【導讀】數(shù)字安全是電子設(shè)計領(lǐng)域最熱門的話題之一。對于許多工程師，當提到安全性時，腦海中閃現(xiàn)出的第一個詞可能就是加密。可能只有極少數(shù)人會想到安全認證。然而，安全認證是安全器件或交易的基礎(chǔ)功能。
數(shù)字安全是電子設(shè)計領(lǐng)域最熱門的話題之一。對于許多工程師，當提到安全性時，腦海中閃現(xiàn)出的第一個詞可能就是加密。可能只有極少數(shù)人會想到安全認證。然而，安全認證是安全器件或交易的基礎(chǔ)功能。
我們以家庭銀行為例，顯然，您希望余額和賬號等保密信息能夠加密，此時，您的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器上會顯示一個小鎖標識以及“https://”。也就是說，網(wǎng)絡(luò)瀏覽器在建立安全連接時，第一件事情就是檢查銀行站點的真實性；換句話說，就是要對銀行站點進行安全認證。實際上，如果將登錄和密碼信息發(fā)送到釣魚網(wǎng)站，危害性非常大，因為這些憑據(jù)可被進一步重用，以銀行賬戶持有人的名義執(zhí)行未經(jīng)授權(quán)的交易，而實際持有人卻毫不知情。通過TLS/SSL協(xié)議，一般能夠?qū)崿F(xiàn)安全的互聯(lián)網(wǎng)瀏覽，確保真實性和保密性。
安全認證對于物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應用也非常重要：不可信的終端可能會將整個基礎(chǔ)設(shè)施置于危險之中。我們以連接到配電系統(tǒng)的智能電表為例。對于要破壞電網(wǎng)的攻擊者，一種簡單方法是將病毒或惡意軟件加載到智能電表。然后被干擾的電表會向基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)送假消息，反應出的功耗與實際功耗相差非常大。電網(wǎng)將會出現(xiàn)不平衡；更壞情況下，攻擊可能觸發(fā)全網(wǎng)斷電。為了避免這種情況，必須檢驗電表硬件和固件的真實性。對固件進行安全認證的過程稱為安全引導。
實施有效的安全認證方法
現(xiàn)在我們已經(jīng)理解了安全認證的重要性，接下來我們討論如何實施。最簡單的安全認證方法是使用密碼。在智能電表的例子中，設(shè)備可向電網(wǎng)控制系統(tǒng)發(fā)送密碼。服務(wù)器驗證密碼，然后再授權(quán)執(zhí)行下一步。雖然這種方法非常容易理解，但并不是最好的方法。攻擊者很容易監(jiān)聽通信、記錄密碼，然后用其來對非真實的設(shè)備進行安全認證。所以，我們認為基于密碼的安全認證方法比較薄弱。
數(shù)字領(lǐng)域執(zhí)行安全認證的更好方法是質(zhì)詢-應答方法。我們來看看兩種方式的質(zhì)詢-應答方法：一種基于對稱加密，另一種基于非對稱加密。
對稱加密安全認證依賴于共享密鑰。主機和被認證設(shè)備持有相同的密鑰。主機向設(shè)備發(fā)送一個隨機數(shù)，即質(zhì)詢。設(shè)備計算一個數(shù)字簽名，該簽名是密鑰和質(zhì)詢的函數(shù)，并發(fā)送回主機。主機執(zhí)行相同的運算并對結(jié)果進行比較。如果兩項計算結(jié)果一致，則設(shè)備通過安全認證(圖1)。為了確保結(jié)果不被模仿，必須使用數(shù)學屬性足夠的函數(shù)；例如必須保證不可能通過計算結(jié)果獲得密鑰。SHA-256等安全散列函數(shù)滿足這些要求。對于質(zhì)詢-應答方法，設(shè)備在不泄露密鑰的情況下證明自己知道密鑰。即使攻擊者攔截通信，也無法接觸到密鑰。
圖1. 基于對稱加密的安全認證依賴于主機和設(shè)備之間的共享密鑰。
基于非對稱加密的安全認證依賴于兩個密鑰：私鑰和公鑰。只有被認證的設(shè)備知道私鑰，而公鑰可透露給希望對設(shè)備進行安全認證的任何一方。與上文中討論的方法一樣，主機向設(shè)備發(fā)送質(zhì)詢。設(shè)備根據(jù)質(zhì)詢和私鑰計算數(shù)字簽名，并將其發(fā)送給主機(圖2)。但此時，主機使用公鑰對數(shù)字簽名進行驗證。用于計算數(shù)字簽名的函數(shù)擁有特定數(shù)學屬性至關(guān)重要。非對稱方法中最常用的函數(shù)是RSA和ECDSA。同樣，設(shè)備也在不泄露密鑰情況下提交了自己知道密鑰的證明，即私鑰。
圖2. 非對稱密鑰安全認證依賴于公鑰和私鑰。
為什么安全IC有益于安全認證
質(zhì)詢-應答安全認證始終要求被認證的對象持有密鑰。對稱加密方法中，該密鑰為主機和設(shè)備之間的共享密鑰；對于非對稱加密方法，該密鑰為私鑰。無論哪種情況，一旦密碼泄露，質(zhì)詢-應答式安全認證就失效了。安全IC有助于防范這種情況。安全IC的一項基本特性是為密鑰和密碼提供強保護。
Maxim提供三種支持安全認證的解決方案。
安全認證IC：IC是可配置但固定功能的器件，為實施質(zhì)詢-應答安全認證提供最經(jīng)濟的途徑，并且具有基本的加密操作。
安全微控制器：在支持質(zhì)詢-應答安全認證的基礎(chǔ)上，提供全面的密碼學功能，包括加密。
低功耗微處理器：盡管這些產(chǎn)品并非專用于加密，但擁有支持強安全認證所需的電路模塊。
安全認證IC中，基于SHA-256的產(chǎn)品支持基于共享密鑰的安全認證(圖3)，而基于ECDSA的IC使用私鑰/公鑰對(圖4)。除加密引擎外，這些產(chǎn)品擁有板載EEPROM存儲器。該存儲器是可配置的，可用于儲存經(jīng)過安全認證的用戶數(shù)據(jù)，例如傳感器的校準信息。
基于SHA-256的產(chǎn)品是最經(jīng)濟的方案。盡管支持相互認證，但共享密鑰的分發(fā)要求采取一定的防范措施，保證設(shè)備制造和配置期間不會泄露密鑰。為克服該缺點，可在Maxim工廠對密鑰進行編程。
圖3. SHA-256密鑰安全認證基于共享密鑰。
Maxim的DS28E15/22/25 IC基于SHA-256技術(shù)，擁有不同的內(nèi)部存儲器容量。由于主機和設(shè)備側(cè)儲存有相同的密鑰，我們建議主機側(cè)使用協(xié)處理器，例如DS2465。
DS28C36和DS28E35等基于非對稱加密的產(chǎn)品提供更靈活的方法，因為主機側(cè)不需要防止密鑰被泄露。然而，為降低公鑰算法負荷并且提供附加安全操作，可利用DS2476 (DS28C36的配套IC)等主機側(cè)協(xié)處理器簡化系統(tǒng)方案的開發(fā)。
圖4. 基于ECDSA的安全認證算法依賴于私鑰/公鑰對。
支持對稱和非對稱加密的安全微控制器
Maxim提供各種各樣的安全微控制器，包括從MAX32590 (ARM9，工作頻率384MHz)應用級處理器(支持Linux等高級操作系統(tǒng))到MAX32555或MAXQ1061等小尺寸協(xié)處理器。
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