硬件安全技术——概述1(安全威胁和硬件安全技术)

一、硬件安全技术是什么？

传统视角：
硬件安全=密码芯片安全，特别是智能卡、可信计算、Ukey等芯片攻击防御技术

密码芯片的逻辑接口、物理接口安全；
核心功能：具备防攻击能力，能有效保护秘钥存储、进行安全密码运算；
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密码芯片是一个边界清楚，作为一个黑盒子，放在系统中，起到安全密码运算、防攻击等功能。

二、智联时代

万物互联+智能化：
云、端协作、数字孪生、海量数据，如智能家居、智慧城市、电力网络等迈向智能时代。
网络攻击进入物理世界:
攻击截面扩大，风险巨大，如黑客操控物理世界产品，威胁从“谋财”升级为“害命”

因此，需要相关的技术来解决安全问题。

三、真实世界安全问题层出不穷

监控摄像头的攻击
智能音箱攻击
服务器攻击
个人电脑攻击
电力、网络攻击

如何减少这类事件的发生，因此，硬件安全技术可以有效的解决这类事件发生的概率。

四、硬件安全：新视角

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解决安全问题，可以分为四个部分来进行问题解决：
应用软件，操作系统，底层软件，硬件层（如硬件电路）

系统和固件是密不可分；
系统信任跟由硬件+底层软件共同保护；
如果底层有漏洞，那么系统肯定会被破解；

因此，硬件安全研究不仅仅局限传统的独立密码芯片研究范畴，现在考虑的是在更复杂的、开放的系统中，硬件安全能够做什么？
传统的硬件安全保护秘钥，未来的硬件安全除了要保护秘钥，还要保护软件，再由软件再保护上层应用。

硬件安全用在什么地方，所有联网的设备，必须用到硬件安全技术

举一个简单的IoT例子：（物联网设备、智能手机、云）
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设备端：

固件保护
身份识别
数据加解密
其他

手机端：

OS
APP安全
生物识别安全
其他

云端

网络安全
租户OS安全
数据安全
其他

硬件安全扮演的角色：
虽然云和端所用的芯片架构不一样，如算力、软件等。但是却有相同的硬件安全要求。
例如：

1. 硬件需要提供安全的Boot ROM。芯片启动第一步，信任根
2. 安全秘钥、ID的管理
3. 加解密、签名、密码运算等秘钥安全信息
4. 随机数发生器

对于手机端，可能还有安全执行环境，需要run应用，如指纹、人脸。
对于云端，考虑运行在虚拟机上的多个用户安全需求，如每个用户可能有自己秘钥存储需求；OS的安全启动、数据安全需求；TLS的卸载等

五、生命周期安全设计

生命周期安全设计是硬件安全需要考虑的重点内容。
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实际在芯片的最初的RTL设计，到交付至用户的，存在很多环节。很多环节有可能导致秘钥、固件或者其他敏感信息的泄露，那么硬件安全如何在开放的供应链上构建信任根和信任链？这一点是硬件安全需要解决的问题。

六、硬件安全技术

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硬件安全上主要研究内容可分为以下四个部分：

硬件安全架构
物理攻击技术
抗攻击设计
面向软件安全的硬件设计

七、侧信道攻击

侧信道攻击

SCA本质上利用芯片在计算时，边信道的泄露，内部的电路的状态取决于算法的设计，例如对于8bit的寄存器，若初始值为0，一旦我们往里面写入一个字节的数据，那么在写入的过程中，部分寄存器的状态会翻转，即会引起功耗的变化（电容）。实际上，这种泄露是很危险的，并且在电路中一直存在的。

侧信道的攻击对象发展有经历了如下过程：

一直存在的误解是，人们经常认为侧信道攻击只是对工艺落后的芯片才能进行攻击，却认为对面积大、工艺先进的芯片没有威胁，实际上这个观点是错误的，只要芯片在做密码相关的计算，就可能存在侧信道信息的泄露。
侧信道攻击的分类
除了从瞬时功耗的角度发现了可以攻击密码芯片外，此外还有电磁辐射，光子泄露，计算时间等侧信道的信息。

侧信道攻击不需要破坏芯片或者修改软件，就可以攻击，因此其攻击门槛低，威胁较大。

因此，抵抗侧信道攻击是安全芯片的主要的技术难点之一。

八、微架构侧信道（MASCA）

侧信道的其中一个分支为微架构侧信道，最近几年比较热门的侧信道。
微架构侧信道分析：利用处理器架构的特点，获取与敏感信息（如秘钥）相关的信息泄露（如时间），来破解系统安全防护。
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如2017年，熔断和幽灵：滥用CPU推演执行功能，来构造攻击场景，对大量intel CPU均有效；
2018年，Foreshadow：滥用CPU推演执行破解了SGX;
2019年，NCC 高通 QSEE攻击：利用分支预测和cache的时序泄露，获得Trustzone之中的ECDSA私钥。

传统的攻击是需要黑客去靠近设备来达到攻击的目的，不能够批量的攻击设备，但是微结构侧信道攻击可以远程进行批量攻击。

九、公钥密码算法

公钥算法的演进：
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十、硬件安全的内在挑战

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硬件安全设计和其他信息安全设计一样，也面临着内在的挑战。
首先，随着时间推移，新的攻击方法、新工具也会层出不穷，攻击者会变得越来越强，但是产品并不会变得更加抗攻击。
其次，设备所在的系统会更加复杂，包括网络结构、芯片架构、软件应用等。

因此，在安全设计时，最小化的安全假设，同时保持足够的功能和架构的安全性。