該標準概括了保護固件的三大關鍵原則：
? 保護? –?? 通過阻止對組件SPI存儲器的保護區(qū)域實施未經(jīng)授權的寫入或者清除全部或部分固件的惡意行為，從而確保組件的固件處于穩(wěn)定狀態(tài)。在有些情況下，甚至對保護區(qū)的讀取的操作也是禁止的。
? 檢測 – 在組件的處理器從固件啟動之前，可以先驗證來自原始設備制造商的固件更新包。若檢測到固件有破壞或未經(jīng)授權，則啟動恢復過程。
? 恢復 – 若檢測到固件被篡改或被破壞，處理器將從上一個可信固件版本（即“黃金鏡像”）啟動，或者通過可信進程獲得新的固件，啟動全系統(tǒng)的恢復。
PFR需要基于硬件的可信根
根據(jù)NIST的這一標準，實現(xiàn)安全的PFR功能需要可信根（RoT）器件對服務器的固件執(zhí)行保護、檢測和恢復操作。符合NIST標準的RoT器件必須在啟動之前、且不借助任何其他外部組件的情況下對其固件進行以上操作。
硬件RoT解決方案必須擁有以下特點：
? 可擴展?? – RoT器件必須通過外部SPI鏡像實現(xiàn)保護、檢測和恢復功能，同時具備毫微秒級響應速度。這需要專用處理和I/O接口，保證服務器的性能不受影響。
? 不可繞過 – 未經(jīng)授權的固件不能繞過RoT器件，從而無法從受損的固件啟動服務器。
? 自我保護?? – RoT器件必須動態(tài)地應對不斷變化的攻擊面（設備或系統(tǒng)中未經(jīng)授權的用戶可以訪問的所有節(jié)點），保護自身免受外部攻擊。
? 自我檢測 – RoT器件必須能夠使用不可繞過的加密硬件模塊檢測未授權的固件。
? 自我恢復 – 當設備發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權的固件時，RoT器件必須能夠自動切換到上一個黃金固件映像，確保服務器繼續(xù)運行。

圖 2：NIST SP 800-193標準：平臺固件保護恢復

如圖3所示，RoT器件首先上電，并通過加密方式檢查所有組件的固件，以及是否有未經(jīng)授權的修改。若RoT器件檢測到任何破壞，則啟動可信固件恢復過程。在極端情況下，若電路板上的所有固件全部受損，RoT器件還可以利用存儲在該器件中的可信固件進行全系統(tǒng)恢復（通過BMC）。BMC從可信固件啟動后，從系統(tǒng)外部取得已知可?????? 信的固件替代被破壞的固件版本。RoT器件隨后再次驗證所有固件，然后啟動電路板的上電程序，在此過程中板上所有組件都將上電，并強制從已知的完好固件鏡像中啟動，最后開始正常工作。
為保證SPI存儲器不再遭受入侵，RoT將主動監(jiān)測SPI存儲器和對應處理器之間的所有活動，發(fā)現(xiàn)惡意更新固件的行為后，阻止安裝更新。
實現(xiàn)符合NIST標準的PFR解決方案
PLD上實現(xiàn)可信根的難點在于，實現(xiàn)方案的同時不給原始設備制造商帶來過大的負擔?？尚鸥布鉀Q方案（包括基于PLD的解決方案）必須可擴展，也就意味著它能夠保護服務器上的所有固件，同時響應時間達到毫微秒 級。它還要能夠使用不可修改的加密模塊，通過加密檢測來確定固件是否遭到篡改。將PFR與服務器所有組件完整的啟動時序控制功能相結合，RoT就變得不可繞過。最后，解決方案還應能夠自動切換回最近的黃金固件鏡像，以便在發(fā)現(xiàn)當前固件被破壞時服務器可以繼續(xù)運行。
按照定義，基于硬件的RoT器件自然需要在芯片中實現(xiàn)。在此情況下，最常用的芯片平臺即微控制器（MCU）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。在充分考慮到FPGA和MCU的運行特點和特性后，我們發(fā)現(xiàn)FPGA在很大程度上更適用于PFR解決方案
使用MCU實現(xiàn)可信根
MCU過去常在服務器硬件產(chǎn)品中用于構建可信根。簡單來說，就是保留MCU層的一部分為可信執(zhí)行環(huán)境。MCU 的這一部分與芯片的其他區(qū)域保持物理隔離，并持續(xù)監(jiān)控固件，確保其獲得授權并正常工作。通常來說，服務器上的PFR功能是通過向現(xiàn)有的硬件架構上添加RoTMCU實現(xiàn)的。
MCU通常難以支持驗證服務器中的多個固件實例。這是因為它無法在沒有外部設備（如PLD）的幫助下響應對服????? 務器所有固件實例的系統(tǒng)內(nèi)部攻擊（而PLD能實時監(jiān)控SPI存儲器的流量并同步檢測和響應入侵行為）。
如圖4所示，使用MCU實現(xiàn)PFR的三個組件為：
? RoTMCU– RoT MCU執(zhí)行檢測、恢復和保護功能；它是實現(xiàn)RoT的核心組件。
? 保護PLD– 通過實時監(jiān)控所有組件處理器與其SPI存儲器設備之間的活動，大規(guī)模實現(xiàn)PFR，全面保護電路板。
? 控制PLD– 該器件集成了所有電路板級的上電和復位時序功能，包括風扇控制、SGPIO、I2C緩沖、信號集成和帶外通信等啟動主板必須的功能。RoTMCU命令控制PLD為電路板上電。若需要在極端情況進行恢復，RoTMCU則命令控制PLD僅為可信恢復過程中使用的部分電路板供電。

圖 3：如果需要各組件同時啟動，那么符合PFR標準、使用MCU作為可信根的服務器還需要額外的組件（FPGA） 來提供必要的高性能；在大規(guī)模的服務器應用場景下，此種解決方案不可擴展

這種基于MCU的PFR方案有諸多限制。例如，圖4電路中使用的控制PLD無法保護自身固件，也就意味著這種架構并非完全符合NIST PFR的要求?？刂芇LD的代碼仍有可能被修改，讓RoTMCU失效。還有可能受到永久拒絕服務攻擊（PDoS），通過刪除這些PLD上的信息，讓系統(tǒng)無法運行，從而使讓服務器無法啟動。保護和控制PLD 存在的安全漏洞使得組件在運輸或者系統(tǒng)集成過程中很難防止對固件的攻擊。為了達到NIST SP 800 193標準，RoTMCU必須同時為控制PLD和保護PLD實現(xiàn)PFR功能。而使用MCU在這些器件上實現(xiàn)恢復和保護功能非常困難。最后，基于MCU的方案需要額外的系統(tǒng)級進程來檢測試圖繞過整個RoT電路的攻擊行為。
使用FPGA實現(xiàn)可信根
?

Root-of-TrustFPGA
圖 4：RoT FPGA解決方案將RoTMCU、控制PLD和保護PLD的功能集成在單個芯片上，不僅可靠、易擴展，而且不可繞過。在擁有符合PFR標準的PLD的服務器上，PLD的性能足以并行監(jiān)測所有組件的固件而無需使用額外的FPGA

基于可信根FPGA的PFR方案的優(yōu)勢
正如其名，可編程邏輯電路（PLD）是一種幾乎可以瞬時實現(xiàn)遠程重新編程的集成電路，以適應不斷變化的場景。PLD可以在硬件層面上改變其電路，因此一旦檢測到未經(jīng)授權的固件，該固件就無法安裝。
由于PLD被設計為可重新編程，因此比MCU有更多的I/O接口，這讓它們可以并行運行多個功能而非按順序執(zhí)行。 因此它們在檢測未授權固件時，識別和響應速度更快。
此外，PLD使用了先進的仿真軟件，讓工程師得以驗證其PLD設計的功能。工程師還可以使用這一工具來測試其針對各種固件的網(wǎng)絡攻擊的設計是否可以保護PLD自身。與PLD相比，MCU的固件更新需要更復雜的測試和驗證，因為MCU不能通過仿真支持功能驗證。相反，MCU固件的任何更新都必須經(jīng)過多次回歸（試錯過程）測試， 以確保新固件不會對MCU中的其他功能產(chǎn)生不良影響；這一過程遠比運行PLD仿真軟件繁瑣。
當我們對比PLD和MCU的特點時，會發(fā)現(xiàn)PLD能提供性能更優(yōu)、更為可靠的平臺實現(xiàn)基于硬件的可信根；它也成為滿足PFR標準的必要器件。
應對供應鏈攻擊：MCU vs. FPGA PFR解決方案
如果出現(xiàn)固件攻擊，兩種不同類型的PFR系統(tǒng)將采取以下應對措施（按照實施順序）：

RoT MCU

RoT FPGA

檢測：RoTMCU對所有的SPI存儲器設備按順序執(zhí)行加密檢測，以檢測是否存在未經(jīng)授權的固件。 遭受入侵的控制PLD（在供應鏈環(huán)節(jié)）可以繞過RoTMCU的檢測，讓BMC從受損的鏡像啟動。

檢測：RoT FPGA對所有的SPI存儲器設備按順序執(zhí)行加密檢測，以檢測是否存在未經(jīng)授權的固件。FPGA在 其片上非易失性存儲器中記錄故障情況用于之后的分析。RoTFPGA可保護自身免受來自供應鏈環(huán)節(jié)的攻擊。

若檢測到受損的固件，恢復過程則由管理啟動源SPI存 儲器的保護PLD，或通過控制或保護PLD啟動并由RoTMCU監(jiān)控。

基于FPGA的系統(tǒng)將此功能集成到其硬件中。RoT和ControlPLD之間不需要進行外部通信。這使得解決方案更加可靠且不再受外部攻擊影響。

服務器完全啟動后，保護PLD會主動實時監(jiān)視所有的SPI活動以阻止后續(xù)攻擊，并在檢測到入侵時通知RoT MCU。

最終的解決方案更簡單，完全符合NIST的標準。

PFR開發(fā)套件簡化FPGA可信根方案的實現(xiàn)
萊迪思現(xiàn)提供一款PFR開發(fā)套件，可簡化FPGA RoT解決方案的實現(xiàn)。服務器組件的原始設備制造商和系統(tǒng)集成商如今可以快速實現(xiàn)基于FPGA的PFR，滿足上市時間的要求。該套件包括一個軟件功能庫、相關的IP和3個開發(fā)板，用于實現(xiàn)PFR（包括保護PLD功能）。用戶可以通過Lattice Diamond軟件工具將電路板控制PLD功能添加到RoTFPGA設計中。萊迪思PFR開發(fā)套件和開發(fā)板包括：
? 一個RoTFPGA開發(fā)板
? 一塊運行Python腳本的ECP5FPGA板，用于模擬服務器的BMC。開發(fā)人員可以通過Python腳本執(zhí)行命令來模擬對組件SPI存儲器的攻擊。
? 一個PFR適配卡，用于在SPI存儲器中存儲BMC代碼。在開發(fā)板的RoTFPGA中實現(xiàn)的PFR功能可以保護PFR適配卡固件免受攻擊（意味著基于FPGA的該解決方案符合NISTPFR標準）。
萊迪思套件讓用戶能夠設計、實現(xiàn)和維護符合NIST標準的自定義PFR方案，而無需專門的安全專業(yè)知識。

圖 5：Lattice FPGA RoT開發(fā)套件擁有三塊開發(fā)板：RoTFPGA開發(fā)板，用于模擬服務器BMC的ECP5開發(fā)板和用于存儲模擬BMC固件的SPI閃存板

小結
對于涉足數(shù)字領域的企業(yè)和組織而言，網(wǎng)絡安全是個至關重要的問題。如今黑客會通過攻擊企業(yè)服務器固件來獲取未經(jīng)授權訪問服務器數(shù)據(jù)的權限，或者直接讓服務器永久癱瘓。而通過基于FPGA的RoT器件實現(xiàn)的PFR則能有效解決這一難題，提供安全可靠、容易擴展、全套完備的方案，在供應鏈的任何環(huán)節(jié)保護服務器組件的固件。全新的萊迪思PFR開發(fā)套件為加速和簡化RoT器件的開發(fā)提供了便捷途徑，確保你的服務器安全無虞。