信息安全 | STM32保“密”诀窍，你都造吗？

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STMCU-管管发布时间：2020-3-26 13:31

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万物互联畅想下，如何应对安全挑战？

物联网（IoT）作为数字化转型浪潮最热门的科技风口或发展方向，全景融合了嵌入式技术、网络技术、感知技术、通信技术和信息安全技术等于一身，成为智能家居、可穿戴、工业物联网、智能城市、自动驾驶汽车等应用场景背后的核心技术支撑。随着接入设备的指数级增长，我们在体验了设备之间实现有效通信、自动化、大幅节省时间和成本等便捷后，而另一面指数级升级的“安全威胁“，也逐步成为物联网（IoT）未来最关键的挑战，诸如物联网用户受到网络攻击和身份盗用的隐私问题，老旧物联网设备的加解密技术带来的安全漏洞等等。

1 什么是安全？

在英语中，安全一词有两种不同的定义：Safety, 通常指功能安全 Functional Safety，即保护系统不受那些随机故障的影响，功能安全的失效通常造成对人身和环境的破坏及威胁；另一个 Security，强调信息安全 Information Security，保护资产不受恶意威胁而遭受损失。

在信息安全的框架下，我们提到资产，就是指一切我们认为有价值的对象；我们要保护资产，有安全的考量，说明资产有弱点，也叫漏洞，也就是系统的脆弱性；威胁，就是利用资产的弱点来破坏系统运行的一系列行为，令资产价值损失，让恶意第三方获益。资产、弱点、威胁构成了资产弱点威胁模型。当我们谈信息安全时，首先要甄别需要保护的资产是什么？明确了这一点，才可能针对有风险的系统弱点来制定安全方案、采取安全措施。

根据安全应用的不同，要保护的资产（或者叫属性/property）也有所不同。与STM32应用领域相关的信息安全保护，就是保护完整可靠的数据，仅能被授权访问。

信息安全有三个基本要素：C.I.A，Confidentiality=保密；Integrity =完整；Availability=可用。

保密性，通俗讲就是一般人不可知晓。它的另一层意思就是：只有被授权的主体才知道信息的内容。

完整性，Integrity。信息的完整性，要分成两个方面来理解，狭义的完整，就是信息本身没有被修改被破坏；广义的完整性，还包括该信息的来源方是可靠的。举个例子，有人盗取了别人的身份证，然后号称这是他。这个身份证本身是完整的，真正的身份证，符合狭义完整性；但这个身份证不是这个人的。这就不具有广义的信息完整性。

可用性，表示被授权的主体，在需要的时候可以访问到信息或者服务。

信息安全三要素

信息安全有三大工具，标识(Identity)、认证(authentication)和授权(authorization)。标识，用来表明主体的身份，由主体提出，可能是真，可能是假，需要认证；认证，用于核实声称的内容，常用方法有询问你知道的一些事情，你的身份证件，或者你独有的特征；对标识的认证完成后，就要授权该标识所代表的主体可以访问的资源，和可以实施的行为。

那么，问题来了，信息安全的三大工具是如何支持信息安全三要素的？

信息安全三要素 VS. 工具

机密性，表示信息不能被未授权的主体获得。有主体，就有标识，有标识就需要认证；然后能访问和不能访问，就是授权的不同。

完整性，表示信息被未授权的主体修改后能被立即识别。广义的消息完整性还要保证信息来源的可靠，即主体可靠。那么自然也就需要标志，和认证。

可用性，表示被授权的主体，在需要的时候能够访问到信息。自然也是有主体，就有认证，然后授权他可以使用某种服务或者访问某种资源，比如信息。

2 安全，贯穿产品的整个生命周期

理解安全的定义、信息安全三要素和三大工具后，我们认识到要做好信息安全保护，需要建立安全分析模型，基本思路就是基于对主体的资产弱点威胁分析，列出所有资产，理解相关威胁，思考相关弱点，然后策划对应的保护措施。我们要理解，资产是安全第一关注的对象；认识安全风险来自资产、弱点、威胁的交集；运用安全与资产、弱点、威胁的依赖关系，设计对应的保护措施。

作为开发者，我们一定要建立体系化的安全思维：安全绝不是一个点，它是一个整体概念，不仅是系统上的整体，还是时间跨度上的整体。安全思维需要贯穿产品的整个生命周期，从功能定义，设计，开发，测试；到生产制造、传输，部署，以及使用寿命内的产品维护。

安全分析举例：一个安全的家

安全是一个系统的设计和部署，它的安全性取决于整个系统中所有环节里的最短板，必须通盘考虑。不是一个加密算法，一个安全芯片就可以简单解决的。

3 应该学一点密码学

密码学的应用是基于一个需要保护的场景或者说模型。那么为了通讯安全或者设备安全，我们会采用各种各样的密码，密码的背后是加解密技术。加解密技术说白了就是变换，加密变换和它的反变换 --- 解密变换。加解密技术也有三个属性，也叫 CIA，保密性，完整性以及可认证性。注意，加解密技术的A是指Authentication，与信息安全三要素CIA中的可用性 A (Availability) 不一样。

加解密技术提供的服务就是传输机密数据(Confidentiality)，校验数据完整性(Integrity)和身份认证(Authentication)。我们通过加解密的过程来理解：

加解密过程

· 能够提供保密服务的算法有对称加解密技术和非对称加解密技术，实现机密数据传输；

· 能够提供狭义完整性服务的算法有哈希（单向散列）函数，校验数据完整性；

· 能够提供认证鉴别类服务有基于非对称密钥技术的数字签名技术，以及基于对称密钥的技术的消息验证码 MAC。

· 加解密技术确实很难，但我们不去发明算法，也不去尝试攻击和破解现有算法，我们只是去使用它；而且现在很多加解密库已经对上封装的很好，我们只要理解了密码学基本原理，熟悉了加解密库的API接口，就可以比较方便的使用它了。

4 STM32的安全特性

STM32现有安全特性全景图

如上图，STM32安全特性涵盖硬件、软件例程、软件工具，以及用于解决安全生产或者说安全固件烧录的整套服务，SFI（安全固件安装）。

蓝色部分代表硬件，包括存储与执行保护模块、芯片UID、外部监测模块和加解密模块。

· 存储与执行保护模块：包括读保护RDP、写保护WRP、私有代码保护PCROP、唯一启动入口UBE、安全用户闪存、MPU、防火墙firmware；最新的产品系列L5中，还有TrustZone安全隔离功能，区分可信代码和非可信代码。

· 芯片UID（unique ID）：是ST提供给每个STM32芯片的唯一ID号，出厂前就写在了片上闪存的系统flash，它与安全不直接相关，但会在安全相关应用中用到；

· 外部监测模块：如看门狗，Tamper外部入侵检查；

· 加解密模块：包括真随机数产生器 TRNG、对称加解密加速器 AES、对称加解密加速器 Crypto、哈希模块 HASH、非对称加解密加速器 PKA。

灰色部分是软件例程包：

基于存储与执行保护模块的各个例程；

加解密库，一方面有基于下面加解密硬件模块的实现，也有仅依赖于Cortex-M内核的软件实现。

SBSFU安全包，是结合了基本所有硬件模块和加解密技术的应用，实现了安全启动和安全升级。SBSFU是由ST开发的，针对嵌入式领域安全启动和安全升级的免费开源参考实现。开发者可按需裁剪，集成到自己的应用中；或者参考它，做自己的实现。

来自ARM的开源协议栈mbedTLS，集成在带以太网IP的STM32系列的Cube包中。

安全固件安装（SFI：SecureFirmware Install）用于解决安全生产或者说安全固件烧录的整套服务，HSM是一个硬件，帮助SFI服务的实施。安装，就是指在空片上烧录初始版本的应用固件，通常发生在产线上。SFI适用于OEM把一批次的STM32和自己开发好的固件给到第三方或者不可信的产线去烧录时，解决OEM对产线安全方面的顾虑；比如，OEM开发的固件会有私密性要求，防止知识产权泄露；另外，OEM可以控制固件烧录的次数，规避品牌资产带来风险。

作为STM32生态系统的一部分，STM32CubeProgrammer和TrustPackageCreator 是学习和操作SBSFU需要用到的软件工具。CubeProgrammer是STLINKUtility的继承者，主要用来烧写、读取、擦除STM32片上闪存以及选项字节；TrustPackageCreator专门服务于安全应用，SBSFU和SFI都会用到，TrustPackageCreator没有单独的下载包，它的GUI和命令行版本的程序，都是在CubeProgrammer的安装目录下。