Microchip - Qi充電獲得亟需的安全性能提升

    新技術(shù)的出現(xiàn)受到了反對(duì)意見(jiàn)的阻礙，Qi感應(yīng)式充電技術(shù)頗費(fèi)時(shí)日才被廣泛接受。因此，雖然Qi早在2010年就已發(fā)布，但又過(guò)了五年才占據(jù)主導(dǎo)地位。自那時(shí)起，無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）對(duì)Qi進(jìn)行了重大改進(jìn)，但直到2021年初，聯(lián)盟才增加了一項(xiàng)協(xié)議，從而使支持Qi的設(shè)備制造商能夠驗(yàn)證充電器的身份及其對(duì)Qi規(guī)范的遵守情況。這項(xiàng)功能可以剔除那些可能損害甚至損毀其充電產(chǎn)品的充電器，因此無(wú)疑是Qi 1.3中重要的新特性。

    具體來(lái)說(shuō)，Qi 1.3規(guī)范要求充電器制造商必須在無(wú)線充電器中嵌入稱為“產(chǎn)品單元證書”的公鑰基礎(chǔ)架構(gòu)（PKI），以使其能夠?qū)χ悄苁謾C(jī)進(jìn)行身份驗(yàn)證。該關(guān)鍵功能通過(guò)嵌入式方式實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗捎梅€(wěn)健但基礎(chǔ)的方法來(lái)提供身份驗(yàn)證，即構(gòu)成庫(kù)的安全元件，這些元件與單片機(jī)相鄰，用于單獨(dú)存儲(chǔ)關(guān)鍵信息，與器件的主處理器隔離（圖1）。此功能會(huì)極大提高繞過(guò)安全機(jī)制的難度，并且可以使用自己專用的獨(dú)立處理能力和存儲(chǔ)器，無(wú)需任何共享資源。

    圖1. Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)要求必須進(jìn)行安全配置
    安全元件并非新鮮事物，它已在物聯(lián)網(wǎng)、信用卡、支付系統(tǒng)和加密貨幣交易等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。例如，自2009年以來(lái)，現(xiàn)在廣泛用于智能支付的近場(chǎng)通信（NFC）一直依賴于安全元件，從2019年起，幾乎所有智能手機(jī)都集成了安全元件，因此，將這項(xiàng)技術(shù)添加到無(wú)線充電中并不算為時(shí)過(guò)早。
    工作原理
    身份驗(yàn)證過(guò)程比較復(fù)雜，但此過(guò)程是在后臺(tái)進(jìn)行的，不需要人為干預(yù)且用時(shí)不到一秒。手機(jī)是接收器，它位于充電器（在規(guī)范中被稱為發(fā)射器）上。Qi 1.3規(guī)定必須進(jìn)行單向身份驗(yàn)證，這意味著發(fā)射器必須以加密方式向手機(jī)證明其可信且被識(shí)別為WPC生態(tài)系統(tǒng)的安全成員（圖2）。
    圖2. 通過(guò)CryptoAuthLib進(jìn)行單向身份驗(yàn)證
    如果沒(méi)有經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證，手機(jī)可以完全拒絕充電，更典型的情況是將接受的充電功率限制在5W而不是15W，從而導(dǎo)致充電緩慢。由于大多數(shù)智能手機(jī)同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用程序，造成的結(jié)果是用戶體驗(yàn)不佳，進(jìn)而會(huì)對(duì)充電器制造商的聲譽(yù)產(chǎn)生負(fù)面影響。
    要實(shí)現(xiàn)高效、安全的身份驗(yàn)證，還必須采用安全的生產(chǎn)流程，并結(jié)合采用可形成安全存儲(chǔ)子系統(tǒng)（SSS）（通常稱為安全密鑰存儲(chǔ)器件或安全元件）的過(guò)程。Qi 1.3使用從充電器到手機(jī)的單向身份驗(yàn)證，在此期間，充電器必須以加密方式向手機(jī)證明其可信。如果身份驗(yàn)證失敗，手機(jī)有兩個(gè)選擇：它可以將充電功率從15W降低到5W，或者拒絕充電器。
    如果更深入地研究該過(guò)程，手機(jī)將要求充電器提供證書和簽名，以驗(yàn)證其為具有私鑰的WPC產(chǎn)品，并簽署由手機(jī)發(fā)出的質(zhì)詢，證明其已獲知機(jī)密信息且不曾泄露。Qi 1.3標(biāo)準(zhǔn)要求私鑰必須由經(jīng)過(guò)的SSS存儲(chǔ)和保護(hù)。橢圓曲線數(shù)字簽名算法和私鑰都必須在同一物理安全邊界內(nèi)，以確?？尚诺纳矸蒡?yàn)證。
    SSS必須根據(jù)聯(lián)合解析庫(kù)（JIL）漏洞評(píng)分系統(tǒng)證明其保護(hù)加密密鑰的穩(wěn)健性，該系統(tǒng)于2000年代中期首次推出，用于提高智能卡的效率和安全性，現(xiàn)已成為其他許多需要安全功能的應(yīng)用的穩(wěn)健基準(zhǔn)。它側(cè)重于評(píng)估安全元件的存儲(chǔ)強(qiáng)度，以確定其達(dá)到的特定JIL級(jí)別，JIL從五個(gè)方面對(duì)性能進(jìn)行評(píng)級(jí)：
    ·破解算法所需的時(shí)長(zhǎng)
    ·攻擊者必須具備的技能水平
    ·要實(shí)現(xiàn)成功的攻擊需要對(duì)評(píng)估對(duì)象（TOE）的了解程度（在此種情況下，TOE是指充電器）
    ·獲得TOE樣片所需的難度，以及需要的樣片數(shù)
    ·成功攻擊所需的設(shè)備類型
    在充電器可供銷售之前，需要采取其他步驟來(lái)保護(hù)充電器在生產(chǎn)時(shí)所具備的信任級(jí)別，目的是消除對(duì)私鑰的暴露。要構(gòu)建可信鏈，所有私鑰都必須位于生產(chǎn)場(chǎng)地的硬件安全模塊（HSM）中或充電器的SSS內(nèi)。然后，必須確定這些私鑰的產(chǎn)生、存儲(chǔ)和構(gòu)成可信鏈的方式。這是通過(guò)WPC所謂的密鑰儀式實(shí)現(xiàn)的。完成后，現(xiàn)已通過(guò)加密方式建立了可信鏈，同時(shí)不會(huì)暴露給外部合約制造商或第三方。結(jié)果是，WPC、手機(jī)和充電器三者之間相互信任，這意味著WPC可以信任手機(jī)，反之亦然。
    生態(tài)系統(tǒng)
    由于可信鏈需要各方的參與，因此過(guò)程對(duì)參與其中的各方來(lái)說(shuō)都是十分艱巨的任務(wù)，從單片機(jī)制造商到充電器本身的制造商，均是如此。為了解決這一問(wèn)題，Microchip是率先將這一過(guò)程的所有要素結(jié)合起來(lái)的公司之一，旨在幫助設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，同時(shí)無(wú)需承擔(dān)必須依賴多個(gè)的艱巨任務(wù)。Microchip采取的方法是通過(guò)可信平臺(tái)提供公司安全元件的初始配置，以加快產(chǎn)品的上市時(shí)間。
    Microchip是一家獲得WPC許可的制造證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)，可提供預(yù)配置的安全存儲(chǔ)子系統(tǒng)解決方案，以降低復(fù)雜性并縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。此外，通過(guò)由WPC根證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)來(lái)處理整個(gè)密鑰儀式，技術(shù)門檻也得到降低。作為完整的參考設(shè)計(jì)，可信平臺(tái)包括應(yīng)用MCU、Qi 1.3軟件協(xié)議棧、具有支持加密庫(kù)的安全存儲(chǔ)子系統(tǒng)，以及面向汽車和消費(fèi)類應(yīng)用的配置服務(wù)。
    可信平臺(tái)包含一系列預(yù)先配置或完全可定制的安全元件。通過(guò)利用公司安裝在Microchip工廠內(nèi)的硬件安全模塊（HSM），可在每個(gè)安全元件的邊界內(nèi)生成憑證。這些器件還配備了硬件和軟件開(kāi)發(fā)工具，使原型設(shè)計(jì)變得輕而易舉，而且支持快速跟蹤開(kāi)發(fā)。
    總結(jié)
    對(duì)于像充電器這樣看似簡(jiǎn)單的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這一切似乎有點(diǎn)夸張，但市場(chǎng)上充斥著數(shù)百種不同的充電器，在Qi 1.3之前，從來(lái)沒(méi)有一種有效的方法可以驗(yàn)證它們是優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品還是劣質(zhì)產(chǎn)品，后者不僅可能損壞目標(biāo)設(shè)備（智能手機(jī)），還可能引發(fā)更糟糕的結(jié)果。例如，如果充電器安裝在車輛中，不當(dāng)操作不僅會(huì)影響智能手機(jī)，還會(huì)影響車輛本身的某些部分。這種安全級(jí)別由來(lái)已久，但它將惠及所有相關(guān)方，尤其是消費(fèi)者。