概述
在現代嵌入式系統和物聯網設備中,韌體安全是產品安全的基石。本文介紹一套完整的韌體安全啟動流程,透過 HSM 數位簽章、安全儲存和開機驗證三個階段,建立端到端的信任鏈,確保只有經過授權的韌體才能在設備上執行。
完整安全流程
整個安全機制分為三個關鍵階段:
建立完整的信任鏈,確保韌體的完整性與真實性
階段一:開發階段 - HSM 數位簽章
在開發階段,韌體開發完成後,使用硬體安全模組 (HSM) 對韌體進行數位簽章。
作業流程
步驟 1: 韌體開發完成
- 完成韌體開發與測試
- 產出可部署的韌體映像檔
步驟 2: HSM 數位簽章
韌體檔案 + HSM 私鑰 → 數位簽章HSM 核心優勢
-
🔒 高安全等級
- 符合 FIPS 140-2/140-3 認證標準
- 通過國際安全評估與驗證
-
🛡️ 私鑰保護
- 私鑰永不離開 HSM 硬體
- 防止密鑰外洩或竊取
-
✓ 輸出產物
- 韌體映像檔
- 數位簽章
- 公鑰
階段二:生產階段 - 產線燒錄作業
在生產階段,產線需要執行兩個關鍵的燒錄任務:
燒錄任務一:韌體區域
[韌體映像檔] + [數位簽章] → 韌體儲存區- 特性: 可更新,含程式碼與簽章
燒錄任務二:安全區域
[公鑰] → 安全儲存區 (OTP/eFuse)- 特性: 工廠模式寫入後鎖定
設備儲存區架構
設備內部儲存分為兩大區域:
作業區 (可更新)
- 韌體程式碼: 包含完整的韌體程式碼,可透過 OTA 或 Flash 更新
- 韌體數位簽章: 對應韌體的數位簽章,隨韌體一起更新
安全區 (工廠模式鎖定)
- 驗證用公鑰: 使用 OTP (One-Time Programmable) 或 eFuse 技術
- 產線工廠模式寫入: 只能在產線的特殊工廠模式下寫入
- 寫入後永久鎖定: 一旦寫入即無法修改或覆寫
- 建立硬體信任根: 確保公鑰的完整性和不可竄改性
階段三:運行階段 - 安全啟動驗證
設備開機時,控制晶片會執行完整的驗證流程:
驗證機制
數位簽章驗證的核心原理:
Hash(韌體) + 公鑰 + 簽章 → 驗證結果驗證結果處理
✓ 驗證成功
- 韌體完整性確認
- 啟動系統正常運行
✗ 驗證失敗
- 立即停止啟動
- 進入安全模式或 Recovery 模式
- 記錄安全事件日誌
驗證成功的三個必要條件:
- 簽章使用配對的私鑰產生
- 韌體內容未被修改
- 公鑰完整性未受損
安全機制優勢
威脅防護
這套安全機制提供全方位的威脅防護:
-
🛡️ 韌體竄改防護
- 數位簽章驗證失敗即拒絕啟動
- 任何未授權的韌體修改都會被偵測
-
🚫 惡意韌體阻擋
- 未經 HSM 簽章的韌體無法通過驗證
- 防止惡意程式碼植入
-
🔒 公鑰保護
- OTP/eFuse 防寫保護機制
- 確保驗證基礎不被破壞
-
⛓️ 供應鏈攻擊防範
- 從源頭確保韌體完整性
- 建立可追溯的信任鏈
核心價值
技術價值
- 建立硬體信任根
- 確保韌體完整性與真實性
- 符合業界安全標準
商業價值
- 提升產品安全等級
- 符合客戶安全要求
- 支援安全認證取得 (FIPS 140-3, Common Criteria)
營運價值
- 降低安全事件風險
- 保護智慧財產權
- 增強品牌信譽
關鍵技術總結
三大支柱
這套安全啟動機制建立在三大技術支柱之上:
-
HSM 密鑰管理
- 高安全等級密鑰產生與保護
- 私鑰永不外洩
- 符合 FIPS 140-3 Level 3 認證
-
數位簽章機制
- 確保韌體完整性
- 驗證韌體來源真實性
- 使用業界標準加密演算法
-
硬體安全儲存
- OTP/eFuse 防竄改技術
- 工廠模式控制寫入
- 建立信任根基礎
安全保證
開發安全 + 生產安全 + 運行安全 = 端到端安全保護透過 HSM 簽章、安全儲存和開機驗證三個環節,我們建立了完整的信任鏈,確保只有經過授權和驗證的韌體才能在設備上執行。
合規性支援
這套安全機制符合多項國際安全標準:
- ✓ FIPS 140-3 - 聯邦資訊處理標準
- ✓ Secure Boot - 業界安全啟動標準
- ✓ Chain of Trust - 完整信任鏈
- ✓ Common Criteria - 國際通用準則評估
- ✓ 縱深防禦 - 多層次安全策略
實施建議
如要實施這套安全啟動機制,建議遵循以下最佳實踐:
規劃階段
- 評估安全需求與合規要求
- 選擇符合 FIPS 140-3 Level 3 的 HSM
- 設計儲存區架構與容量規劃
開發階段
- 建立 HSM 密鑰管理政策
- 實作數位簽章流程
- 設計韌體更新機制
生產階段
- 配置產線工廠模式
- 實施燒錄流程控管
- 建立品質檢驗程序
維運階段
- 定期進行安全審計
- 監控安全事件日誌
- 維護密鑰生命週期管理
常見問題
Q: 韌體更新時如何處理?
A: 新韌體必須再次經過 HSM 簽章,設備驗證通過後才能更新。整個流程確保更新韌體的安全性。
Q: 如果 HSM 私鑰遺失怎麼辦?
A: 需要重新產生密鑰對。已部署設備由於安全區已鎖定,無法接受新密鑰簽章的韌體,需要評估設備更新策略。
Q: 公鑰可以公開嗎?
A: 公鑰本質上是可公開的,數位簽章的安全性完全基於私鑰的保密性,公鑰公開不會影響系統安全。
Q: 這個機制能防止所有攻擊嗎?
A: 沒有絕對的安全。此機制主要防護韌體層級的完整性攻擊,需搭配其他安全措施(如硬體防護、網路安全、存取控制等)建構縱深防禦。
Q: OTP 和 eFuse 的差異?
A: 兩者都是一次性可程式化技術,OTP 通常基於熔絲技術,eFuse 則是電子熔絲。兩者都能實現寫入後永久鎖定的效果。
結論
韌體安全啟動機制是現代嵌入式系統安全的重要基礎。透過 HSM 數位簽章、安全儲存和開機驗證的三階段流程,我們能夠建立完整的信任鏈,從開發、生產到運行,全程確保韌體的完整性與真實性。
這套機制不僅符合 FIPS 140-3、Secure Boot 等國際標準,更為產品帶來技術、商業和營運的多重價值。在物聯網和智慧設備日益普及的今天,實施嚴謹的韌體安全機制已成為保護產品、用戶和企業的必要措施。
相關資源
標籤: #Security #Firmware #HSM #SecureBoot #Cryptography #EmbeddedSystems #IoT