安全是醫(yī)療、工業(yè)、汽車和通信領(lǐng)域的一個大問題。行業(yè)正在采用機器和流程的智能網(wǎng)絡(luò)來優(yōu)化流程和流程，建立在連接的智能機器和系統(tǒng)上。這些系統(tǒng)容易受到惡意攻擊、未知軟件錯誤和遠程的影響。它們甚至?xí)?dǎo)致物理安全問題，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，通常稱為第四次工業(yè)革命（或工業(yè) 4.0），開創(chuàng)了創(chuàng)新和發(fā)展的新紀元，但也存在一系列危險和挑戰(zhàn)。它定義了系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、機器和人類（包括物聯(lián)網(wǎng)）之間的通信和互連性，編織出新的復(fù)雜性。雖然連接的好處包括提高效率、實時識別和糾正缺陷、預(yù)測性維護以及改進各種功能之間的協(xié)作，但它們還可以顯著增加智能工廠或自動化制造現(xiàn)場的安全漏洞。

網(wǎng)絡(luò)安全不再局限于特定的操作或系統(tǒng)，而是傳播到工廠車間或工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的每個設(shè)備。智能工廠控制系統(tǒng)的安全威脅在全球范圍內(nèi)呈上升趨勢，包括 PLC、傳感器、嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。來自云端的遠程管理也帶來了物理攻擊的風(fēng)險，例如篡改、注入惡意內(nèi)容等。

本文概述了FPGA如何推進縱深防御方法來開發(fā)安全應(yīng)用程序，這是第四次工業(yè)革命推動的物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計算快速增長的需求所必需的。它描述了安全性在硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中的作用，同時使應(yīng)用程序能夠建立在安全性的三個支柱之上：機密性、完整性和真實性。

一個可靠的安全系統(tǒng)必須提供三個核心組件：

信任：保證您的數(shù)據(jù)源是可靠的、授權(quán)的和經(jīng)過身份驗證的。

篡改保護：確認您的設(shè)備沒有受到任何干擾。

信息保障：您系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)被安全地使用、處理和傳輸。

使用 FPGA 實現(xiàn)基于硬件的安全性

在當前工業(yè) 4.0 環(huán)境中，采用單一的、基于軟件的安全方法不足以實現(xiàn)足夠的安全級別，因為缺乏壽命、可編程性、高效功耗、外形等。必須采用縱深防御安全機制，加強具有安全層的硬件。

如今，大多數(shù)安全框架都是軟件實現(xiàn)，其中包含編譯為在通用控制器或處理器上運行的加密庫。這些軟件實現(xiàn)為具有許多潛在攻擊點的攻擊暴露了更廣泛的易受攻擊空間，例如操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序、軟件堆棧、內(nèi)存和軟鍵。

此外，軟件實現(xiàn)可能沒有針對性能超過功率進行優(yōu)化，并可能導(dǎo)致設(shè)計挑戰(zhàn)。在工業(yè)系統(tǒng)的整個生命周期中，對堆棧、庫等進行頻繁更新的這些系統(tǒng)的長期維護也可能是繁重且昂貴的。原則上，底層硬件必須將安全性集成到其結(jié)構(gòu)中，以防止靜態(tài)和動態(tài)逆向工程、篡改和偽造攻擊。

因此，基于可編程硬件的安全性已成為一種全面、強大的解決方案，適用于高能效工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和邊緣應(yīng)用，尤其是 FPGA。除了提高系統(tǒng)的安全性能外，F(xiàn)PGA 還提高了應(yīng)用程序的安全級別。FPGA 必須將關(guān)鍵安全組件集成到硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)中，以提供真正強大的解決方案，這將在以下部分進行討論。

保護 FPGA 硬件

在制造地點或通過供應(yīng)鏈的運輸過程中，硬件可能會在部署前或預(yù)編程時受到攻擊。必須構(gòu)建一個安全的生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在可信度較低的制造環(huán)境中對 FPGA 進行加密和配置，控制編程設(shè)備的數(shù)量，并以加密控制的方式審核制造過程，必須構(gòu)建以避免克隆、惡意編程的 FPGA 和不真實的部分。

安全的 FPGA 設(shè)計

設(shè)計安全性建立在安全硬件平臺之上，為設(shè)計提供機密性和真實性，同時監(jiān)控環(huán)境中的物理攻擊。旁道攻擊 (SCA) 可能對集成加密系統(tǒng)的 FPGA 造成嚴重威脅，因為它會破壞編程到設(shè)備中的比特流。SCA 試圖通過測量或分析各種物理參數(shù)（如電源電流、執(zhí)行時間和電磁輻射）來從芯片或系統(tǒng)中提取秘密。無論是非易失性 FPGA 還是 SRAM FPGA，對 FPGA 進行編程或“加載”的過程都需要抗側(cè)通道。

設(shè)備環(huán)境的主動監(jiān)控是另一種保護 FPGA 設(shè)計免受半侵入式和侵入式攻擊的技術(shù)。電壓、溫度和時鐘頻率的波動可能表明有人試圖篡改。防篡改 FPGA 提供可定制的響應(yīng)來應(yīng)對攻擊，包括完全擦除設(shè)備并使其對攻擊者無用。

保護 FPGA 數(shù)據(jù)

最后，F(xiàn)PGA 必須在安全硬件和設(shè)計之上提供保護應(yīng)用數(shù)據(jù)的技術(shù)，包括不同方法的組合。其中包括：

真正的隨機數(shù)生成器構(gòu)建符合 NIST 標準的安全協(xié)議，并提供隨機源以生成用于加密操作的密鑰。

根密鑰是從物理不可克隆函數(shù) (PUF) 生成的。PUF 利用在半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中自然發(fā)生的亞微米變化，并賦予每個晶體管略微隨機的電特性和獨特的特性。它們類似于人類的指紋，沒有兩個是相似的。

安全內(nèi)存由密鑰保護。

加密函數(shù)能夠執(zhí)行行業(yè)標準的非對稱、對稱和主題標簽函數(shù)。

結(jié)論

工業(yè) 4.0 是一場不斷進步的革命，其廣泛采用依賴于強大的端到端安全解決方案。基于軟件的安全和加密功能實現(xiàn)容易出現(xiàn)弱點和惡意利用。

相比之下，當今基于硬件的安全解決方案利用具有高級安全可編程特性的 FPGA，這些特性以及硬件、設(shè)計和數(shù)據(jù)的安全層。這提供了旨在保護客戶 IP 免受盜竊或過度建設(shè)的硬件。

這些數(shù)據(jù)安全功能的示例包括針對 SCA 的 DPA 保護，這通常是獲得許可的專利功能。同樣重要的是基于 PUF 的安全密鑰管理解決方案和支持行業(yè)標準非對稱、對稱和主題標簽功能的軟件可編程側(cè)通道抗性加密處理器。

基于硬件的解決方案為真正靈活和安全的系統(tǒng)鋪平了道路。使用 FPGA 的基于硬件的安全正在成為重要安全必需品的選擇，主要是因為它提供的可編程性、性能和顯著的功率優(yōu)勢。集成防側(cè)通道加密加速器的 FPGA 包括防篡改/反措施，以保護客戶的知識產(chǎn)權(quán)并為開發(fā)安全系統(tǒng)提供可信的供應(yīng)鏈管理。

　　審核編輯：湯梓紅