产品的安全考量

安全有着各种不同的含义

可以是保护：

• 个人信息
• 产品研发所投入的资源

也可以是防止： 

• 恶意程序和病毒程序
• 产品被超量生产和非法替换
• 产品被用于发动DDoS攻击
• 版权和知识产权（IP）被侵犯

您的产品需要考虑安全吗？

万物皆有安全需求

产品安全需要一个坚实的基础

无法在产品开始设计后再添加可靠的安全功能，类似于建筑的地基

• 安全功能不是那种看上去很迷人的东西
• 相比其他应用功能，安全功能需要更长的时间去设计和实现
• 当安全功能正确实现后，您几乎不会感知到它的存在

硬件安全功能

SCE是一个独立的子系统，由专用的控制逻辑提供保护

• 瑞萨提供软件驱动程序，实现正确的访问步骤
• 通过CPU或调试器进行不当访问操作时，SCE的访问管理电路会自动闭锁，直到芯片复位
  
  物理隔离的加密运算
• SCE内部专用的RAM 
• 明文密钥不会暴露在任何CPU可访问的总线上

高级密钥管理功能

• 基于每个MCU硬件唯一性的用户密钥封装，无法克隆使用
• 封装密钥可以提供简单而安全的密钥存储
• 安全的密钥安装机制

• 从Arm-v8M架构的Cortex-M器件开始引入

• 可创建受保护的执行环境

资源可分割为两个区域

• 安全环境（SPE）：可信的固件和服务

• 非安全环境（NSPE）：不可信的固件和服务

NSPE可调用SPE提供的服务

ARM定义的TrustZone用于Flash和RAM

• 将代码和数据分为安全和非安全

瑞萨电子将TrustZone筛选器应用于其他总线

• 防止非安全代码通过DMA、DTC和其他类似的机制提取安全区的代码和数据

瑞萨电子将TrustZone筛选器应用于管脚和外设

• 保护外部接口

• 防止非安全代码窃听输信号

• 防止非安全代码进行覆盖输出

TrustZone是一个可选功能

程序代码及数据的分离和保护

将程序代码及数据进行分类，并分别放置到安全和非安全区域

• 基于安全MPU的实现

应用笔记R11AN0416EU0120

• 基于Arm^® TrustZone^®的实现

将部分Flash设置成OTP存储器

• 不可更改的bootloader，永久存储的密钥和认证证书

• 开发过程中可以设定成临时保护，量产时可以设定成永久禁止擦除和改写。

Trustzone和Security MPU的对比

特定的访问点

TrustZone限制暴露的API

TrustZone防止代码误用

保护MCU的管脚和外设

RA MCU的TrustZone保护外部接口

软件和开发工具

自动配置Trustzone

RA项目配置器

1. 建立系统架构，决定如何分发可信/安全项目
2. 创建可信/安全项目
3. 决定非可信/非安全项目可以访问哪些安全模块
4. 创建非可信/非安全项目
5. 开发非可信/非安全项目

直观的TrustZone开发流程

合并开发模式

• 非安全项目的开发者直接接收到完整的安全项目
• 对于受信任的开发者，这是最简单的方式

分离开发模式 

• 非安全项目的开发者直接接收到预先烧写好程序（安全项目部分）的MCU和一个Secure Bundle
• 支持由不受信任的第三方进行非安全开发

• 在配置器里选择功能模块
• 将模块设置成非安全可调用（Non-secure Callable）
• “Guard”功能会生成自动必要的代码，方便用户后续添加应用特定的安全功能，例如为安全区域的服务实现身份验证功能

• 选择Secure Project（合并开发模式）或Secure Bundle（分离开发模式）

• 安全项目的模块会自动添加到配置器中
• 在下载程序时，会自动配置和写入TrustZone分区寄存器（IDAU）
• 自动生成CMSIS区域设定文件（.rzone和.azone文件）

无需手动配置TrustZone！

密钥管理

加密和封装的区别

MCU硬件相关的安全密钥存储

每个MCU封装的密钥只能在同一个MCU中使用

• MCU的HUK参与了封装算法 
• HUK是每个MCU唯一的，无法解密其他MCU封装的密钥
  

优点

• 封装密钥可以存储在非安全的存储空间
• 即使MCU Flash的全部内容被拷贝到其他MCU里，也无法使用已经封装好的密钥，也不会泄露密钥内容

安全密钥存储的各种用例

• 安全的密钥安装和升级（SCE9保护模式）
• 通过SCE创建封装的随机密钥
• 明文密钥封装（兼容模式）

先进的产品生命周期管理

创建用户工厂安装密钥（UFPK）

• 瑞萨提供HTTPS网页服务器进行UFPK封装
• 和瑞萨服务器之间的数据传输通过PGP加密

创建一个或多个DLM密钥

• 在本地PC上创建DLM密钥（用UFPK加密）
• 瑞萨提供PC（Win/Linux）上的密钥创建工具软件

在特定的DLM状态下安装DLM密钥

• 开发时该功能已经集成在e2 studio里
• 量产时可以使用专用工具（烧录编程工具）
• Renesas Flash Programmer（RFP）最新版可以支持DLM密钥安装

设备的身份认证 （应用案例）

1. MCU生成非对称加密的密钥对，私钥封装后存储在MCU中
2. 公钥发送给CA（示例中使用本地PC作为CA）
3. CA创建X.509证书，发送给MCU保存

证书使用的演示程序

1. MCU将证书发送给Host
2. Host发送一个随机数挑战（challenge）给MCU
3. MCU通过私钥将随机数加密后发回给Host
4. Host使用MCU的证书进行验证，可以正确解密收到的数据，身份认证完成 

明文密钥安装

安全地存储预先生成的密钥

• 明文密钥存储在MCU中
• SCE对明文密钥进行封装，将封装好的密钥存储在MCU中
• 删除明文密钥

适合特定的生产环境

• 外部设备可以快速生成密钥
• 特定的现场部署架构可能需要特定的密钥
• 可以和HSM系统集成使用

应用项目

• 在瑞萨官网可以下载 

安全密钥安装和密钥更新
安全地安装和更新预选生成的密钥

创建用户工厂安装密钥（UFPK）

• 瑞萨提供HTTPS网页服务器进行UFPK封装
• 和瑞萨服务器之间的数据传输通过PGP加密

创建一个或多个DLM密钥

• 在本地PC上创建用户密钥（用UFPK加密）
• 瑞萨提供PC（Win/Linux）上的密钥创建工具软件

安装用户密钥

• 通过烧录编程接口进行安全密钥安装，UFPK不会存储在MCU里
• FSP支持安全密钥更新
• 封装的用户密钥可以安全的存储在片内或外部Flash中

认证和评估

认证和应用的关系

NIST CAVP认证

• 认证加密算法的功能正确性，保证互操作性  
• 大部分地区认可  
• 多个行业领域希望或需要产品有CAVP认证 

我们还计划为RA SCE7进行更多的认证

• RSA
• ECDSA

NIST CAVP 认证

全面的算法套件

• 多种模式的AES，哈希算法，RSA和ECC的认证机制，密钥交换，伪随机数发生器 

• FSP Crypto APIs 
• FSP会维护两个版本的Crypto APIs 
• CAVP认证过的版本，可用于最终产品的认证需求 
• 正常更新版本，会提供更多的算法和更新内容

• RA4M2，RA4M3，RA6M4，RA6M5

Cryptographic Algorithm Validation Program：https://csrc.nist.gov/projects/cryptographic-algorithm-validation-program/details?validation=34732

Arm^® PSA认证

被高度监管的行业都有安全标准 

• 金融交易-PCI 
• 表计类产品-DLMS安全套件

多数消费类产品没有特定的安全需求或安全法规来监管

各国政府开始起草通用需求规范

• 美国-Core Cybersecurity Feature Baseline for Securable IoT Devices (Draft NISTIR 8259)
• 英国-Code of Practice for Consumer IoT Security
• ...

PSA认证

安全开发的坚实平台

瑞萨通过PSA认证的MCU

瑞萨通过PSA认证的产品：https://products.psacertified.org/?_company=renesas

Security Evaluation Standard for IoT Platforms

RA产品家族通过SESIP认证的MCU

加密的安全性依赖于不可预测性

• 攻击者使用可预测性来猜测敏感信息 
• 如果可选择性变少，进行暴力攻击的可行性就增加了

NIST Special Publication 800-22 (SP800-22), Revision 1a

• 定义了一整套的测试，用于检测比特序列中的模式