固件漏洞数量激增7倍，FPGA/MCU/TPM三家斗法保平安

shuszhao

设备固件已经成为越来越流行的攻击媒介，不管是厂商的路由器，还是在线的安全监控设备，都曾遇到固件被入侵的情况。根据美国国家漏洞数据库(National Vulnerability Database)报告，2016至2019年间，全球每年因为固件漏洞而导致的入侵事件数量增加了7倍以上。而Gartner也在2019年7月做出大胆预测称，如果2022年这些公司还没有去做及时的固件升级计划，补上固件安全漏洞，那么2022年将会有70%的公司因为固件漏洞遭到各种入侵。
Lattice半导体亚太区应用工程总监谢征帆认为固件安全事件之所以频发，主要原因有两方面：一是传统的安全性保护都存在于上层软件或操作系统中，固件保护没有受到足够的重视；二是在线硬件产品越来越多，不管是云端、管道还是终端设备，基本上都有相应的固件存在，随着在线设备数量的增加，暴露出来的漏洞数量也在随之增长。
此外，一些中短期的风险也会加剧上述情况的发生。例如受到新冠疫情影响，很多人员无法在现场进行安全措施操作，只能进行远程管理、升级和操作，如果没有足够的安全性保护措施，那么风险就会大幅提升。

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服务器PFR方案的首选

受损的固件会让用户数据易受入侵，对系统造成永久性损坏，极大降低用户体验，OEM也要承担相应的责任。因此，针对于固件攻击的保护，美国国家标准与技术研究所(NIST)定义了一种标准的安全机制，称为平台固件保护恢复(PFR)。PFR采用了基于硬件的解决方案，为保护企业服务器固件提供了一种全新的方法，可全面防止对服务器所有固件的攻击。
NIST 800-193对整个硬件平台上的固件保护提出的规范性要求主要包含三个部分：首先能够检测到黑客在对固件进行攻击；第二是进行保护，例如有人在对固件进行非法的读写操作时，要阻止这些非法行为，并汇报给上层软件，发出警告信息；第三是即使在固件遭到破坏的情况下，也能够进行恢复，例如从备份文件中恢复。这三部分(恢复、检测、保护)相互融合、相互配合，主要目的就是保护硬件平台上的固件。
对固件的保护恢复，业界此前主要基于TPM和MCU硬件平台来实现。但谢征帆在介绍Lattice Sentry解决方案集合和SupplyGuard供应链保护服务时表示，尽管TPM和MCU方案已经存在了多年，但它们的控制流程和时序均采用串行处理方式实现，无法像FPGA方案一样同时对多个外设进行监控和保护，因此实时性较弱。
除了实时性外，在检测和恢复方面，TPM和MCU硬件平台虽然也能够在启动之前对受保护的芯片固件进行自动验证，或是对标准的固件回滚进行恢复，但总体来看是“被动”的。也就是说，它并不会进行主动验证，只能通过SPI接口配合主芯片接收/回传相关指令，在面对时间敏感型应用或是强度较大的破坏，例如DOS攻击和重复攻击时，无法进行更快地识别和响应，并做出实时保护。

“为所有互联设备提供动态、持久、实时的硬件平台安全性正成为趋势。如果再结合FPGA本身的小尺寸、高性能、低功耗、灵活性等特点，使得很多Tier-1服务器厂商在部署下一代服务器平台的PFR功能时，开始优先考虑基于FPGA的方案。”谢征帆说。


基于动态信任的端到端供应链保护

Sentry方案并不仅仅只是一个硬件产品，它有一系列相配套的工具、软件和服务。
底层硬件平台基于MachXO3 FPGA，这是Lattice符合NIST平台固件保护恢复标准、面向控制的FPGA。当使用MachXO3 FPGA 实现系统控制功能时，它们通常是电路板上“最先上电/最后断电”的器件，通过集成安全和系统控制功能，MachXO3D便成为系统保护信任链上的首个环节。硬件平台之上是一系列IP核、软件工具、参考设计、演示示例、定制设计服务，共同构成了Sentry方案。
谢征帆强调称，Sentry方案的最终目的是实现动态信任和端到端的供应链保护，而动态信任强调安全保护机制并不是静态、固化的保护方式。其中，RISC-V可以通过相应的C代码，去实现客户所需要的功能。这意味着，随着产品的演进，如果用户将来在新的产品中需要新的保护方式，只要底层模块没有变化，只需改变相应的C代码，就可以实现新的保护方式；同时，通过RISC-V软核还可以调度不同硬件模块，例如监视器、Mux等底层模块。

以下是Sentry解决方案的主要特性：

[li]硬件安全功能——提供经过预验证、符合NIST的PFR实现方案，可在系统启动期间和之后对所有系统固件实施严格的实时访问控制。若检测到损坏的固件，Sentry可以自动回滚到固件之前已知的完好版本，确保安全的系统操作不会中断。[/li][li]符合最新的NIST SP-800-193标准，通过CAVP认证——通过支持严格加密的MachXO3D FPGA系列器件实现硬件RoT。[/li][li]易于使用——开发人员可以在没有任何FPGA设计经验的情况下，将Sentry经过验证的 IP模块拖放到Lattice Propel设计环境中，修改所给的RISC-V C语言参考代码。[/li]

[li]缩短上市时间——Sentry提供预验证和经过测试的应用演示、参考设计和开发板，可以将PFR应用的开发时间从10个月缩短到6周。[/li][li]灵活、适用于所有平台的安全解决方案——Sentry为固件和可编程外设提供全方位、实时的PFR支持。它可以用作系统中的硬件可信根(RoT)/补充现有的基于BMC/MCU/TPM的体系，使之完全符合NIST SP-800-193标准。[/li]

而SupplyGuard则是Lattice推出的一项订阅服务，从产品制造到全球供应链运输、系统集成和组装、再到首次配置和部署的整个生命周期内，通过跟踪锁定FPGA，让OEM和ODM通过以下方式应对供应链风险：

[li]确保只有授权的制造商才能构建OEM的设计，无论这些制造商身在何处。[/li][li]为OEM提供安全的密钥机制，防止在未经授权的组件上激活其IP，阻断产品克隆和过度构建。[/li][li]防止设备下载和安装木马、恶意软件或其他未经授权的软件，保护平台和系统免遭设备劫持或其他网络攻击。[/li]

同时，SupplyGuard也可以按需定制，满足各个行业OEM的特定安全和供应链需求，并降低实施安全生产生态系统的运营成本。
目前来看，主要是服务器厂商对Sentry和SupplyGuard方案更感兴趣，因为他们是最需要符合NIST 800-193规范的。接下来，随着安全问题在越来越多领域受到重视，工业自动化、车联网，甚至笔记本和台式机等领域，都有可能成为上述方案潜在的目标市场。

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罗塘阮经天