如何在 MCU/MUP 上安全地存储机密数据？

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在 MCU（微控制器单元）或 MPU（微处理器单元）上安全地存储机密数据（如加密密钥、用户凭证、敏感配置信息等）是嵌入式系统安全的核心挑战。由于资源受限、物理可访问性以及潜在的攻击面广泛，需要采用分层防御策略并结合硬件和软件的保护措施。

以下是关键策略和方法：

? 核心原则

1. 最小化机密数据： 能不存储就不存储，能动态计算或推导最好。


2. 深度分层防御： 结合硬件、软件、密码学和物理防护。


3. 密钥管理是关键： 机密数据的核心通常是密钥，密钥的安全决定了数据的安全。


4. 攻击面最小化： 减少暴露敏感操作的接口和调试功能。

? 硬件安全机制（首选和最强力）

1. 
   

   安全元件/硬件安全模块：

   
   
   
   
   • 专用安全芯片： 使用独立的、通过安全认证的芯片（如 Trusted Platform Module, Smart Card IC, Secure Element - SE）。
   
   
   • 片上集成安全区域： 许多现代 MCU/MPU 集成硬件安全功能模块（如 Arm TrustZone, NXP PFR, STM32 Trusted Execution Environment, Microchip CryptoAuthentication），称为 HSM, PUF, 安全 enclave 等。
   
   
   • 功能：
     
     
     
     • 安全的密钥存储： 密钥在隔离的安全区域生成、存储和使用，永不暴露于主 CPU 或外部总线。这是存储根密钥的理想场所。
     
     
     • 硬件加速的加密算法： 高效执行 AES, RSA, ECC, SHA, TRNG 等操作。
     
     
     • 防篡改检测： 检测物理入侵尝试（如开盖、探针）并擦除密钥。
     
     
     • 安全的启动和执行： 验证固件完整性和来源真实性。
     
     
     • 唯一的设备标识： 提供不可克隆的根信任点（通常基于 PUF）。
     
     
     • 访问控制： 严格控制对内部资源的访问权限。
     
     
   
   
   • 强烈推荐： 这是目前保护最高机密数据（尤其是根密钥）的最可靠方法。
   
   
   
   


2. 
   

   物理不可克隆函数：

   
   
   
   
   • 原理： 利用半导体制造过程的微小、不可控的物理差异，生成每个芯片唯一的“数字指纹”。PUF 本身不存储密钥！
   
   
   • 应用：
     
     
     
     • 密钥生成： 在需要时动态生成唯一的设备密钥，无需存储原始熵源。
     
     
     • 密钥封装/绑定： 用 PUF 响应作为密钥加密密钥来保护存储在非易失性存储器中的密钥（需要纠错机制）。
     
     
   
   
   • 优点： 抵抗物理探测（密钥不静态存储），抵抗反向工程（响应依赖于物理特性）。
   
   
   
   


3. 
   

   存储器保护单元：

   
   
   
   
   • 功能： 控制 CPU 对不同内存区域的访问权限（读/写/执行）。
   
   
   • 应用： 隔离存放敏感数据的内存区域（如栈、堆、全局变量区），防止越界访问或未授权代码读取。
   
   
   
   


4. 
   

   闪存/EEPROM 保护：

   
   
   
   
   • 读保护： 设置后，阻止通过调试接口读取芯片内部存储内容（如 SWD/JTAG）。
   
   
   • 写保护： 保护特定扇区或区域的闪存/EEPROM 不被意外或恶意修改。
   
   
   • 芯片唯一 ID： 一些 MCU 提供不可更改的、唯一的芯片 ID，可用于设备绑定或派生密钥。
   
   
   • 局限性： 只能防护较弱的攻击，无法防止物理读出（如芯片解封装+探针）或侧信道攻击。
   
   
   
   

? 软件安全策略（结合硬件）

1. 
   

   安全的密钥派生：

   
   
   
   
   • 使用标准 KDF： 如 PBKDF2, HKDF, Argon2。避免直接使用用户密码或弱熵源作为密钥。
   
   
   • 结合硬件特性： 使用芯片唯一 ID 或 PUF 响应作为 KDF 的盐或输入的一部分，将派生密钥绑定到特定设备?️。
   
   
   
   


2. 
   

   安全的密钥使用：

   
   
   
   
   • 最小化密钥暴露： 密钥只在需要使用它们的短暂时间内解密到 RAM 中，用后尽快清零覆盖。
   
   
   • 限制密钥用途： 不同的密钥用于不同的目的（加密、签名、认证、派生）。
   
   
   • 使用硬件加速： 优先使用硬件引擎执行加密操作，避免潜在的时序攻击或软件实现漏洞。
   
   
   
   


3. 
   

   机密数据的加密存储：

   
   
   
   
   • 场景： 当必须在外部闪存或共享内存中存储机密数据时。
   
   
   • 方法： 必须先用一个安全的密钥加密数据！
     
     
     
     • 使用硬件 SE/HSM/TEE 加密： 最佳实践。加密操作（和密钥）在安全区域内完成。
     
     
     • 在主 CPU 加密： 次选方案。密钥需临时解密到 RAM（风险更高）。
     
     
   
   
   • 加密模式：
     
     
     
     • 认证加密： 首选 AES-GCM 或 ChaCha20-Poly1305，提供机密性和完整性校验。
     
     
     • 存储效率： 如果空间紧张且已有完整性机制（如安全启动），可考虑 AES-CTR 或 CBC（搭配 HMAC）。
     
     
   
   
   • 密钥来源： 用于加密存储数据的密钥（KEK）应该来自硬件安全机制（SE/HSM/PUF），或者是用硬件保护的根密钥派生出来的。
   
   
   
   


4. 
   

   安全的擦除：

   
   
   
   
   • 立即覆盖： 当敏感数据（尤其是临时解密到 RAM 中的密钥）不再需要时，立即用随机值或固定模式多次覆盖其所在的 RAM 区域（避免编译器优化清除）。尽量使用 memset_s 或类似的安全函数。
   
   
   • 非易失性存储器擦除： 确保被删除或更新的敏感数据在存储介质上也被安全擦除（实际覆盖）。
   
   
   
   


5. 
   

   安全启动和固件更新：

   
   
   
   
   • 验证签名： 确保加载执行的固件是可信的来源且未被篡改。根公钥或哈希通常需要硬件保护。
   
   
   • 回滚保护： 防止攻击者利用旧版本固件的漏洞。
   
   
   
   


6. 
   

   运行时保护：

   
   
   
   
   • 栈保护： 启用栈溢出保护机制（如 Stack Canaries）。
   
   
   • 地址空间布局随机化： 增加攻击者利用内存破坏漏洞的难度。
   
   
   • 特权分离： 利用 MPU 限制用户模式和特权模式对内存和资源的访问。
   
   
   • 看门狗： 检测和响应软件故障（可能是攻击导致）。
   
   
   • 减少调试接口暴露： 生产环境中禁用或严格保护调试接口。
   
   
   
   

? 存储位置选择权衡

1. 专用硬件安全模块： 安全性最高，适合根密钥和最敏感数据。容量通常较小。


2. 片上安全区域： 安全性高，集成方便。容量可能受限。


3. 片上闪存/EEPROM： 配合读保护、写保护和加密存储。安全性中等。


4. 外部闪存/EEPROM： 安全性最低，必须配合强加密（密钥来自安全硬件）和完整性保护。

? 关键建议总结

1. 优先利用硬件安全特性： 绝对不要试图在普通 Flash/RAM 中明文存储根密钥或高度敏感数据。 投资集成安全硬件（SE/HSM/PUF）的芯片是值得的。


2. 分层加密： 使用安全硬件保护的根密钥或设备唯一密钥，来加密保护存储在相对不安全区域的次级密钥或数据。


3. 最小化暴露： 仅在必要时、在最短时间内、在受控环境下（如安全隔离的内存区域）让密钥以明文形式存在。


4. 安全生命周期管理： 考虑密钥和设备生命周期的各个方面（生成、存储、使用、轮换、撤销、销毁）。


5. 遵循标准和最佳实践： 使用公认安全的加密算法、协议和库（如 Mbed TLS, WolfSSL, 硬件加速库）。


6. 物理安全： 评估设备部署环境。如果物理访问难以控制，更强的硬件保护（如防篡改 SE）更加关键。


7. 威胁建模： 明确你的资产（哪些数据是机密？）、可能的攻击者及其能力（远程 vs 物理访问？预算？）、攻击路径。据此选择合适的安全措施。


8. 渗透测试和安全审计： 由专业安全人员对实现进行评估和测试。

安全没有银弹。 在 MCU/MPU 上保护机密数据需要仔细权衡安全需求、成本、功耗、资源和开发复杂性。利用芯片内置的硬件安全特性是最可靠的基础，再辅以严谨的软件安全实践，才能构建起有效的防御体系。 永远假设攻击者比你想象的更聪明更有耐心。