面向低功耗工業(yè)4.0應(yīng)用的可編程安全功能

安全性是醫(yī)療、工業(yè)、汽車和通信領(lǐng)域的一個(gè)重大問題。許多行業(yè)都在采用基于互聯(lián)智能機(jī)器和系統(tǒng)的智能聯(lián)網(wǎng)機(jī)器及工藝，從而優(yōu)化工藝和流程。這些系統(tǒng)容易受到惡意攻擊、未知軟件錯(cuò)誤的影響，而遠(yuǎn)程控制甚至可能導(dǎo)致物理安全問題，因此必須防止未經(jīng)授權(quán)的訪問或非法控制。

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（又稱工業(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(xiǎn)和挑戰(zhàn)。工業(yè)4.0定義了系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器和人類之間的通信和互聯(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(shí)識(shí)別和糾正缺陷、預(yù)測(cè)性維護(hù)以及改進(jìn)各種功能之間的協(xié)作等優(yōu)勢(shì)，但這些優(yōu)勢(shì)也會(huì)顯著增加智能工廠或自動(dòng)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(huì)傳播到工廠車間或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的每一臺(tái)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）受到的安全威脅在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)?；谠茍?zhí)行的遠(yuǎn)程管理也帶來了篡改、注入惡意內(nèi)容等物理攻擊的風(fēng)險(xiǎn)。

本文概述了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，這是在第四次工業(yè)革命的推動(dòng)下，滿足IoT和邊緣計(jì)算迅速增長(zhǎng)的需求的必經(jīng)之路。本文介紹了安全功能在硬件、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)中的作用，以及如何在安全性的三個(gè)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。

一個(gè)可靠的安全系統(tǒng)必須具備以下三個(gè)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)

通過FPGA實(shí)現(xiàn)基于硬件的安全功能

基于軟件的單一安全方法在生命周期、可編程性、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(jí)，因此必須采用縱深防御安全機(jī)制，通過安全層加強(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(kù)。這些軟件實(shí)現(xiàn)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(dòng)程序、軟件協(xié)議棧、存儲(chǔ)器和軟鍵。此外，軟件實(shí)現(xiàn)可能未針對(duì)性能和功率進(jìn)行優(yōu)化，因此會(huì)帶來設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。在工業(yè)系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中，這些系統(tǒng)需要長(zhǎng)期維護(hù)，同時(shí)協(xié)議棧、庫(kù)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)中集成安全功能，以防止靜態(tài)和動(dòng)態(tài)逆向工程、篡改和偽造攻擊。

因此，基于可編程硬件的安全功能已成為一種全面、穩(wěn)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)的安全性能外，F(xiàn)PGA還可提高應(yīng)用程序的安全等級(jí)。FPGA必須將關(guān)鍵安全組件集成到硬件、設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)中，以提供真正穩(wěn)健的解決方案，以下幾部分將對(duì)此加以討論。

保證FPGA硬件的安全

在制造地點(diǎn)或通過供應(yīng)鏈運(yùn)輸?shù)倪^程中，硬件可能會(huì)在部署前或預(yù)編程時(shí)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，控制編程器件的數(shù)量，并以加密控制的方式審計(jì)制造過程；其結(jié)構(gòu)必須可以避免復(fù)制品、惡意編程的FPGA和未經(jīng)驗(yàn)證的器件。

保證FPGA設(shè)計(jì)的安全

設(shè)計(jì)安全性離不開安全的硬件平臺(tái)，這類平臺(tái)既可為設(shè)計(jì)提供機(jī)密性和身份驗(yàn)證，又能監(jiān)視環(huán)境中的物理攻擊。邊信道攻擊（SCA）會(huì)破壞燒寫到器件中的比特流，因此可能會(huì)對(duì)集成了加密機(jī)制的FPGA造成嚴(yán)重威脅。SCA試圖通過測(cè)量或分析各種物理參數(shù)（如電源電流、執(zhí)行時(shí)間和電磁輻射），從芯片或系統(tǒng)中提取機(jī)密信息。無論是非易失性FPGA還是SRAM FPGA，燒寫或“加載”FPGA的過程都需要具備抵御邊信道攻擊的能力。

主動(dòng)監(jiān)視器件環(huán)境是另一種防止FPGA設(shè)計(jì)受到半侵入式和侵入式攻擊的手段。電壓、溫度和時(shí)鐘頻率的波動(dòng)可能表明有人試圖進(jìn)行篡改。防篡改FPGA提供可定制的響應(yīng)來抵御攻擊，其中包括完全擦除器件，從而使其對(duì)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(jì)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)性來源以生成用于加密操作的密鑰

• 通過物理不可克隆功能（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(gè)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(gè)都獨(dú)一無二

• 受密鑰保護(hù)的安全存儲(chǔ)器

• 能夠執(zhí)行符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的非對(duì)稱、對(duì)稱和hashtag函數(shù)的加密功能

結(jié)論

工業(yè)4.0是一場(chǎng)不斷深化的革命，其廣泛采用依賴于穩(wěn)健的端到端安全解決方案。基于軟件的安全和加密功能實(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)置高級(jí)安全可編程功能的FPGA以及硬件、設(shè)計(jì)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)安全功能的示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，基于物理不可克隆函數(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(duì)稱、對(duì)稱和hashtag函數(shù)的軟件可編程防邊信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。憑借其極高的可編程性、出色的性能和極佳的功耗等優(yōu)勢(shì)，基于硬件的FPGA安全解決方案將成為實(shí)現(xiàn)重要安全性能的不二之選。FPGA集成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(shí)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(gè)安全平臺(tái)。