，基于可程序設(shè)計硬件的安全功能已成為一種全面、強(qiáng)健的解決方案，適用于節(jié)能工業(yè)IoT和邊緣應(yīng)用，尤其是采用FPGA的解決方案。除了提高系統(tǒng)的安全效能外，F(xiàn)PGA還可提高應(yīng)用程序的安全等級。FPGA必須將關(guān)鍵安全組件整合到硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中，以提供真正強(qiáng)健的解決方案，以下內(nèi)容將對此加以討論。


圖2 : FPGA必須將關(guān)鍵安全組件整合到硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中。

保證FPGA硬件的安全
在制造地點(diǎn)或透過供應(yīng)鏈運(yùn)輸?shù)倪^程中，硬件可能會在部署前或預(yù)程序設(shè)計時受到攻擊。安全的生產(chǎn)系統(tǒng)支持在不太可信的制造環(huán)境中加密和配置FPGA，控制程序設(shè)計組件的數(shù)量，并以加密控制的方式審計制造過程；其結(jié)構(gòu)必須可以避免復(fù)制品、惡意軟件設(shè)計的FPGA和未經(jīng)驗(yàn)證的組件。

保證FPGA設(shè)計的安全
設(shè)計安全性離不開安全的硬件平臺，這類平臺既可為設(shè)計提供機(jī)密性和身份驗(yàn)證，又能監(jiān)視環(huán)境中的實(shí)體攻擊。旁路攻擊（Side-Channel Attack；SCA）會破壞燒寫到組件中的比特流，因此可能會對整合了加密機(jī)制的FPGA造成嚴(yán)重威脅。

SCA試圖透過測量或分析各種物理參數(shù)，例如電源電流、運(yùn)行時間和電磁輻射，從芯片或系統(tǒng)中提取機(jī)密信息。無論是非揮發(fā)性FPGA還是SRAM FPGA，刻錄或「加載」FPGA的過程都需要具備抵御邊通道攻擊的能力。

主動監(jiān)視組件環(huán)境是另一種防止FPGA設(shè)計受到半侵入式和侵入式攻擊的手段。電壓、溫度和時鐘頻率的波動，可能顯示有人試圖進(jìn)行篡改。防篡改FPGA提供可客制化的響應(yīng)來抵御攻擊，其中包括完全抹除組件，從而使其對攻擊者毫無用處。

保證FPGA數(shù)據(jù)的安全
最后，除了確保硬件和設(shè)計的安全，F(xiàn)PGA還必須提供保護(hù)應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的技術(shù)，這包括不同方法的組合：
? 真隨機(jī)數(shù)生成器（TRNG），用于構(gòu)建符合NIST標(biāo)準(zhǔn)的安全協(xié)議，并提供隨機(jī)性來源以產(chǎn)生用于加密操作的密鑰
? 透過物理不可復(fù)制功能（PUF）生成根密鑰。PUF可利用在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中自然發(fā)生的亞微細(xì)粒變化，并賦予每個晶體管略微隨機(jī)的電氣特性和惟一身份，類似于人類的指紋，每一個都獨(dú)一無二
? 受密鑰保護(hù)的安全內(nèi)存
? 能夠執(zhí)行符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的非對稱、對稱和hashtag函數(shù)的加密功能

結(jié)論
工業(yè)4.0是一場不斷深化的革命，其廣泛采用依賴于強(qiáng)健的端到端安全解決方案?；谲浖陌踩图用芄δ軐?shí)現(xiàn)容易存在弱點(diǎn)并遭到惡意利用。

相比之下，當(dāng)今基于硬件的解決方案利用了具有內(nèi)建先進(jìn)安全可程序設(shè)計功能的FPGA，以及硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中的安全層。這可提供旨在防止客戶IP遭到竊取或過度構(gòu)建的硬件。這些數(shù)據(jù)安全功能的范例之一是用于抵御邊信道攻擊的DPA保護(hù)功能，這通常是一種獲得許可的專利功能。

此外，基于物理不可復(fù)制函數(shù)（PUF）的安全密鑰管理解決方案，以及支持符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的非對稱、對稱和hashtag函數(shù)的軟件可程序設(shè)計，防邊通道攻擊加密處理器也同樣重要。

基于硬件的解決方案為打造真正靈活、安全的系統(tǒng)鋪平了道路。憑借極高的可程序設(shè)計性、出色的效能和極佳的功耗等優(yōu)勢，基于硬件的FPGA安全解決方案，將成為實(shí)現(xiàn)重要安全效能的不二之選。FPGA整合了防邊信道攻擊加密加速器，其中包含防篡改/防御措施，可保護(hù)客戶的知識產(chǎn)權(quán)，并提供可信的供應(yīng)鏈管理，為開發(fā)安全系統(tǒng)提供一個安全平臺。

（本文作者Apurva Peri為Microchip公司資深FPGA產(chǎn)品營銷工程師）