基于硬件信任根的物联网设备身份认证：安全启动与设备唯一标识

2025/7/25 07:43:16 79 0 0 0

在物联网（IoT）领域，设备身份认证是确保系统安全的关键环节。由于物联网设备数量庞大且应用场景复杂，传统的软件安全措施往往难以有效应对各种攻击。基于硬件信任根（Hardware Root of Trust, RoT）的设备身份认证机制，利用硬件的安全性来构建可信赖的系统，成为物联网安全的重要发展方向。

什么是硬件信任根 (RoT)?

硬件信任根是指设备中一个高度可信的硬件组件，它是整个信任链的起点。这个组件通常具有以下特性：

不可篡改性： RoT 的代码和数据存储在硬件中，无法通过软件或外部接口进行修改。
唯一性： 每个 RoT 具有唯一的身份标识，可以用于区分不同的设备。
可验证性： 可以通过密码学方法验证 RoT 的完整性和真实性。

常见的 RoT 实现方式包括安全元件（Secure Element, SE）、可信平台模块（Trusted Platform Module, TPM）以及安全微控制器等。在资源受限的物联网设备中，安全微控制器通常是更经济有效的选择。

利用安全启动防止固件篡改

安全启动（Secure Boot）是一种在设备启动过程中验证固件完整性的机制。它通过使用数字签名技术，确保设备只能运行经过授权的固件。

固件签名： 设备制造商使用私钥对固件进行签名，生成数字签名。
签名验证： 设备启动时，RoT 使用存储在硬件中的公钥验证固件的签名。
启动控制： 只有当签名验证成功时，RoT 才允许设备启动。否则，设备将拒绝启动，从而防止恶意固件的运行。

在微控制器中实现安全启动，通常需要以下步骤：

选择支持安全启动的微控制器： 许多现代微控制器都集成了硬件安全模块，支持安全启动功能。例如，STMicroelectronics 的 STM32L5 系列、NXP 的 LPC55S 系列等。
配置安全启动参数： 在微控制器的配置中，需要指定用于验证固件签名的公钥、签名算法等参数。
生成和烧录签名固件： 使用相应的工具链，对固件进行签名，并将签名后的固件烧录到微控制器中。

以下是一个简化的安全启动流程示例：

// 假设 MCU 已经配置好安全启动参数

bool verify_firmware_signature(const uint8_t *firmware, size_t firmware_size, const uint8_t *signature) {
  // 使用硬件安全模块验证固件签名
  // 返回 true 如果签名验证成功，否则返回 false
  return HAL_VerifySignature(firmware, firmware_size, signature);
}

void boot_process() {
  // 从 Flash 中读取固件和签名
  uint8_t *firmware = (uint8_t *)FIRMWARE_START_ADDRESS;
  size_t firmware_size = FIRMWARE_SIZE;
  uint8_t *signature = (uint8_t *)SIGNATURE_START_ADDRESS;

  // 验证固件签名
  if (verify_firmware_signature(firmware, firmware_size, signature)) {
    // 签名验证成功，跳转到固件入口点执行
    jump_to_firmware(FIRMWARE_ENTRY_POINT);
  } else {
    // 签名验证失败，进入安全模式或执行其他安全操作
    enter_safe_mode();
  }
}

利用设备唯一标识防止设备伪造

设备唯一标识（Unique Device ID, UUID）是用于唯一标识设备的序列号。通过将 UUID 与设备的身份信息绑定，可以防止设备伪造。

获取 UUID： 许多微控制器都内置了 UUID 生成器或存储了唯一的序列号。例如，STM32 微控制器的 Flash 中通常存储了 96 位的 UUID。
生成设备证书： 使用 UUID 作为设备证书的序列号，并使用私钥对证书进行签名。设备证书包含了设备的身份信息，例如设备型号、制造商等。
存储设备证书： 将设备证书存储在安全存储区中，例如安全元件或微控制器的安全 Flash 中。

在设备连接到云平台时，云平台可以通过验证设备证书的签名和序列号，确认设备的身份。

以下是一个简化的设备证书生成流程示例：

import uuid
import cryptography.x509 as x509
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.asymmetric import rsa
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
from cryptography.hazmat.primitives import serialization

# 生成 RSA 私钥
private_key = rsa.generate_private_key(
    public_exponent=65537,
    key_size=2048,
    backend=default_backend()
)

# 从 MCU 获取设备 UUID
device_uuid = uuid.UUID(bytes=b'\x01\x23\x45\x67\x89\xab\xcd\xef\x01\x23\x45\x67\x89\xab\xcd\xef') # 示例 UUID，需要替换为真实的 MCU UUID

# 构建 X.509 证书
builder = x509.CertificateBuilder().subject_name(
    x509.Name([
        x509.NameAttribute(x509.oid.NameOID.COMMON_NAME, u'mydevice.example.com'),
    ])
).issuer_name(
    x509.Name([
        x509.NameAttribute(x509.oid.NameOID.COMMON_NAME, u'My CA'),
    ])
).serial_number(
    int(device_uuid.hex, 16)
).public_key(
    private_key.public_key()
).not_valid_before(
    datetime.datetime.utcnow()
).not_valid_after(
    datetime.datetime.utcnow() + datetime.timedelta(days=365)
)

certificate = builder.sign(
    private_key=private_key,
    algorithm=hashes.SHA256(),
    backend=default_backend()
)

# 将证书保存为 PEM 格式
with open("device_certificate.pem", "wb") as f:
    f.write(certificate.public_bytes(serialization.Encoding.PEM))

# 保存私钥
with open("device_private_key.pem", "wb") as f:
    f.write(private_key.private_bytes(
        encoding=serialization.Encoding.PEM,
        format=serialization.PrivateFormat.PKCS8,
        encryption_algorithm=serialization.NoEncryption()
    ))

设备身份认证流程

一个典型的基于硬件信任根的设备身份认证流程如下：

设备启动： 设备通过安全启动机制，验证固件的完整性。
身份注册： 设备生成设备证书，并将其发送到云平台。
身份验证： 云平台验证设备证书的签名和序列号，确认设备的身份。
安全通信： 设备与云平台建立安全通信通道，使用加密算法保护数据的机密性和完整性。

挑战与展望

基于硬件信任根的设备身份认证机制，可以有效提高物联网设备的安全性。然而，在实际应用中，仍然面临一些挑战：

成本： 集成硬件安全模块会增加设备的成本。
复杂性： 实现安全启动和设备身份认证需要专业的知识和技能。
标准化： 目前，物联网安全标准尚未统一，不同厂商的硬件安全模块可能存在兼容性问题。

未来，随着物联网技术的不断发展，硬件信任根将发挥越来越重要的作用。通过不断完善安全标准、降低硬件成本、简化开发流程，可以更好地利用硬件信任根来保护物联网设备的安全。

总而言之，基于硬件信任根的物联网设备身份认证是构建安全可靠物联网生态系统的基石。通过深入理解和应用安全启动、设备唯一标识等技术，开发者可以显著提升物联网设备的安全性，有效应对各种安全威胁。