纽创信安-硬件安全系列课程笔记（二）
纽创信安-硬件安全系列课程笔记（二）
芯片安全设计技术
常见对称算法
分组密码：AES DES/TDES SM4
流密码：ZUC Chacha20
AES：
- 密钥长度：128 192 256
- 轮数：10 12 14
- 加解密的SBOX不同
- 加解密使用轮密钥的顺序不同
常见使用模式及场景
分组密码操作模式：ECB CBC CTR GCM XTS
使用场景：
- 数据存储（Android7.0 AES-256 XTS）
- 网络通信（SSL/TLS AES GCM）
ECB：将数据分割为若干个分组后分别加密
CBC： 使用前一分组的密文与本分组明文异或后加密
XTS：
- NIST SP800-38E
- 可随机访问
- 可并行处理
GCM：
- NIST SP800-38D
- 既可以对数据加密，也可以提供校验值（Auth Tag）
- 加解密可以并行处理，处理速度比CBC快
常见的抗攻击设计
侧信道攻击防护：
- 对中间值进行随机化处理，随机化中间过程（线性操作使用布尔掩码，非线性操作使用乘法掩码、随即掩码和固定值掩码）
- 增加随机延迟或伪操作，在功耗上无法区分延迟/伪操作，使攻击者无法对齐功耗曲线
FI防护：
- 多次操作校验是否计算结果相同
- 关键参数保存CRC
密钥的管理：
- 关键密钥 硬件管理，软件不可见或控制访问权限，例如根密钥
- 应用密钥 又软硬件协调管理，增加灵活性，例如会话密钥
常见公钥密码算法
RSA算法概述：
- p和q分别是两个大素数，n=p*q
- 加密：C = Me mod n
- 解密：M = Cd mod n = Med mod n = M
- 私钥：{d，n}；公钥：{e，n}
- 主要的运算量都集中在大数模幂
椭圆曲线密码：
- 域K上的椭圆曲线E有下述方程定义：
- E:y2 + a1xy + a3y = x3 + a2x2 + a4x + a6
- 其中a1 a2 a3 a4 a6 属于K且E的判别式不等于0
- 有倍点和点加两种运算法则
- 点乘可以转换为点加和倍点运算
- P和Q为为椭圆曲线上的点,k为标量,Q = kP,知道P和Q,很难得到k
| 算法家族 | 密码体制 | 安 | 全 | 级 | 别 |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 | 128 | 192 | 256 | ||
| 因数分解 | RSA | 1024位 | 3072位 | 7680位 | 15360位 |
| 离散对数 | DSA,DH | 1024位 | 3072位 | 7680位 | 15360位 |
| 椭圆曲线 | ECDSA,ECDH,SM2 | 160位 | 256位 | 384位 | 512位 |
| 对称密钥 | AES,SM4 | 80位 | 128位 | 192位 | 256位 |
非对称算法应用
签名 验签：私钥用于签名，公钥用于验签
密钥协商：双方协商出一个共同密钥
加密 解密：公钥用于加密，私钥用于解密，加解密代价较大
网络认证：握手阶段进行验签、密钥交换
安全启动：验证固件/应用的签名，防止固件被第三方篡改
嵌入式设备的实际应用：mbedtls 使用C编程语言以最小的编码占用空间实现了SSL/TLS功能及各种加密算法
mbedTLS：
- 完整的SSL v3、TLS v1.0、TLS v1.1和TLS v1.2协议实现
- X.509证书处理
- 基于TCP的TLS传输加密
- 基于UDP的DTLS（Datagram TLS）传输加密
RSA、ECC的选择：
- RSA的验签速度很快
- ECC的验签速度一般比签名慢
- RSA的存储占用远远大于ECC
- RSA的密钥生成速度远远小于ECC
常见的抗攻击设计
点乘的防侧信道保护：
- 固定时间：蒙哥马利阶梯
- 标量掩码：标量加上阶的随机倍数
- 随机坐标：对投影坐标进行随机化处理
模幂的防侧信道保护：
- 固定时间：蒙哥马利阶梯
- 指数掩码：对幂指数进行拆分
- 底数掩码：对底数乘上任意随机数，在得到最终结果前脱掩
验签的防FI保护：
- 硬件多次校验
- 多次校验之间使用随机延迟
- 使用蒙哥马利阶梯，利用两数之间的关系进行校验
- 参数进行CRC校验
公钥算法总结
- 主要用于身份识别，主要应用位签名/验签
- ECDSA/ECDH和RSA是主流的公钥密码体系中的算法，SM2是国内主要的公钥密码算法
- 公钥密码算法吞吐数据量小，运算时间长
安全解决方案对比
| MCU | TEE | SE | |
|---|---|---|---|
| 敏感信息存放 | 通用区域 | 可信区域 | 安全区域 |
| 密码算法 | 软件 | 软件 | 硬件 |
| 运算时间 | 长 | 长 | 短 |
| 身份识别 | 弱 | 中 | 强 |
| 物理安全 | 弱 | 弱 | 强 |
| BOM成本 | 低 | 中 | 高 |
| 使用成本 | 低 | 中 | 高 |
信任根（Root of Trust）
建立信任链（chain of trust）的来源，也是SoC中的安全根基
- 安全启动
- 硬件负责初始化安全启动过程中需要使用的模块
- CPU从自身ROM中读取一级启动代码，对外部的二级Bootloader进行解密和验签
- 密钥管理
- 保护密钥的机密性
- 确认密钥的完整性
- 提前考虑各种角色，确保在实际场景中的可用性
- 结构和芯片生命周期管控烧写、使用、Debug相关权限
关键安全模块
MPU/MMU：
- 访问地址、权限隔离
Crypto Engine：
- 提供各种密钥运算的支持
- 提升密钥运算的性能和安全性
- 避免软件可以访问到关键密钥
Detector：
- 探测环境的异常变化
Storage Protection Unit：
- 保护存储单元内的数据，地址总线和数据总线都需要加密/加扰
Bus Protection Unit：
- 保护总线上传输的消息，地址和数据都需要加扰
Secure Processor：
- 利用Memory Tagging等技术防止关于Memory的攻击
- 利用Time constant技术防止Timing Attack
物理不可克隆函数（PUF）
利用芯片在制造过程中的不确定因素提取的唯一特征
- 唯一性
- 防克隆性
- 不可预测性
- 防篡改性
- 不需要存储
SRAM PUF 密钥存储
SRAM PUF 特性
- 容易部署
- 高可靠性
- 工艺适配性
- 安全性