CPU的信息安全防护措施

安全控制器中的CPU与存储器一样，都是攻击者感兴趣的攻击点，在设计时需要采用多种安全防护措施。

1.防故障注入攻击

攻击者可能在 CPU 处理过程中找到引入故障的机会，以获取密钥或操纵软件执行。早期保护 CPU 免受故障注入攻击的方式主要是设置探测环境条件的传感器，这些传感器可对时钟、电压、光线或温度等进行感测。但针对CPU 的其他故障，注入攻击仍有可能，如通过激光、电磁辐射进行攻击，或直按通过物理方式实施攻击，如FIB操纵、微探针等技术。

如同存储器系统最初采用的保护方式一样，增强CPU安全性的最初解决方案也是使用奇偶校验位。CPU寄存器中的奇偶校验位非常容易实现，无须从头开始设计安全控制器，但这种简便性是以牺牲安全性为巨大代价的；如同存储器奇偶校验保护一样，CPU奇偶校验保护也存在很显著的缺陷，因此还需要更好的保护CPU的方式。

一种非常简单的CPU防御故障注入攻击的方式是依次进行两次相同的操作，将两次操作的结果进行比较，并在结果不匹配的情况下发出告警。但这种方式会降低CPU性能，攻击者可以通过实施两次故障注入来绕过。如今多故障注入攻击已经是攻击者经常采用的攻击手段，并较多地出现在集成电路的安全性评估和认证过程中。典型的多次操作的防御方法 （在时间刻度上实现冗余）容易被多故障注入攻击彻底击垮，因为相应的攻击设备已经出现，而这些攻击设备能越过微控制器指令和时钟周期的时间刻度，瓦解通过时间刻度冗余进行的安全防范。更安全的应对措施包括使用紧密结合的双CPU内核，利用两个内核持续地互相检查对方的操作和状况。如果CPU能进行加密运算，甚至可让两个内核使用不同的动态密钥，以便大大增强对多时间、多区域的多故障注入攻击的防范。

2.防嗅探

此外，还必须保护CPU免遭嗅探攻击。在近几十年的安全控制器发展历史中，CPU基本采用明文方式工作，这意味着对CPU内部进行窃听的攻击者能够完全获取其中处理的明文数据。早期的嗅探攻击防范措施包括增加数个金属层，保护有价值的信号免遭窃取；后来出现了全面覆盖芯片的屏薇措施，其中一些具有自检功能或动态任意数宇反馈功能，以检查屏蔽的完整性。

如今面对 FIB、微探针、芯片微手术等攻击方式，这些措施的有效性非常有限。此外，还有不需要任何实际操纵就能窃取CPU中内容的攻击方式，如光辐射分析。这是因为硅晶体管在工作时将发射很少量的光，利用这种现象可读取寄存器中的内容。

安全控制器设计者已经认识到增强CPU安全性的必要性。如今所采用的先进方法是CPU采用动态加密的方式进行计算，这样攻击者只能获取被加密的数据。这种方法要求重新进行CPU设计，重新设计并非如对现有CPU 进行修改一般简单，但这种努力会带来很大的安全性能优势。

审核编辑：汤梓红