嵌入式處理器安全運(yùn)行機(jī)制的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、近年來(lái)，隨著無(wú)線移動(dòng)通訊、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速推廣應(yīng)用，嵌入式設(shè)備越來(lái)越多地融入人們的日常生活。這些設(shè)備在為用戶提供各式各樣的服務(wù)和體驗(yàn)的同時(shí)，還保存著大量的用戶信息。一旦在嵌入式設(shè)備中存儲(chǔ)的敏感信息發(fā)生泄漏，將會(huì)給用戶帶來(lái)巨大的損失。因此嵌入式設(shè)備中的安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視。在嵌入式設(shè)備中，嵌入式處理器連接各個(gè)外部設(shè)備，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與處理，是整個(gè)設(shè)備的核心。如果能夠在嵌入式處理器中構(gòu)建安全運(yùn)行機(jī)制，嵌入式系統(tǒng)的安全性將會(huì)得到有效改

2、善。
　　 然而，嵌入式處理器的設(shè)計(jì)受到性能、成本以及功耗上諸多限制。過(guò)去針對(duì)桌面系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)無(wú)法在嵌入式環(huán)境下繼續(xù)適用。因此，為嵌入式處理器展開(kāi)安全運(yùn)行機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究顯得尤為緊迫。論文針對(duì)嵌入式系統(tǒng)所面臨的主要安全性威脅，從保護(hù)數(shù)據(jù)的機(jī)密性以及完整性的角度，設(shè)計(jì)了兩種適用于嵌入式處理器的安全運(yùn)行機(jī)制，研究了不同的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)性能、功耗、成本等設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，并將新的安全運(yùn)行機(jī)制分別應(yīng)用到嵌入式處理器的運(yùn)行和啟動(dòng)過(guò)程中，從

3、而達(dá)到改善嵌入式系統(tǒng)安全性的目的。論文的具體工作按照以下五個(gè)方面展開(kāi)。
　　 首先，論文分析了嵌入式設(shè)備在軟件、系統(tǒng)以及芯片三個(gè)實(shí)現(xiàn)層次上的安全威脅。具體討論了嵌入式設(shè)備可能面臨的惡意軟件攻擊、系統(tǒng)級(jí)硬件攻擊、芯片級(jí)的侵入攻擊以及芯片級(jí)的非侵入攻擊這四種攻擊方式，并對(duì)這些攻擊方式的特點(diǎn)予以了分析，總結(jié)出系統(tǒng)級(jí)硬件攻擊是嵌入式設(shè)備所面臨的最普遍，也最可行的攻擊方式。然后，針對(duì)嵌入式系統(tǒng)所面臨的系統(tǒng)級(jí)硬件攻擊歸納了嵌入式處理器所應(yīng)具

4、有的安全設(shè)計(jì)規(guī)則。
　　 在此安全設(shè)計(jì)規(guī)則的指導(dǎo)下，論文接下來(lái)對(duì)嵌入式處理器的加密機(jī)制展開(kāi)了研究。提出了一種新的存儲(chǔ)器加密Cache(MEC)結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)通過(guò)并行化的加密與訪存操作提高加密過(guò)程的性能，同時(shí)MEC 還結(jié)合嵌入式處理器的行為對(duì)各個(gè)程序的密鑰進(jìn)行管理。這樣MEC 結(jié)構(gòu)在提高嵌入式處理器加解密性能的同時(shí)還通過(guò)合理的密鑰管理降低了不必要的功耗開(kāi)銷，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。仿真結(jié)果表明MEC的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的加密方式。

5、　　 為了能進(jìn)一步評(píng)估MEC的可行性，本文將MEC 結(jié)構(gòu)應(yīng)用到一塊以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為背景的輕量級(jí)嵌入式處理器中。在滿足性能要求的同時(shí)，以低成本、低功耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)評(píng)估加密單元的多種實(shí)現(xiàn)方式，確定了MEC 結(jié)構(gòu)在嵌入式處理器中的最優(yōu)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)MEC 進(jìn)行硬件實(shí)現(xiàn)，功耗仿真試驗(yàn)表明MEC 結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)寫回時(shí)具有更低的功耗開(kāi)銷。MEC 結(jié)構(gòu)完全適用于要求嚴(yán)苛的嵌入式工作環(huán)境中。另一方面，論文對(duì)嵌入式處理器完整性保護(hù)機(jī)制進(jìn)行研究，提出了一

6、種多粒度的存儲(chǔ)器散列機(jī)制(MMH)。MMH 包括了兩個(gè)方面的內(nèi)容：多粒度Merkle(MGT)樹(shù)以及散列Cache。為了能提高完整樹(shù)在嵌入式處理器中的性能，MGT 樹(shù)采用細(xì)粒度的散列方式計(jì)算完整樹(shù)中的低層次節(jié)點(diǎn)；采用粗粒度的散列方式計(jì)算完整樹(shù)中的高層次節(jié)點(diǎn)。這樣MGT 樹(shù)在降低低層次節(jié)點(diǎn)計(jì)算開(kāi)銷的同時(shí)，提高了高層次節(jié)點(diǎn)的命中率，從而提高了MGT 樹(shù)的性能。此外，為了提高對(duì)散列節(jié)點(diǎn)的檢索速度，本文還設(shè)計(jì)了一種散列Cache 結(jié)構(gòu)用來(lái)對(duì)MG

7、T 樹(shù)進(jìn)行緩存。通過(guò)在算法層次以及電路層次的設(shè)計(jì)，MMH 機(jī)制相比與傳統(tǒng)方式具有更優(yōu)的性能、更低的功耗以及初始化時(shí)間。最后，通過(guò)將MMH 機(jī)制應(yīng)用到嵌入式處理器的啟動(dòng)過(guò)程中，論文提出了一種快響應(yīng)的安全啟動(dòng)機(jī)制(FSBM)。區(qū)別于過(guò)去的安全啟動(dòng)方式，新的安全啟動(dòng)機(jī)制根據(jù)啟動(dòng)過(guò)程的不同階段，采用不同的散列粒度的MMH 進(jìn)行完整性計(jì)算以提高啟動(dòng)的系統(tǒng)啟動(dòng)的速度。此外，為了改善啟動(dòng)過(guò)程的安全性，F(xiàn)SBM 還根據(jù)保護(hù)對(duì)象的不同，將完整樹(shù)劃分為“冷