计算机研究与发展

作者：芮志清,梅瑶,陈振哲,吴敬征,凌祥,罗天悦,武延军,

关键词：可信计算, 物联网安全, 安全启动, SM9国密算法, RISC-V,

开源RISC-V指令集为我国建立自主可控物联网生态提供了重大机遇.然而，物联网设备通常缺乏硬件加固措施，容易遭受物理级的固件篡改攻击，因此保障固件完整性以提高设备安全性至关重要.为此，已有基于安全启动技术的初步探索，但仍存在3个问题：1）传统软件信任根难以保证物理级可靠性；2）主流硬件级安全启动技术被国际芯片厂商掌握，技术未公开且不支持国密算法，无法保证安全自主可控；3）已有基于RISC-VCPU的安全启动研究缺乏对上层固件的校验机制.为解决上述3个问题，首次设计并实现基于国密SM9算法的RISC-V安全启动机制——SeChain.具体而言：1）在RISC-VSoC内部增加了签名计算单元（signaturecalculationunit，SCU），实现密钥对生成与签名；2）增加了密钥验证单元（keyverificationunit，KVU），实现验证算法的片内执行及固件完整性验证；3）设计实现基于验证引导的多级安全启动机制，从不可篡改的硬件信任根出发，逐级完成引导程序的完整性校验.基于上述设计，SeChain实现了信任根的不可篡改和安全可信，构造了一个可信的安全启动链，基于国密SM9算法为设备的安全启动和可信执行提供可靠保障.为了验证SeChain的有效性、高效性和可靠性，基于VexRiscvCPU在FPGA硬件平台完成了SeChain仿真验证实验.实验结果表明，SeChain能够有效抵御各类固件篡改攻击，并能对抗信任根攻击，且平均额外时间开销不超过6.47s.SeChain适用于资源受限的IoT设备，在满足安全可信启动的同时，能为国产RISC-V生态的安全自主可控提供有力保障.

来源：2024年第6期

《计算机研究与发展》期刊编辑部

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