安全认证的重要性 如何实施有效的安全认证方法

当前，数字安全是电子设计领域最热门的话题之一。对于许多工程师，当提到安全性时，脑海中闪现出的第一个词可能就是加密。可能只有极少数人会想到安全认证。

然而，安全认证是安全器件或交易的基础功能。我们以家庭银行为例。显然，您希望余额和账号等保密信息能够加密，此时，您的网络浏览器上会显示一个小锁标识以及“https://”。也就是说，网络浏览器在建立安全连接时，第一件事情就是检查银行站点的真实性；换句话说，就是要对银行站点进行安全认证。实际上，如果将登录和密码信息发送到钓鱼网站，危害性非常大，因为这些凭据可被进一步重用，以银行账户持有人的名义执行未经授权的交易，而实际持有人却毫不知情。通过TLS/SSL协议，一般能够实现安全的互联网浏览，确保真实性和保密性。

安全认证对于物联网(IoT)应用也非常重要：不可信的终端可能会将整个基础设施置于危险之中。我们以连接到配电系统的智能电表为例。对于要破坏电网的攻击者，一种简单方法是将病毒或恶意软件加载到智能电表。然后被干扰的电表会向基础设施发送假消息，反应出的功耗与实际功耗相差非常大。电网将会出现不平衡；更坏情况下，攻击可能触发全网断电。为了避免这种情况，必须检验电表硬件和固件的真实性。对固件进行安全认证的过程称为安全引导。

现在我们已经理解了安全认证的重要性，接下来我们讨论如何实施。最简单的安全认证方法是使用密码。在智能电表的例子中，设备可向电网控制系统发送密码。服务器验证密码，然后再授权执行下一步。虽然这种方法非常容易理解，但并不是最好的方法。攻击者很容易监听通信、记录密码，然后用其来对非真实的设备进行安全认证。所以，我们认为基于密码的安全认证方法比较薄弱。

数字领域执行安全认证的更好方法是质询-应答方法。我们来看看两种方式的质询-应答方法：一种基于对称加密，另一种基于非对称加密。

对称加密安全认证依赖于共享密钥。主机和被认证设备持有相同的密钥。主机向设备发送一个随机数，即质询。设备计算一个数字签名，该签名是密钥和质询的函数，并发送回主机。主机执行相同的运算并对结果进行比较。如果两项计算结果一致，则设备通过安全认证(图1)。为了确保结果不被模仿，必须使用数学属性足够的函数；例如必须保证不可能通过计算结果获得密钥。SHA-256等安全散列函数满足这些要求。对于质询-应答方法，设备在不泄露密钥的情况下证明自己知道密钥。即使攻击者拦截通信，也无法接触到密钥。

图1. 基于对称加密的安全认证依赖于主机和设备之间的共享密钥。

基于非对称加密的安全认证依赖于两个密钥：私钥和公钥。只有被认证的设备知道私钥，而公钥可透露给希望对设备进行安全认证的任何一方。与上文中讨论的方法一样，主机向设备发送质询。设备根据质询和私钥计算数字签名，并将其发送给主机(图2)。但此时，主机使用公钥对数字签名进行验证。用于计算数字签名的函数拥有特定数学属性至关重要。非对称方法中最常用的函数是RSA和ECDSA。同样，设备也在不泄露密钥情况下提交了自己知道密钥的证明，即私钥。

图2. 非对称密钥安全认证依赖于公钥和私钥。