PSA，为基于MCU的连接设备奠定基于硬件和固件的安全基础

在不久前结束的第四届世界互联网大会上，Arm平台安全架构（PSA）入选“世界先进科技成果”发布。《平台安全架构概述》白皮书重磅分享，一起更深入的了解PSA。

导言

物联网（IoT）转型的进程正如火如荼，并有可能改变企业和消费者体验，其能否取得成功，很大程度上取决于数十亿互联设备的信任和安全性能。企业需要依靠来自边缘计算的数据做出商业决策，而消费者需要确保他们的智能设备不被黑客攻击。近期的攻击和安全研究表明，设计不佳的连接设备有可能被攻陷并导致互联网基础架构的关键部件被破坏，甚至影响到我们的安全。因此，我们需要能够应对这些威胁并且基于成本考虑设备的安全，平台安全架构（PSA）的使命就是克服这一挑战，服务于任何设计合理的 Arm 处理器，包括低成本微控制器。 

安全并非可有可无

Arm宣布将推出平台安全架构（PSA）和配套的开源软件计划Trusted Firmware-M。该项目能够提供由硬件支持的可扩展安全性，可应用于成本从低到高的各类设备。其目的是通过共享的最佳实践方法提高整个生态系统的安全性。为此，我们需要转变安全经济学，降低实施强大安全措施的风险、成本、低层次碎片化和复杂性。 

基于微控制器（MCU）的设备数量急速增长将导致：

• 数十亿种物联网设备和嵌入式连接设备设计，全部基于各种 Arm 解决方案 

• 种类繁杂的使用案例和安全健壮性要求

• 来自多家供应商的系统组件集成：硬件、软件和固件

• 各种组件的多样化实施

• 不同项目之间可能无法复用的集成工作

本白皮书概述了全新架构——PSA，这种架构将为日益增加的基于MCU的连接设备奠定基于硬件和固件的安全基础。PSA不限定CPU架构，但以基于MCU的设备为优先服务对象，同时也可应用于全面可信执行环境（TEE）太过庞大、复杂的其他平台。

运行 Linux 等复杂操作系统、Arm TrustZone® 等现有基于硬件的安全产品以及可信执行环境（TEE）的 Arm 应用处理器（即Cortex-A系列）也同样适用。

1.1 行业挑战

行业面临如下挑战： 

• 在设备的整个生命周期内实施安全可能代价不菲

• 安全设备很难实现规模化管理

• 行业对传感器和执行器接收和发送的数据缺乏信心，因此无法全面发掘物联网的经济效益

1.2 对更安全物联网的愿景

Arm的安全愿景侧重于三个主要领域：

• 转变安全经济学

设备的整个生命周期都应当提供用户负担得起的安全性。

• 实现规模化安全性 

物联网的云运营商需要相应的设施来安全、有效地管理海量设备，无论何种设备类型和芯片类型。

• 整个价值链的安全

物联网的一个主要优点就在于它生成和交换的数据，以及从这些数据中分析提取的信息。企业必须能够判断数据的可靠性，进而实现整个生态系统共享的经济效益。

1.3 IP支持

Arm现有的安全产品和技术能够帮助移动和上网本市场的硅芯片合作伙伴提高安全性和质量并加快产品的上市速度。Arm现有的安全产品包括： 

• Armv8-A等包含TrustZone的Cortex-A系列 

• Arm可信固件（针对Cortex-A系列），一种开源参考实施，包括可信启动和TEE加载组件

• 将TrustZone引入微控制器市场的Armv8-M架构 

• Arm SecurCore，防篡改处理器系列

• TrustZone CryptoCell，提供平台级安全服务的安全模块

• TrustZone CryptoIsland，高度集成式安全子系统，旨在提供片上智能卡级别的安全性

• Arm Mbed IoT Device Platform，提供相应的操作系统、云服务、工具和开发者生态系统，以实现基于标准的商业物联网解决方案的规模化开发和部署。

平台安全架构

2.1 目标

平台安全架构（PSA）是一个由威胁模型、安全分析以及硬件和固件规范组成的整体。它与开源参考实施共同帮助您在最低的安全层面为所有互联设备实现统一的安全设计。PSA吸收并整合了整个行业的最佳实践。它的服务对象是整个物联网生态系统，从芯片设计师和设备开发者到云和网络基础架构提供商以及软件供应商。

PSA 提供了一种无需自行开发所有元件就能构建安全系统的方法。Arm是这个生态系统的领导者，其目标是保护整个互联世界。 

下列目标概述了确保数十亿设备安全的框架：

• 简化按照安全标准评估物联网设备的过程 

• 促进重复利用、提高互操作性和最大程度减少API碎片，进而降低生态系统合作伙伴开发软件的成本和复杂性

• 利用PSA提供的原始资源实现设备安全模型，进而降低SoC设计者的成本和复杂性 

为了实现上述目标，下列要求必须得到满足： 

• 为认证/评估基于Arm的SoC或设备建立基础

• 定义核心安全功能

• 定义沙箱安全模型

• 为第三方软件提供商实施的安全功能定义框架

• 定义基础物联网安全硬件平台

• 为物联网提供健壮的开源参考实施（类似于上网本和移动市场的Arm可信固件）

2.2  构建模块

PSA 由三个部分组成：

• 威胁模型和安全分析，来自各种典型的物联网使用案例

• 架构的固件和硬件规范

• 固件架构规范的开源参考实施

PSA的基础是设备的威胁模型，它们将安全要求延伸至其他各大构件，如图 1所示。威胁模型与CPU架构无关，而另外两大构件的作用是为统一的实施提供支持。

PSA 的三大构件组成

2.3  威胁模型与安全分析

设计安全系统时，我们需要结合关键问题进行风险分析并建立威胁模型。这些关键问题包括： 

• 我们要保护的资产 

• 潜在的威胁 

• 潜在攻击的范围和强度 

• 潜在攻击者的类型以及攻击方式

通过这些研究可以确定安全目标，随后制定减轻此类威胁的安全功能要求。Arm 对相关的物联网使用案例和情境进行了分析。通过分析得出普遍适用的安全原则，然后用它来指导架构规范文件的制定。

Arm 使用英语语言保护范围(PP)方法来为评估目标（TOE）制定一系列安全功能要求（SFR）。每一个轮廓都考虑了功能描述、TOE 和必要的安全要求。这些文件要让并非安全专家的工程师能够使用。

各种PSA架构规范描述的硬件和软件安全构件提供了满足威胁模型所凸显的安全要求所需的原语。

 

 一个仪表的高层次安全分析示例

2.4  架构规范文件

PSA架构规范包括一系列彼此关联的文件，点击此处可以了解更多。

2.5 Trusted Firmware-M（TF-M）参考实现

Trusted Firmware-M是一个开源计划，其作用是为基于M系列平台的物联网设备提供 PSA 固件规范的参考实现。TF-M 将公开托管在 GitHub 上，与目前针对 Cortex-A 驱动的移动和翻盖设备的 A 计划 Arm Trusted Firmware 类似。其他生态系统合作伙伴可能提供其他实现。

TF-M将在 Armv8-M主线（Cortex M33）上处理PSA固件运行隔离层级1，并将为更高层级的隔离类型提供更多支持。其他内核将在今后进行处理。

初始版本旨在提供：

• SSE-200的受限PSA运行隔离层级1的实施（Arm Musca-A1 测试芯片主板）

• 操作系统支持

       -  初始版本主要针对Mbed操作系统

       -  RTX 被用于原型创建工作，发布时将提供有限支持

• 启动加载程序，为安全和非安全镜像提供认证启动

• 基于cmake和GNU工具链的跨平台构建系统

• 从一开始就支持的GCC和ARMCLANG编译器

• 固件更新例子

2.6   生态系统使能

下面是开发中的生态系统使能支持工具：

• Arm Cortex-M原型系统（MPS2和MPS3）以及Arm Musca-A1测试芯片主板，用于实现开发

• Trusted Firmware-M：Armv8-M 平台安全架构的开源参考实施

• Mbed操作系统：基于MCU的物联网设备的开源平台操作系统，针对所有Arm Cortex-M目标提供PSA的优化实施

• Arm KEIL开发系统，用于安全和非安全的软件开发、调试和验证

丰富的工具支持 

安全评估与兼容性

兼容性有两根轴：

1. 功能性 

2. 鲁棒性

功能性兼容指的是硬件和固件规范得到满足，例如使用了正确的硬件组件并实现了预期的API功能。仅靠功能性兼容并不能得出满足设备总体安全性要求的结论，还需要鲁棒性这根轴。Arm将为功能性硬件要求提供验证套件，Arm也可能为固件规范提供验证套件。

威胁模型和安全分析构成鲁棒性兼容的基础，Arm正积极与合作伙伴共同确定评估价值链安全鲁棒性的最佳方法，从硅芯片制造商到管理设备的物联网云公司。不只是Arm的物联网安全性产品，所有根据PSA开发的产品也都将受益于Arm技术的基线安全鲁棒性。

总结

平台安全架构（PSA）转变了连接设备的安全经济学。PSA将行业最佳实践汇总成一整套架构文件、安全分析和要求，并提供开源参考固件实现。

Arm的持续投入将在整个生态系统内实现解决方案的持续发展、改进和采用。我们将推出多种与PSA协同的硬件安全解决方案，以提供必要的安全鲁棒性。例如，PSA将与多种Arm微控制器和系统IP协同工作，包括 Arm TrustZone CryptoCell。  

通过减少低级别安全碎片，Arm旨在建立服务于所有人的安全生态系统，包括芯片合作伙伴、OEM、平台所有者、服务提供商、消费者和更广大的开发者群体。我们邀请 Arm 生态系统在PSA和Trusted Firmware-M的基础上开展并扩大我们的工作。

在2017年第四季度Arm为NDA合作伙伴提供开源计划的有限访问权限，全面访问将在2018年初开放。

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