硬體安全設計：深入探討物理安全、加密技術與攻擊防禦實踐

在當今互聯互通的世界中，硬體安全設計的重要性日益凸顯。它不僅僅是保護設備免受物理侵害，更涵蓋瞭如何利用加密技術來守護敏感資料，以及建立堅固的防禦體系以抵禦各類潛在的攻擊。 本文旨在深入探討硬體安全設計的最佳實踐，例如透過嚴密的物理安全措施來防止未經授權的存取，運用先進的加密技術來確保數據的機密性與完整性，以及實施有效的安全啟動機制來保障系統的可靠性。

從我的經驗來看，硬體安全設計不應被視為事後補救，而應貫穿於產品開發的整個生命週期。 早期階段的周全考量能有效降低後期發現漏洞所帶來的風險與成本。 此外，定期進行安全評估與滲透測試，能幫助及早發現潛在的安全隱患，並及時採取相應的防禦措施。一個實用的建議是，硬體工程師應與安全研究人員緊密合作，共同打造更安全、更可靠的硬體產品。

這篇文章的實用建議如下(更多細節請繼續往下閱讀)

1. 早期整合安全考量： 硬體安全設計不應視為事後補救，而應貫穿產品開發的整個生命週期。在設計初期階段就納入威脅模型和安全需求，並與安全研究人員緊密合作，可有效降低後期發現漏洞所帶來的風險與成本。
2. 實施多層次防禦： 僅依賴單一的安全措施是不夠的.。採取多層次、縱深防禦的方法，將各種安全技術和策略有機地結合起來.，例如物理安全措施、加密技術、安全啟動機制以及韌體安全更新。
3. 定期安全評估與更新： 定期進行安全評估與滲透測試，及時發現潛在的安全隱患，並定期更新韌體和軟體，以修復漏洞並維持設備在整個生命週期中的安全。同時，監控硬體的效能和行為，以便及早發現潛在的安全漏洞.

硬體安全設計：加密技術的實施與應用

在硬體安全設計中，加密技術扮演著至關重要的角色。它不僅能保護儲存在硬體中的敏感數據，還能確保設備在運行時免受未經授權的存取和篡改。本段將深入探討加密技術在硬體安全設計中的實施與應用，涵蓋常見的加密演算法、硬體安全模組 (HSM)、信任平台模組 (TPM) 以及加密技術在不同應用場景下的實踐。

常見的硬體加密演算法

選擇合適的加密演算法是構建安全硬體系統的基礎。以下列出幾種常見且廣泛應用的加密演算法：

• AES (Advanced Encryption Standard)： 作為一種對稱加密演算法，AES 以其高效和高安全性而聞名。美國政府採用 AES 來保護機密資訊，許多軟硬體產品也將其作為預設的加密演算法。AES 支援 128 位元、192 位元和 256 位元等多種金鑰長度，能滿足不同安全等級的需求。AES 被認為能夠抵禦所有攻擊，除了暴力破解。
• RSA (Rivest-Shamir-Adleman)： 一種非對稱加密演算法，RSA 在網路傳輸中被廣泛使用。RSA 使用一對金鑰：公鑰和私鑰。公鑰用於加密數據，而私鑰則用於解密數據。由於其非對稱的特性，RSA 在金鑰交換和數位簽章等場景中具有獨特的優勢。
• Triple DES (3DES)： 3DES 是一種對稱金鑰加密技術，它使用三個獨立的 56 位元金鑰對數據進行三次加密。雖然 3DES 曾經是業界推薦的標準，但由於其速度較慢且區塊長度較短，現在已逐漸被 AES 取代.
• 其他演算法：除了上述演算法外，還有許多其他的加密演算法可用於硬體安全設計，例如：Blowfish、Twofish、安全雜湊演算法 (SHA) 等。設計者應根據具體應用場景和安全需求，選擇最合適的加密演算法。

硬體安全模組 (HSM)

硬體安全模組 (HSM) 是一種專門設計用於保護加密金鑰的硬體設備. HSM 提供了一個防篡改的環境，用於安全地產生、儲存和管理加密金鑰。與軟體加密解決方案不同，HSM 將金鑰儲存在硬體中，防止其暴露於外部系統，從而降低了金鑰被盜或未經授權存取的風險.

• HSM 的功能：
  • 金鑰產生和儲存： 安全地產生和儲存加密金鑰，確保其隨機性和完整性.
  • 加密和解密： 在 HSM 的安全環境中處理敏感資訊，保護數據在傳輸或儲存過程中的安全.
  • 身份驗證和簽署： 產生數位簽章，確保通訊和交易的真實性和完整性.
  • 合規性： 幫助企業滿足各種行業標準，例如 GDPR、PCI DSS 和 FIPS 140-3.
• HSM 的類型：
  • 通用型 HSM： 支援常見的加密演算法，主要用於加密貨幣錢包、公鑰基礎設施 (PKI) 等.
  • 支付型 HSM： 專為支付卡行業設計，用於保護支付交易中的敏感數據.

信任平台模組 (TPM)

信任平台模組 (TPM) 是一種嵌入式晶片，用於保護加密金鑰並確保設備的完整性. TPM 提供了一種硬體級別的安全解決方案，用於儲存金鑰、憑證和密碼等敏感資訊。通過驗證啟動過程的完整性，TPM 可以確保系統在可信狀態下啟動，防止惡意軟體篡改.

加密技術的應用實例

加密技術在硬體安全設計中具有廣泛的應用，

總而言之，加密技術是硬體安全設計中不可或缺的一部分。透過選擇合適的加密演算法，並結合 HSM、TPM 等硬體安全模組，可以有效地保護硬體設備中的敏感數據，確保系統的安全可靠。在設計硬體產品時，必須充分考慮加密技術的應用，從而構建更安全的產品.

硬體安全設計：安全啟動與韌體安全更新

在硬體安全設計中，安全啟動和韌體安全更新是至關重要的環節。它們共同確保設備在啟動時以及整個生命週期內保持安全可靠。安全啟動旨在防止惡意軟體在啟動過程中加載，而韌體安全更新則能及時修復漏洞、提升設備效能。

安全啟動 (Secure Boot)

安全啟動是一種安全標準，旨在確保設備僅使用原始設備製造商 (OEM) 信任的軟體啟動。它通過驗證啟動程式和作業系統的數位簽章來實現這一點。

韌體更新是用於更新設備中韌體的軟體程式。這些更新對於修復安全漏洞、提升設備效能和新增功能至關重要。

安全啟動與韌體更新的結合應用

安全啟動與韌體安全更新相輔相成，共同構建一個強大的硬體安全防禦體系。安全啟動確保設備在初始階段是安全的，而韌體安全更新則確保設備在整個生命週期內保持安全。這兩種機制的有效結合，可以顯著降低硬體設備遭受攻擊的風險。

為了更深入瞭解如何實作這些安全措施，您可以參考 美國國家標準與技術研究院 (NIST) 提供的指南和框架，以及設備製造商提供的安全建議。確保您的硬體安全設計能夠有效地應對不斷演進的安全威脅。

硬體安全設計. Photos provided by unsplash

硬體安全設計：實體安全措施與入侵防禦

在嵌入式系統安全設計中，除了數據層面的保護，實體安全措施也扮演著至關重要的角色。這些措施旨在防止未經授權的物理訪問、篡改或破壞硬體設備，從而保護敏感數據和系統功能。本節將深入探討常見的實體安全措施和入侵防禦技術，為硬體工程師、安全研究人員和產品開發者提供實用的設計指導。

實體安全措施

實體安全措施是保護硬體設備免受物理攻擊的第一道防線。

入侵防禦技術

除了實體安全措施外，還可以採用一些入侵防禦技術，主動阻止或減輕物理攻擊的影響。

實體安全與網路安全的結合

值得注意的是，實體安全與網路安全並非孤立的。在設計硬體安全方案時，應將兩者結合起來，形成一個多層次的防禦體系。例如，可以將實體入侵檢測系統與網路入侵檢測系統相結合，一旦檢測到物理入侵，立即觸發網路隔離措施，防止攻擊者通過網路進一步擴大攻擊範圍。

此外，對於物聯網設備，由於其部署環境分散且難以監控，更需要加強實體安全措施。例如，可以採用防篡改外殼和安全封條，防止未經授權的物理訪問。同時，還應定期進行安全審計和漏洞評估，及時發現和修復安全漏洞.

總之，實體安全措施是硬體安全設計中不可或缺的一部分。通過採用適當的實體安全措施和入侵防禦技術，可以有效地保護硬體設備免受物理攻擊，確保嵌入式系統的安全可靠.

硬體安全設計：側信道攻擊與防禦策略

側信道攻擊（Side-Channel Attacks, SCA）是一種不直接針對加密演算法本身的攻擊方式，而是利用硬體在執行加密運算時所洩漏的物理資訊，例如功耗、電磁輻射、時序變化等，來推導出金鑰或敏感資訊。這種攻擊方式的隱蔽性極高，且往往難以防範，因此在硬體安全設計中，側信道防禦至關重要。

側信道攻擊的類型

側信道攻擊有多種類型，常見的包括：

• 功耗分析（Power Analysis）： 透過監測硬體設備在運算時的功耗變化來推斷金鑰。功耗分析又可分為簡單功耗分析（Simple Power Analysis, SPA）和差分功耗分析（Differential Power Analysis, DPA）。SPA直接觀察功耗軌跡，而DPA則透過統計分析大量的功耗數據來提取金鑰資訊。
• 電磁分析（Electromagnetic Analysis）： 藉由量測硬體設備在運作時產生的電磁輻射來破解金鑰。攻擊者使用高精度儀器捕捉和分析這些電磁訊號，從而竊取資料。
• 時序攻擊（Timing Attack）： 分析硬體設備執行特定運算所需的時間，進而推斷金鑰。不同的金鑰位元可能導致不同的運算時間，攻擊者可利用此差異來破解金鑰。
• 錯誤注入攻擊（Fault Injection Attack）： 透過人為地引入錯誤（例如電壓或時脈異常）來幹擾硬體的運算，並分析由此產生的錯誤結果來推斷金鑰。

防禦側信道攻擊的策略

為了有效防禦側信道攻擊，硬體安全設計人員可以採取以下策略：

• 遮罩（Masking）： 在運算過程中引入隨機數，以遮蔽真實的金鑰數值。這種方法可以使功耗、電磁輻射等側信道資訊與金鑰之間的關聯性降低。
• 隱藏（Hiding）： 使硬體運算的功耗或時序變得恆定，從而消除側信道資訊的洩漏。例如，可以使用平衡邏輯（balanced logic）或恆定時間演算法（constant-time algorithm）。
• 隨機化（Randomization）： 隨機改變硬體運算的執行順序或資源分配，以增加攻擊的複雜度。
• 物理安全措施（Physical Security）： 採用物理屏障、電磁屏蔽等措施，以防止攻擊者直接量測硬體的側信道資訊。
• 安全啟動 (Secure Boot): 確保設備啟動時僅執行經過授權的韌體和軟體，防止惡意軟體在系統啟動初期即控制設備。
• 監控與檢測（Monitoring and Detection）： 實時監控硬體的功耗、電磁輻射等側信道資訊，以及時發現並阻止潛在的攻擊。

實務建議

在實際的硬體安全設計中，應綜合考慮各種側信道攻擊的威脅，並採取多層次的防禦策略。此外，定期進行安全評估和測試，及時發現並修補潛在的漏洞也十分重要。可以參考像是 NIST 提供的相關指南來強化設計。

此外，還能藉由硬體和軟體的整合來強化防禦。將安全關鍵任務委派給專用硬體模組，可以提高軟體防禦側信道攻擊的保護等級. 另外，建立能夠動態調整其安全態勢以應對偵測到的威脅或不斷變化的環境條件的自適應系統，可以針對不斷發展的側信道攻擊風險提供強大的保護.

總之，側信道攻擊是硬體安全設計中不可忽視的威脅。只有深入瞭解各種攻擊方式，並採取有效的防禦策略，才能構建更安全、更可靠的硬體產品。

硬體安全設計結論

綜上所述，硬體安全設計是一個多層面且不斷演進的領域，它涵蓋了從物理安全措施到複雜的加密技術，以及對側信道攻擊等高級威脅的防禦。我們探討瞭如何通過安全啟動確保系統的完整性，通過韌體安全更新維持設備在整個生命週期中的安全，以及如何實施有效的實體安全措施來防止未經授權的訪問和篡改。

在當今複雜的威脅環境下，僅依賴單一的安全措施是不夠的。一個成功的硬體安全設計必須採取多層次、縱深防禦的方法，將各種安全技術和策略有機地結合起來。這不僅需要對硬體本身的設計進行周全的考慮，還需要與軟體、網路安全緊密結合，形成一個全面的安全體系。

更重要的是，硬體安全設計不應被視為一次性的任務，而應是一個持續的過程。隨著新的攻擊手段不斷湧現，我們需要不斷學習、研究和改進我們的安全策略，並定期進行安全評估和滲透測試，及時發現和修復潛在的漏洞。只有這樣，我們才能構建更安全、更可靠的硬體產品，保護我們的數據和系統免受威脅。

作為硬體工程師、安全研究人員和產品開發者，我們都肩負著保護硬體安全的責任。讓我們攜手合作，共同構建一個更安全的未來。

硬體安全設計 常見問題快速FAQ

硬體安全設計中，為什麼加密技術如此重要？

在硬體安全設計中，加密技術扮演著至關重要的角色。它不僅能保護儲存在硬體中的敏感數據，還能確保設備在運行時免受未經授權的存取和篡改。透過選擇合適的加密演算法，並結合 HSM、TPM 等硬體安全模組，可以有效地保護硬體設備中的敏感數據，確保系統的安全可靠。

安全啟動 (Secure Boot) 如何確保硬體安全？與韌體更新有什麼關係？

安全啟動是一種安全標準，旨在確保設備僅使用原始設備製造商 (OEM) 信任的軟體啟動。它通過驗證啟動程式和作業系統的數位簽章來實現這一點，防止惡意軟體在啟動過程中加載。韌體安全更新則能及時修復漏洞、提升設備效能。安全啟動確保設備在初始階段是安全的，而韌體安全更新則確保設備在整個生命週期內保持安全。這兩種機制的有效結合，可以顯著降低硬體設備遭受攻擊的風險。

側信道攻擊是什麼？可以如何防禦？

側信道攻擊（Side-Channel Attacks, SCA）是一種不直接針對加密演算法本身的攻擊方式，而是利用硬體在執行加密運算時所洩漏的物理資訊，例如功耗、電磁輻射、時序變化等，來推導出金鑰或敏感資訊。防禦策略包括：遮罩（Masking）、隱藏（Hiding）、隨機化（Randomization）、物理安全措施（Physical Security）、安全啟動 (Secure Boot)以及監控與檢測（Monitoring and Detection）。在實際的硬體安全設計中，應綜合考慮各種側信道攻擊的威脅，並採取多層次的防禦策略。