自主可控開源 RISC-V助力IoT設備提升安全等級

物聯網也稱為IoT，這種技術可使全球數十億物理設備通過互聯網聯通，所有這些設備都收集和共享大量數據。由于連接設備的數量眾多，因此物聯網已成為全球數十億人生活中不可或缺的一部分。許多人認為，物聯網是21世紀最重要的技術，因為它幾乎影響了從醫(yī)療到運輸的各行各業(yè)。但是，隨著我們周圍世界的聯系越來越緊密，保護這些設備的安全性變得至關重要。

有限的硬件功能限制了整體固件的發(fā)展，大多數物聯網設備的核心存在安全性缺陷?；贛CU的設備通常不提供辨識可信和不可信軟件的方法。第三方二進制文件、開源庫、legacy code、應用程序、驅動程序和操作系統(tǒng)共享硬件資源的訪問權限，因為它們以相同的級別運行。所以設備的安全性就看鏈中最薄弱的環(huán)節(jié)，而利用單個固件中任何組件的漏洞就足以危害整個設備。

TEE就是一種方法來確保設備或系統(tǒng)的數據和程序的機密性（confidentiality），完整性（integrity）和可用性（availability）（簡稱“CIA”）。傳統(tǒng)的TEE技術能夠在各種硬件組件中“切出”一個安全區(qū)域（通常稱為“安全區(qū)”（secure world）），這種功能已經在市場上存在了一段時間。然而由于兩個主要缺點，這種特定的TEE技術從未在移動市場之外得到廣泛應用。首先，底層硬件模塊基于專有IP，這導致了跨廠商和平臺將產生高昂成本。其次，硅IP供應商通常是以硬件為中心的方法使軟件實現復雜化，甚至很難在不同的微體系結構中實現。此外，由于系統(tǒng)層面發(fā)現了微體系結構組件中的關鍵漏洞，在過去的幾年中，對這種繁復的硬件方法已經逐步被淘汰。

而RISC-V指令集體系結構（ISA）的簡潔設計克服了這些限制，因為它將大多數TEE硬件要求定義為標準規(guī)范。這使得TEE硬件模塊可在任何RISC-V實現中立而無需專有IP。這些硬件塊包括特權執(zhí)行擴展和物理內存保護（PMP）primitive。這些RISC-V primitive的開放式設計使ISA的TEE實現在硅實現中具有非常好的可擴展性，涵蓋了從微型32位單核MCU到64位多核Linux的復雜系統(tǒng)。

作為向現實世界物聯網應用邁進的一步，Hex Five Security（RISC-V International的長期成員）已開發(fā)了MultiZone Security IoT Stack，可免費下載RISC-V IoT安全棧。Hex Five的MultiZone Security TEE協調了底層RISC-V硬件安全塊，并在多個相等安全，輕量級線程之間提供了硬件強制，軟件定義的分隔，這些線程映射到稱為“區(qū)域（Zones）”的硬件資源。在區(qū)域中運行的程序本質上是安全的，因為它們是在非特權用戶模式下執(zhí)行的。通過觸發(fā)故障的RISC-V物理內存保護（PMP）單元，可以防止訪問未明確映射到區(qū)域的硬件資源-ram / rom /外圍設備。除MultiZone TEE外，Hex Five Secure IoT Stack還包括其他三個開源組件：FreeRTOS，WolfSSL加密庫和picoTCP IP堆棧。該應用程序包含四個通過靜態(tài)策略定義的單獨Zone。每個區(qū)域在物理上是分開的，并且與其他區(qū)域以及MultiZone運行時不共享硬件資源。每個區(qū)域都是密封的，并提供了安全關鍵的實時調度程序和安全的通信層。

1.Zone 1運行FreeRTOS，其三項任務包括：提供用戶控制臺的CLI應用程序，控制機械臂運動的實時應用程序以及顯示單獨的實時線程管理按鈕中斷和LED的心跳應用程序。

2.Zone 2運行TCP / IP堆棧，提供到云的TLS 1.3連接。這樣可以將遠程攻擊面與實時操作系統(tǒng)以及Root of Trust隔離。

3.Zone 3運行Root of Trust和WolfSSL庫。它提供保護TLS鏈接所需的加密密鑰。機密信息（加密密鑰，密碼，受保護的文件等）永遠不會離開此區(qū)域，只能通過MultiZone安全消息進行訪問。

4.Zone 4運行一個裸機UART終端，以驗證分離策略的執(zhí)行情況并評估MultiZone TEE的性能。

硬件準備：Digilent Arty A7 35T

為了在原本隔離的區(qū)域之間實現通信，它們的API封裝在通過TEE提供的安全通信基礎結構路由的請求/響應消息中。此技術允許與現在作為微服務公開的第三方軟件功能進行快速而強大的集成。

嵌入式應用程序需要分層的安全性方法。通過隔離實現安全性至關重要，因為它可以將關鍵功能與不受信任的大型代碼庫軟件引入的攻擊面相隔離。專有、過于復雜，重硬件的TEE時代已經過去，因為這種傳統(tǒng)方法已被證明不足以滿足現代IoT應用程序的成本和敏捷性要求。Hex Five的MultiZone Security提供了一種快速安全的方法來為RISC-V應用程序增加安全性和分離性。MultiZone基于RISC-V標準，可以對現有設計進行改造：您可以利用高安全性隔離而無需重新設計硬件和軟件，從而消除了管理混合硬件/軟件安全方案所帶來的復雜性。

作者簡介

Sandro Pinto是Hex Five Security Inc.的研發(fā)部主管，葡萄牙米尼奧大學（University of Minho）的研究科學家兼教授。Sandro是一名硬件安全向導，是Trusted Execution Environment技術的世界級專家，并且是多篇面向安全的研究論文的作者。Sandro擁有電子和計算機工程專業(yè)的博士學位，具有深厚的學術背景，并擁有多年的行業(yè)經驗，專注于嵌入式，網絡物理和基于IoT的系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，虛擬化和安全性。

MultiZone支持多種硬件目標。為了對框架進行完整的評估，建議使用由Hex Five Security開發(fā)的開源軟核X300。它是最初由加州大學伯克利分校開發(fā)的E300 SoC（Rocket rv32）的增強版本——完全免費用于商業(yè)和非商業(yè)用途。與E300一樣，X300可以編程到Xilinx Artix-7 35T Arty FPGA上。對參考設計感興趣？詳情及資源下載請前往：http://www.digilent.com.cn/community/714.html

本文源自Sandro Pinto 開源硬件創(chuàng)客坊，轉載目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。