Wi-Fi 連接是許多物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備的關(guān)鍵要求，也是黑客們最喜愛的攻擊目標。薄弱的安全措施會導致設(shè)備在持續(xù)的網(wǎng)絡(luò)通信過程中容易遭到入侵。更糟糕的是，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有可能在其生命周期的早期，即設(shè)備嘗試加入受信任的網(wǎng)絡(luò)時，便淪為攻擊的犧牲品。

利用 Texas Instruments 的雙核無線 MCU，工程師可以輕松地增強物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在其整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的安全性，并支持多層端到端安全策略。

安全組件

要保證任何系統(tǒng)的安全性，都采用需要多層方法。盡管在諸多安全措施中，數(shù)據(jù)加密是最容易想到的，但它只是穩(wěn)健安全策略的一個方面。類似中間人攻擊的黑帽子方法在經(jīng)加密的數(shù)據(jù)交換開始之前很早便已在利用任何可能的漏洞。事實上，安全的主機會對客戶端進行驗證，確保只有經(jīng)授權(quán)的用戶、設(shè)備或其他系統(tǒng)才能獲得訪問權(quán)。反過來，這些客戶端也會對主機進行驗證，以確認其身份。

這種雙向驗證居于安全應用的核心位置，但它最終依賴于更基礎(chǔ)的機制和策略。首先，密鑰和既有的信任根是任何安全應用的基礎(chǔ)構(gòu)件。在互聯(lián)網(wǎng)上常用的公鑰基礎(chǔ)架構(gòu) (PKI) 中，與私人密鑰配對的公鑰提供了必不可少的實體身份驗證。X.509 證書標準在更廣泛的上下文中封裝了建構(gòu)在證書鏈之上且記錄了身份的實體公鑰，為應用提供了扎實可靠的信任根。

密鑰、加密、X.509 證書和信任根的使用是構(gòu)建安全應用的必要而充分的條件?；谶@些組件構(gòu)建關(guān)鍵系統(tǒng)，并增加中間件和應用級安全協(xié)議，便可滿足苛刻的安全要求。但對于大多數(shù)應用而言，開發(fā)人員只需使用上述組件和某些最佳操作實踐（例如啟動和無線 (OTA) 更新）便能鎖定安全性。

而且，甚至這些“基本”安全組件就代表了其自身的復雜機制和策略組合。對于產(chǎn)品經(jīng)理，創(chuàng)建復雜的安全組件與專注于應用的差異化功能之間很快就會出現(xiàn)沖突。這種情況下安全措施往往會退居其次，因為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員很少有時間來獲取與精英黑客針鋒相對所需要的知識或經(jīng)驗。Texas Instruments 無線 MCU 提供了讓上述二者公平競爭的單一器件。

無線 MCU

TI 的無線 MCU 中有一個 CC3220 雙核器件，其中包括一個 ARM

除了安全連接以外，該 MCU 還提供了大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應用所需的全套外設(shè)和連接接口。該器件提供了一個四通道 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、四個采用 16 位脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 的定時器、看門狗定時器，以及全套接口，包括多達 27 個 GPIO、8 位并行相機、安全數(shù)字 (SD) 卡、SPI、I2C 和 UART 端口，以及 JTAG、cJTAG 和串行線調(diào)試 (SWD) 接口。

對開發(fā)人員而言，在復雜的設(shè)計中使用此器件非常簡單。工程師可在相對簡單的設(shè)計中，利用該器件的多個接口選擇來運用其廣泛的功能（圖 1）。TI 通過其 CC3220S LaunchXL LaunchPad 和 CC3220SF LaunchXL LaunchPad 開發(fā)套件進一步簡化了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計實施。除了硬件評估板以外，這些套件還包括一個完整的參考設(shè)計，其中包含了硬件原理圖、軟件開發(fā)套件 (SDK) 和示例軟件。

圖 1：用于 CC3220 無線 MCU 的 TI LaunchPad 開發(fā)套件提供了一套完整的物聯(lián)網(wǎng)評估系統(tǒng)，其中包括硬件參考設(shè)計和用于實現(xiàn)安全連接的軟件。（圖片來源：Texas Instruments）

安全連接

CC3220 具備全套片載外設(shè)，設(shè)計要求簡單，更像是一種專為像物聯(lián)網(wǎng)這樣的嵌入式應用而設(shè)計的集成式 MCU。但與其他高度集成的 MCU 不同，CC3220 針對各種各樣的必要安全組件提供了片上支持，以幫助確保物聯(lián)網(wǎng)應用中的端到端安全性。除了用于實現(xiàn)安全驗證和會話安全性的功能以外，該器件的安全機制還能針對所有三種數(shù)據(jù)狀態(tài)提供保護：適用于“靜態(tài)數(shù)據(jù)”的安全存儲；適用于“使用中數(shù)據(jù)”的防篡改和其他運行時安全措施；以及適用于“傳輸中數(shù)據(jù)”的安全交換（圖 2）。

圖 2：在 TI CC3220 MCU 中，網(wǎng)絡(luò)處理器的固件利用集成的安全硬件來支持各種端到端安全性，覆蓋加密存儲、安全 Wi-Fi 訪問，甚至是嵌入式安全 Web 服務(wù)器。（圖片來源：Texas Instruments）

CC3220 MCU 也不同于許多旨在提供低層次安全機制（例如加密和驗證）的 IC。該 TI MCU 基于如安全存儲和硬件加速加密之類集成功能構(gòu)建而成，可提供全套更高層次的服務(wù)，甚至包括嵌入式服務(wù)器。例如，該器件使用標準傳輸層安全 (TLS) 協(xié)議支持多達 6 個安全套接字，并使用這些套接字提供嵌入式 HTTPS 服務(wù)器。為實現(xiàn)安全的驗證和數(shù)據(jù)交換，該器件的信任根證書目錄提供了一種機制，來幫助確保與其他受信任主機和客戶端的交互。在更廣泛的層面上，開發(fā)人員還可以使用該器件為建立信任鏈的關(guān)鍵進程構(gòu)建 TI 信任根。

TI 的 SimpleLink MCU 軟件開發(fā)套件 (SDK) 通過一個 API 提供了這些功能，該 API 將受硬件或固件支持的詳細功能抽象為若干簡單的調(diào)用。例如，開發(fā)人員可通過調(diào)用一個 API 例程連接到網(wǎng)絡(luò)：

sl_WlanConnect(access_point_name, name_length, MAC_address, security_parameters, optional_enterprise_parameters)

并將 security_parameters 設(shè)為器件所支持的標準 Wi-Fi 安全協(xié)議之一。

完成連接后，器件可以同樣輕松地提供其更高層次的服務(wù)。例如，開發(fā)人員可使用一個簡單的調(diào)用啟動內(nèi)部 HTTP 服務(wù)器：

sl_NetAppStart(SL_NETAPP_HTTP_SERVER_ID)。

除了 SL_NETAPP_HTTP_SERVER_ID 之外，其他保留的位圖 ID 將會啟動用于 DHCP（動態(tài)主機配置協(xié)議）、DNS（域名服務(wù)器）和 mDNS（多播 DNS）的嵌入式服務(wù)器。

類似地，開發(fā)人員可使用簡單的 API 調(diào)用來運用芯片內(nèi)集成的基本安全機制。例如，CC3220S 和 CC3220SF 變體均支持將數(shù)據(jù)作為加密文件存儲在閃存中的增強文件系統(tǒng)（圖 3）。這些 MCU 以透明的方式對數(shù)據(jù)進行動態(tài)加密和解密，并且僅允許通過 API 進行訪問。當在開發(fā)期間或在運行時創(chuàng)建了安全文件時，MCU 會創(chuàng)建四個不同的令牌，分別代表不同的訪問權(quán)限：完全訪問權(quán)（主令牌）、讀/寫訪問權(quán)、只寫訪問權(quán)和只讀訪問權(quán)。

圖 3：TI 的 CC3220S 和 CC3220SF 提供了擴展的安全功能，包括閃存上的安全文件存儲，以及包括鎖定 JTAG 和調(diào)試端口的功能在內(nèi)的擴展型調(diào)試安全性。（圖片來源：Texas Instruments）

開發(fā)人員通過 API 調(diào)用（類似于面向文件的傳統(tǒng)操作）使用此安全功能，只需一個用于相關(guān)安全令牌的額外參數(shù)。如列表 1 所示，開發(fā)人員將 API 調(diào)用 (sl_FsOpen) 與用于指示應創(chuàng)建安全文件的標志配合使用，創(chuàng)建了一個新文件。后續(xù)打開該文件的調(diào)用需要使用提供的令牌 (MasterToken)。要實現(xiàn)更精細的訪問控制，開發(fā)人員可使用 API 調(diào)用 (sl_FsGetInfo) 來讀取在文件創(chuàng)建期間創(chuàng)建的所有四個令牌。

char* DeviceFileName = "MyFile.txt";

unsigned long MaxSize = 63 * 1024; //62.5K is max file size

long DeviceFileHandle = -1;

_i32 RetVal; //negative retval is an error

unsigned long Offset = 0;

unsigned char InputBuffer[100];

_u32 MasterToken = 0;

// Create a file and write data.The file in this example is secured, without signature and with a fail safe commit

//create a secure file if not exists and open it for write.

DeviceFileHandle = sl_FsOpen(unsigned char *)DeviceFileName,

SL_FS_CREATE|SL_FS_OVERWRITE | SL_FS_CREATE_SECURE | SL_FS_CREATE_NOSIGNATURE | SL_FS_CREATE_MAX_SIZE( MaxSize ),

&MasterToken);

Offset = 0;

//Preferred in secure file that the Offset and the length will be aligned to 16 bytes.

RetVal = sl_FsWrite( DeviceFileHandle, Offset, (unsigned char *)"HelloWorld", strlen("HelloWorld"));

RetVal = sl_FsClose(DeviceFileHandle, NULL, NULL , 0);

// open the same file for read, using the Token we got from the creation procedure above

DeviceFileHandle = sl_FsOpen(unsigned char *)DeviceFileName,

SL_FS_READ,

&MasterToken);

Offset = 0;

RetVal = sl_FsRead( DeviceFileHandle, Offset, (unsigned char *)InputBuffer, strlen("HelloWorld"));

RetVal = sl_FsClose(DeviceFileHandle, NULL, NULL , 0);

列表 1：SimpleLink SDK API 能夠使用熟悉的傳遞令牌（如 MasterToken）或標志（如用于創(chuàng)建安全文件的 SL_FS_CREATE_SECURE）的文件訪問調(diào)用，讓開發(fā)人員訪問穩(wěn)健的安全功能，如安全文件訪問。（代碼來源：Texas Instruments）

簡化配置

在開發(fā)期間，全面的片載安全功能集大幅加快了創(chuàng)建更堅固耐用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的速度。但在網(wǎng)絡(luò)部署期間，如果物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無法輕松連接到現(xiàn)有的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)，則大型物聯(lián)網(wǎng)應用的推出可能嚴重滯后于計劃。

在針對 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的典型配置過程中，用戶為設(shè)備配置加入網(wǎng)絡(luò)所需的網(wǎng)絡(luò)名稱和安全憑據(jù)。在這一關(guān)鍵階段，設(shè)備設(shè)置和初始化中出現(xiàn)的錯誤步驟可能導致設(shè)備無法連接或讓設(shè)備容易遭受攻擊。對用戶而言，無論設(shè)備的操作功能如何，無法連接的設(shè)備都會被視為失敗，而且已被隱蔽侵入的設(shè)備將成為入侵用戶的整個設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的方便之門。

相比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備配置可能面臨更為嚴峻的困難。只有很少的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備包含用于提供配置信息的本地顯示屏和鍵盤輸入選件。使用像使用藍牙、NFC，甚至 USB 這樣的帶外方法提供此信息在成本上可能不允許，而且會增加設(shè)計的復雜度。最后，大型物聯(lián)網(wǎng)應用中過多的設(shè)備數(shù)量可能導致傳統(tǒng)的配置方法不切實際。相反，將相同的 Wi-Fi 介質(zhì)同時用于配置和普通操作，則提供了一種極具吸引力的解決方案。

但在實踐中，Wi-Fi 配置存在自身的邏輯和安全挑戰(zhàn)。為簡化用戶的這一步驟，無線業(yè)界針對諸如 Wi-Fi 安全設(shè)定 (WPS) 之類標準進行了演進。有了 WPS，用戶可輸入一個個人識別碼 (PIN) 或按下一個按鈕（按鈕連接，或 PBC）。

WPS PIN 機制中發(fā)現(xiàn)的零日安全缺陷曾令多數(shù)采用這種方法的用戶大失所望。相反，一種被稱為 AP 模式的流行方法則使用設(shè)備的無線連接向用戶收集安全憑據(jù)。這種情況下，設(shè)備將臨時充當 Wi-Fi 接入點，建立一個專用網(wǎng)絡(luò)。用戶使用其移動設(shè)備連接到此網(wǎng)絡(luò)，時間長度足夠上傳安全憑據(jù)即可。完成此配置步驟后，設(shè)備將切換至站模式并使用新提供的憑據(jù)訪問無線網(wǎng)絡(luò)。

TI 為這些標準配置機制補充了自己的名為 SmartConfig 的專有機制。采用此方法時，用戶只需將網(wǎng)絡(luò)名稱 (SSID) 和密碼加載到其移動設(shè)備一次即可。附近的任何物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以主動掃描檢測安全的 SmartConfig 廣播，并自動加載廣播中包含的經(jīng)加密的配置信息（圖 4）。

圖 4：在完整的 TI SmartConfig 流中，用戶將輸入配置信息，從其移動設(shè)備激活 SmartConfig 廣播，然后依靠物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動查找 SmartConfig 配置數(shù)據(jù)。（圖片來源：Texas Instruments）

完成后，基于 CC3220 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可使用其嵌入式 Web 服務(wù)器來通知用戶，或直接將其狀態(tài)上傳到基于云的配置日志。利用此方法，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員可提供無需介入的配置過程，讓信任的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備找到自己的方法加入安全物聯(lián)網(wǎng)應用網(wǎng)絡(luò)。

盡管 SmartConfig 有著明顯的優(yōu)勢，但配置方法的選擇可能還取決于其他多種因素，這些因素可能要求使用更傳統(tǒng)的機制甚至多種方法的組合。TI CC3220 無線 MCU 通過支持多種配置方法提供了需要的靈活性。除了 AP 方法和 SmartConfig 以外，該器件還允許開發(fā)人員采用組合 AP 與 SmartConfig 的混合方法。這種情況下，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可掃描檢測 SmartConfig 廣播并響應與用戶之間的 AP 類型的交互，或在 SmartConfig 配置失敗的情況下自動切換至 AP 模式（同樣參見圖 4）。

在其支持的任何配置方法中，網(wǎng)絡(luò)處理器都會處理包括偵聽 SmartConfig 廣播和加載 SSID 及安全憑據(jù)在內(nèi)的所有進程方面。主機的參與僅限于使用單一命令 WlanProvisioning：

_i16 sl_WlanProvisioning(_u8 ProvisioningCmd, _u8 RequestedRoleAfterSuccess, _u16 InactivityTimeoutSec, char *pSmartConfigKey, _u32 Flags);

ProvisioningCmd 來啟動或（停止）該進程。如此一來，便會允許主機采用受支持的 CC3220 配置方法開始配置，或停止配置進程。以下詳細說明此命令：

RequestedRoleAfterSuccess 指示物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在成功配置后應切換至站模式還是 AP 模式。

InactivityTimeoutSec 指示設(shè)備何時應自動停止不完整的配置進程。

pSmartConfigKey 提供用于在移動端加密配置憑據(jù)并在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端為其解密的安全密鑰。

Flags：它提供了在進程中使用的具體配置細節(jié)。

最后，該調(diào)用將返回 STATUS_OK 或各種診斷錯誤消息。

在此進程的移動端，TI 在一組適用于 Java、Android 和 iOS 的庫中提供了其 SmartConfig API，以便開發(fā)人員在移動應用中嵌入配置進程。與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備端一樣，移動應用使用單一命令和 TI SmartConfig 類對象啟動 SmartConfig 廣播（列表 2）。

try {

smartConfig = new SmartConfig(smartConfigListener, freeData, passwordKey, paddedEncryptionKey,gateway, SSID, (byte) 0, "");

} catch (SocketException e) {

Log.e(TAG, "Failed to create instance of smart config");

return;

}

列表 2：移動應用開發(fā)人員只需調(diào)用一次 TI SmartConfig 庫就能在其智能手機或其他移動設(shè)備中調(diào)用 SmartConfig 配置。（代碼來源：Texas Instruments）

總結(jié)

對物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員而言，安全的 Wi-Fi 連接和配置可能存在諸多挑戰(zhàn)，既包括設(shè)計成本和復雜性，也包括最終部署。過去，由于上述挑戰(zhàn)，開發(fā)人員被迫在應用功能與安全性之間做出艱難取舍。

TI CC3220 無線 MCU 憑借其嵌入式安全連接功能，可大幅簡化設(shè)備的設(shè)計和部署，使其能夠在物聯(lián)網(wǎng)應用中支持穩(wěn)健的端到端安全性。