深入解析 SARA-R5 的端到端安全机制

u-blox 近期推出的 SARA-R5 系列 LTE-M 和 NB-IoT 模块专为低功耗广域网（LPWA）物联网应用设计，是该公司目前最先进、最安全且高度集成的蜂窝通信产品。该模块提供端到端安全保障，非常适合需要长期部署设备的物联网应用。

随着物联网的兴起，端到端安全性变得愈发重要——物联网拥有众多输入/输出节点，且包含大量部署在现场的设备。 由于联网传感器需要通过多层网络（例如局域网、蜂窝网络和互联网服务提供商）与服务器交换数据，因此存在大量入口点，恶意攻击者可能通过这些入口点侵入整个系统。

为防止个人数据被盗、联网设备被劫持及其他安全风险，解决方案必须对用户进行身份验证、安全存储个人数据、验证交易，并确保用户安全不受侵害。

端到端的物联网安全至少应包括：
•    设备完整性。设备与服务器之间的相互身份验证。
• 消息完整性。设备与服务器之间传输的消息应安全发送，确保其不会被篡改或更改。
• 消息保密性。消息应进行加密，确保只有被授权接收的一方才能读取。

正如 u-blox 产品中心负责人 Andreas Thiel 所言：“通过在 UBX-R5 芯片组内的独立安全元件中集成基于硬件的信任根，我们为从芯片到云端的稳健安全通信铺平了道路。 该安全元件符合 EAL5+高级别通用标准认证，这使得 SARA-R5 成为保护敏感资产和通信的理想选择。”

安德烈亚斯·蒂尔的评论中包含一些加粗的短语（由我强调），这些表述看似直白，却比大多数不涉足物联网安全领域的外行所想象的更为深奥。请允许我花几分钟时间，试着更精确地定义这些术语。
 
信任根（RoT）是一项被严格保密的密钥，其安全性不会危及整个系统的安全。它包括用于存储系统关键密钥的安全场所、安全进程，以及对内部和外部实体的扩展信任。 信任根是一组必须按预期运行的功能，其运行不受任何其他进程的影响，因为如果没有它们，就无法相信（或信任）平台报告的任何内容。

信任根的构成要素需满足一系列通用要求。这些要求非常多：
• 它必须执行一项或多项经过验证的加密功能。
• 它必须具备某种形式的防篡改保护。
•    其安全 CPU 必须运行安全软件/固件。来自外部的代码在安全 CPU 上运行前需经过验证。例如，可通过使用仅由“信任根”可访问的专用 ROM 来实现这一点。
• 包含一个安全时钟，供需要可靠时间测量的应用程序使用。
•    其存储必须是安全的。
• 成功完成身份验证和密钥交换协议后，即可进行安全通信。
• 在 SoC 上电和运行期间，可进行安全监控，以确保组件及其相互作用均正常运行。 任何插入恶意指令的尝试都应导致“信任根”向主机发出通知。
• “信任根”必须无论执行何种软件都能正常工作，才能免受软件攻击。

安全元件可视为“信任根”的物理体现。安全元件能够执行加密、解密、真随机数生成和验证等加密功能。 它必须具备极强的抗物理攻击能力，且无法被读取或伪造。安全元件出厂时已预先编程并个性化配置了唯一标识符和密钥，以便与主机MCU进行交互。将信任根嵌入设备中最安全的方式是将其置于基于硬件的安全元件中，SARA-R5模块便是如此。

SARA-R5 模块还提供预共享密钥（PSK）管理系统。在密码学中，预共享密钥（PSK）在使用前需通过某种安全信道在双方之间共享。该密钥的特性由使用它的系统决定。为了确保安全性，预共享密钥必须足够长且具有随机性。 过短或可预测的预共享密钥极易在暴力破解攻击中被攻破。管理员还必须记得定期更新预共享密钥，以维持高水平的安全性。

密钥管理将密钥材料保存在硬件“信任根”中。密钥管理系统将密钥材料保存在“信任根”内，并在需要时能够在服务器端推导出相同的预共享密钥。仅允许间接访问这些密钥，且该访问由应用层的权限和策略进行管理。

通用标准。芯片的唯一序列号、 MAC 地址、设备地址、私钥和公钥对共同构成了其“身份”，这些信息被整合为一份身份文件——即设备的“证书”，该证书由受信任的认证机构签署，例如符合《信息技术安全评估通用标准》（CC）的机构，该标准是推动安全 IT 产品相互认可的重要驱动力。 CC及其配套的《信息技术安全评估通用方法》（CEM）是国际协议《通用标准互认安排》（CCRA）的技术基础。

SARA-R5 模块非常适合用于传输关键和机密信息的设备。 得益于离散的、基于硬件的安全元件和轻量级的预共享密钥管理系统，u-blox 提供了最先进的安全性，非常适合物联网应用，包括数据加密和解密、防克隆以及安全的芯片间通信。