嵌入式處理器安全運行機制的研究與設(shè)計.pdf

1、近年來，隨著無線移動通訊、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)和體驗的同時，還保存著大量的用戶信息。一旦在嵌入式設(shè)備中存儲的敏感信息發(fā)生泄漏，將會給用戶帶來巨大的損失。因此嵌入式設(shè)備中的安全問題越來越受到重視。在嵌入式設(shè)備中，嵌入式處理器連接各個外部設(shè)備，負責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換與處理，是整個設(shè)備的核心。如果能夠在嵌入式處理器中構(gòu)建安全運行機制，嵌入式系統(tǒng)的安全性將會得到有效改

2、善。
　　 然而，嵌入式處理器的設(shè)計受到性能、成本以及功耗上諸多限制。過去針對桌面系統(tǒng)的安全設(shè)計無法在嵌入式環(huán)境下繼續(xù)適用。因此，為嵌入式處理器展開安全運行機制的設(shè)計與實現(xiàn)研究顯得尤為緊迫。論文針對嵌入式系統(tǒng)所面臨的主要安全性威脅，從保護數(shù)據(jù)的機密性以及完整性的角度，設(shè)計了兩種適用于嵌入式處理器的安全運行機制，研究了不同的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)對性能、功耗、成本等設(shè)計指標(biāo)的影響，并將新的安全運行機制分別應(yīng)用到嵌入式處理器的運行和啟動過程中，從

3、而達到改善嵌入式系統(tǒng)安全性的目的。論文的具體工作按照以下五個方面展開。
　　 首先，論文分析了嵌入式設(shè)備在軟件、系統(tǒng)以及芯片三個實現(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)級硬件攻擊、芯片級的侵入攻擊以及芯片級的非侵入攻擊這四種攻擊方式，并對這些攻擊方式的特點予以了分析，總結(jié)出系統(tǒng)級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，針對嵌入式系統(tǒng)所面臨的系統(tǒng)級硬件攻擊歸納了嵌入式處理器所應(yīng)具

4、有的安全設(shè)計規(guī)則。
　　 在此安全設(shè)計規(guī)則的指導(dǎo)下，論文接下來對嵌入式處理器的加密機制展開了研究。提出了一種新的存儲器加密Cache(MEC)結(jié)構(gòu)。這種新結(jié)構(gòu)通過并行化的加密與訪存操作提高加密過程的性能，同時MEC 還結(jié)合嵌入式處理器的行為對各個程序的密鑰進行管理。這樣MEC 結(jié)構(gòu)在提高嵌入式處理器加解密性能的同時還通過合理的密鑰管理降低了不必要的功耗開銷，增強了系統(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、　　 為了能進一步評估MEC的可行性，本文將MEC 結(jié)構(gòu)應(yīng)用到一塊以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為背景的輕量級嵌入式處理器中。在滿足性能要求的同時，以低成本、低功耗為設(shè)計目標(biāo)，通過評估加密單元的多種實現(xiàn)方式，確定了MEC 結(jié)構(gòu)在嵌入式處理器中的最優(yōu)實現(xiàn)。通過對MEC 進行硬件實現(xiàn)，功耗仿真試驗表明MEC 結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)寫回時具有更低的功耗開銷。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，論文對嵌入式處理器完整性保護機制進行研究，提出了一

6、種多粒度的存儲器散列機制(MMH)。MMH 包括了兩個方面的內(nèi)容：多粒度Merkle(MGT)樹以及散列Cache。為了能提高完整樹在嵌入式處理器中的性能，MGT 樹采用細粒度的散列方式計算完整樹中的低層次節(jié)點；采用粗粒度的散列方式計算完整樹中的高層次節(jié)點。這樣MGT 樹在降低低層次節(jié)點計算開銷的同時，提高了高層次節(jié)點的命中率，從而提高了MGT 樹的性能。此外，為了提高對散列節(jié)點的檢索速度，本文還設(shè)計了一種散列Cache 結(jié)構(gòu)用來對MG

7、T 樹進行緩存。通過在算法層次以及電路層次的設(shè)計，MMH 機制相比與傳統(tǒng)方式具有更優(yōu)的性能、更低的功耗以及初始化時間。最后，通過將MMH 機制應(yīng)用到嵌入式處理器的啟動過程中，論文提出了一種快響應(yīng)的安全啟動機制(FSBM)。區(qū)別于過去的安全啟動方式，新的安全啟動機制根據(jù)啟動過程的不同階段，采用不同的散列粒度的MMH 進行完整性計算以提高啟動的系統(tǒng)啟動的速度。此外，為了改善啟動過程的安全性，F(xiàn)SBM 還根據(jù)保護對象的不同，將完整樹劃分為“冷