汽车网络安全：TEE是否能够取代HSM？

随着越来越多的设备接入网络，对关键资产的安全性防护需求也在增加。以往，这些都由硬件安全模块 (HSM)提供，但在过去十年中，可信执行环境(TEE)的使用显着增长。本文旨在让读者了解这两种解决方案之间的区别以及它们对不同场景的适用性。

HSM和TEE

通常，HSM为其他应用程序提供密钥管理和加密功能。

TEE还提供让应用程序（或应用程序的安全相关部分）在其隔离环境中执行的功能。

比如在Android的移动设备中，通过使用提供AndroidKeyMaster功能的可信应用程序(TA)，TEE每天都在不知不觉中被数百万人当作HSM来用。

常规执行环境 (REE)是TEE社区中的术语，用于表示设备中特定TEE之外的所有内容。技术上，如果从特定的TEE角度来看，所有超出其安全边界的组件都在REE中。话虽如此，为了简化全局，具有多个TEE、SIM、HSM或其他高信任组件的设备可能会将这些从REE中独立出来。REE包含常规操作系统及其与该执行环境其余部分的组合，不具备足够的安全性来满足设备所需的任务。

HSM如何解决安全问题

在集成HSM的设备中，软件架构如下所示：

HSM为安全任务提供加密服务。

REE中的“安全”任务提供数据，HSM可以接收该数据并加密或解密该数据，然后再将其返回给REE中的任务发布者。

如何使用TEE实现？

以下是我们在支持TEE的设备中实现HSM功能：

在Android设备中，上述HSM通常由TEE中的TA代替，实现Keymaster功能和Android特定REE堆栈，而不是OpenSSL/PKCS#11。

对于上面的案例，即便在发动机控制器(ECU)中的简单的常规OS，也已专门编写通用TA以提供典型得HSM功能。

有了TEE，可以做得更好

TEE不需要像HSM那样用作固定用途的服务提供者，它也可以直接处理任务。

在这里，我们将任务移到TEE中，就可以在REE中活动无法访问的地方对未加密数据进行操作。

举个例子：

设备通常支持其他任务，例如复杂的通信协议（例如CAN总线、IP、蓝牙甚至5G）。
这些通信机制可能会或可能不会被特定的安全任务使用。
通过将安全任务放置在与该通信软件隔离的某个地方（例如，在TEE中），通信软件中的安全问题不再拖累安全任务的安全性。

一些HSM可以通过专有扩展加载代码执行，但符合GlobalPlatform的TEE使用标准化接口，使为一个TEE开发的任务能够在另一个TEE上执行。在TEE中执行的此类任务称为“受信任的应用程序”。

TEE可以做到HSM无法完成的事情

HSM不能直接保护提供传感器数据或控制执行器的I/O端口免受软件攻击，例如汽车ECU的REE。

与HSM不同，在正确设计SoC上，TEE还可以与外围设备连接。这样就可以创建一个安全的任务，安全地存放在TEE内，可用于显着增强关键任务的安全性。

我们想到了什么？

举一个汽车燃油节流阀的案例。如果ECU上的油门I/O控制端口暴露在REE软件中，那么使用HSM的REE“安全”任务带来多少安全性并不重要；如果对REE本身的安全性有很高的信心，就不会使用HSM，因此无法确信REE中的软件不会受到攻击。

如果REE容易受到攻击，这意味着受攻击的REE软件可能会未经授权访问该I/O端口，无论HSM有多好。

在TEE（就像在HSM中）中，我们没有与安全无关的软件任务的顾虑。TEE中的任务可以连接到硬件控制端口，而不会有被其他软件进行未经授权访问的风险。

如果在上面的例子中只有一个HSM，那么所能做的就是保护设备的数据流，而不是设备中的决策。有了TEE，可以两者兼得。

物理攻击：TEE和HSM

正如我们在上面看到的，使用HSM的一个问题是在发生加密之前数据通信的暴露。

这会影响软件中的数据，在HSM有机会对其采取行动之前，就可以通过损坏的REE提取或修改数据。
这也会影响硬件攻击面。

从根本上说，设备集成HSM可以使用SoC上的硬件方法来保护其密钥不被提取，这比TEE的密钥更强大。但是，将数据传输到HSM通过这些密钥进行保护的方法并没有比TEE更强，而且可能要弱得多。

考虑以下与PCB连接的HSM与典型的TEE对比，后者将使用堆叠芯片（封装上的封装）来保护其更高的速度流量：

物理攻击

如上所示，更强的TEE甚至可以不使用外部RAM，而是使用SoC RAM。

TEE使用On-SoC RAM

在这种情况下，使用TEE提供传统HSM功能的好处是显着减少了未受保护数据的暴露，从而增强了平台的整体安全性。

最后，如果您担心密钥提取，无论是使用TEE还是HSM，建议设计保持较小的密钥大小。

值得注意的是，在EVITA 标准中，一些HSM类型与REE在同一个SoC上，在这些情况下，它们的硬件保护方法通常与TEE一样。

结论

在快速发展的新创新领域，例如联网汽车和机器人技术以及消费电子设备，TEE提供了一种具有成本效益且面向未来的HSM替代方案。

除了提供典型HSM功能的潜力之外，符合GlobalPlatform的TEE还可以直接保护关键任务，并具有实现关键系统无线更新的标准化方法。

从根本上说，典型的HSM是一种抗攻击加密设备，旨在由HSM设计者执行一组特定的加密功能。它在相关保护配置文件定义的范围内提供了不干扰的信任。一个标准化的TEE可以做同样的事情，而且不需要添加额外的硬件。由于TEE驻在现有的SoC集成MMU和支持TrustZone的硬件上，因此可以减少整体硬件BOM，并在移除组件时减少硬件故障的风险。

TEE的开发由GlobalPlatform等标准推动，这带来了可预测性和互操作性。这意味着OEM和第三方可以开发可信应用程序以支持不断增长的平台安全清单。

也许，TEE替代HSM的时代，不远了。关注牛喀网，学习更多汽车技术！