随着物联网的兴起，愈来愈多的新兴应用开始竞相崭露头角，例如：人工智慧、车联网、以及愈来愈聪明的日常用品。为了因应整个新兴产业链〈包含品牌厂商、代工厂商（ODM）、方案设计公司、甚至是终端产品和客户〉对安全性的要求，目前主要的主晶片〈包含SoC系统单晶片、微控制器、微处理器、ASIC特殊应用积体电路〉设计公司，多半已整合了硬体的加密引擎、乱数产生器 (RNG) 、以及安全〈但有限〉的记忆体存储空间在主晶片上。
尽管如此，多数的系统仍必须将开机程式码、韧体、作业系统、应用程式代码、各项参数设定或使用者资讯等资料存在外部的闪存中，而现有的闪存皆使用几乎兼容的指令、接脚和封装，使得所有存在闪存中的资料，几乎没有门槛就能轻易地被复制而使用，导致产业链中各个环节都有可能被骇客攻击而造成财务、商誉、隐私等损失。
本文将详述安全认证闪存的独特性和安全性，以及如何与授权的主控制器配对，而加强闪存在系统上的安全性。
现有方案的安全疑虑
有关外部闪存的存储，我们可以从两种状态来思考，一是静态资料储存于记忆体中，另一是从外部闪存到主晶片的资料传输过程。
以最基本的防止产品或商标被盗用或复制为例，存储于外部闪存的应用程式代码在现行方案下，可以轻易的被复制、使用。若有心人士想要盗版某智能家居的空调自动温度调节器，只要对自动温度调节器的主机板进行拆解分析，就能精确识别所有标准化的零组件，进而正确而几乎毫无门槛或困难地复制主机板的所有配置，包含存在闪存里的应用程式代码等。
有鉴于此，为了保护闪存里的应用程式代码不被直接复制使用，最常用的方法，就是利用闪存内的唯一识别码 (Unique IDentifier，UID)。然而，UID事实上却只是个微不足道的屏障，任何具备基础安全知识的工程师，都能根据闪存的规格书轻易找到UID，并解除了主晶片与闪存之间透过UID的信任配对。一旦配对被解除，所有信任根源就瓦解了，闪存里的应用程式代码又可以轻易的被复制使用，上述的自动温度调节器也又回到了完全没有保护的状态。
上述所利用的安全系统弱点，在于所用的唯一识别码UID的独特性，不但永久不会改变，且为公开的明文，一旦从记忆体中读出，即可删除配对或直接复制此UID，而使非授权的系统可以正常运作。
上述仅以保护设计、商标、或是方案公司授权金为例。其实在物联网的系统中，安全性所受到的威胁远远超过产品本身的仿冒，更严重的有可能是既有产品遭到恶意程式的植入和窜改，而使得原本的系统失去控制权，甚至被入侵后所发动的攻击，有可能间接影响该产品或公司的商誉。
既然如此，如何提升外部闪存的安全性，提升其被复制、窜改、甚至非法存取的困难度而提供比较安全的外部存储环境呢？
华邦的解决方案: 安全密钥储存及动态一次性认证密码
为防止产品或商标被盗用或复制、以及解决外部闪存透过网路被恶意程式植入和窜改的安全问题，华邦的安全认证闪存 (Authentication Flash) 提供特殊的密钥储存空间，以及透过单向性计数器 (Monotonic Counter) 和HMAC SHA-256 的演算法所产生的一次性密钥，来克服UID 永久不变的明码的弱点，提升系统对于外接快产记忆体资料存储、身分识别的安全性。
华邦的安全认证闪存 (Authentication Flash)
华邦电子生产各种串列式NOR型及NAND型闪存，并以此闻名，是世界顶级的串列式闪存制造与供应商，光在2016年就出货了超过21亿颗SpiFlash® 串列式闪存晶片，全球市占率约为30%。身为串列式闪存领导者，华邦电子努力解决闪存可能会面临到的安全疑虑，因此我们推出了W74M系列安全认证闪存 (Authentication Flash)。透过对称性加密，也就是让主晶片和记忆体共用一个相同的「根钥 (Root Key)」做绑定(Binding)。
图一 : W74M多晶片封装架构
一旦根钥经过绑定，便绝不会在主机（认证者）和记忆体（被认证者）之间直接传输，W74M 上的根钥特殊储存空间被设定为一次性写入(OTP)，以防止被覆写，此外，根钥一旦写入，就再也读不出来 (没有读取的指令，即便原厂也没有办法读出已写入的根钥)。
而安全认证的流程，则是由根钥和随机数经杂凑函数SHA-256产生讯息鉴别码HMAC Key（Hash-based Message Authentication Code，HMAC），再将HMAC key 和单向性计数器 (Monotonic Counter) 通过HMAC SHA-256加密演算法产生永远不会重复的一次性密钥 (One Time Password)。这个一次性认证用的密钥A，需挂载于主晶片发给W74M记忆体的指令中。另一方面，W74M记忆体也以相同动作产生的密钥B，并比对密钥A与密钥B，若相同则W74M才继续正常执行主晶片下的指令。
SHA-256为256位元的安全杂凑演算法（Secure Hash Algorithm），由美国国家标准技术研究所 (National Institute of Standards and Technology，NIST) 作为联邦资料处理标准 (Federal Information Processing Standard，FIPS) 发布的加密散列函数。此加密函数亦被用于处理金融交易，在实务中通常被视为无法破解的加密函数。
由于HMAC有一部分是由随机数生成，因此HMAC每次生成的数值皆不同。前面所提到的攻击模式，可以成功读取传统固定的UID，却无法对W74M进行攻击 (根钥是读不出来的)。而且由于SHA-256非常安全，实际上攻击者不可能透过解密HMAC找出根钥，因此这种方法可说是零风险。
图一显示了W74M两个重要的特性。第一，非挥发性的单向性计数器加强了记忆体安全认证的强度。当根钥完成初始化时，计数器便依据主晶片的指令从零开始逐一增加，无法重设或归零。此计数器具有只限于记忆体和主晶片才知道的唯一值。如果双方的计数器值不相等，记忆体的HMAC数值就不会与主晶片计算值相同，这时W74M认证设备会将遭篡改的信号回报系统。
主晶片也可以使用上述安全认证原理，防止攻击者篡改存在闪存中的韧体，借此保护主机系统免于遭受恶意软体的入侵。此外，也可防止攻击者使用储存不同韧体或是应用程式代码的W74M晶片取代正版安装在主机板上的W74M晶片，而达到防止产品直接被复制使用的风险。
图一所示W74M另一个重要的特性是每个W74M晶片中有四组根钥、HMAC Key、单向性计数器的组合，其中任何一组可用于对主晶片的认证，而另外三组则可用于认证不同阶层的物件，如图二所示。
图二: 由W74M启用的多层认证
每个认证通道皆能安全地储存一组独立的根钥，对应所要认证的物件。换言之，每一个W74M都可以分别跟主机设备、网际网路闸道器、云端服务绑定不同的根钥，且皆保持秘密，任何一台设备都不会知道另一台设备之根钥。
这种多层认证能力可以实现另一个用途，那就是用一颗W74M晶片认证4个不同元件的合法性，例如下列无人机的复杂系统:
• 无人机之主要处理器
• 可拆卸电池模组
• 遥控器
• 相机模组
安全、加密的验证，使无人机制造商能确保品牌相机及原厂电池的限定使用，并防止未经授权的遥控器劫持飞行中无人机的可能性。
华邦的安全认证闪存 (Authentication Flash) 的导入
如上所述，W74M提供四组非常严谨的安全认证功能，且根钥储存于外部设备无法读取的一次性可编程记忆空间内。然而，W74M安全认证的实施和导入还需要系统的安全配置，才能确保从生产到成品的制造流程中，每组W74M和主晶片或其他阶层物件内的根钥为各阶层专属的秘密。虽然华邦电子可以提供W74M的根钥预烧录，但是绝大部份仍是由客户端依据W74M客制化的根钥配置在既有的生产流程中导入根钥的绑定。
W74M系列安全认证闪存晶片，提供32Mb至1Gb之间各种容量，并采用标准封装。这意味着W74M可直接使用在目前标准闪存的PCB脚位，减少物料成本及元件数的同时，提供最安全的认证级别。
W74M也可应用于不需闪存的多层物件认证，（产品型号W74M00AVSSIG及 W74M00AVSNIG）。
By CS Lin 华邦电子北美分公司行销总监, Vivian Cheng 华邦电子技术副理
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