MCUセキュリティの2回目は、Arm TrustZoneについて解説します。前稿解説のセキュアブートは、MCU起動ソフトウェアの信頼検証を行います。Arm TrustZoneは、MCU実行中ソフトウェアの改ざん防御技術です。
TrustZoneもベンダやMCU毎にその実装が大きく異なりますので、TrustZone基本知識を解り易く説明後、実装例を示します。
※TrustZoneはセキュアブートも包含します。本稿はセキュアブート以外の内容を解説し、Summaryでまとめます。
Arm TrustZone基本
セキュアブート同様、Arm TrustZone（以下TrustZone）も専用ハードウェアで実行中MCUソフトウェアの改ざん防御やセキュリティ確保を行います。
TrustZoneは、気密性の高いデータ保存や重要周辺回路、処理ソフトウェアを保存する「セキュア領域」と、それ以外の「ノンセキュア領域」にMCUハードウェアを分離します。そして、ノンセキュア領域のソフトウェアは、予め決めた手続きに従わないと、セキュア領域へのアクセスができません。
つまり、ノンセキュアソフトウェアのセキュア領域直接アクセスが禁止です。これにより、セキュア領域の改ざん防御とセキュリティを確保します。
セキュア領域は、暗号鍵や機密データ、割込みハンドラなどの重要ソフトウェアを保存します。
ノンセキュア領域は、通常の周辺回路やアプリケーションソフトウェアを保存します。
TrustZoneセキュリティ違反検出時は、セキュリティ例外処理を実行します。この処理内容は、システム設計や実装により大きく異なります。例えば、MCU動作停止やセーフモードでの最小機能動作、ネットワーク経由での違反内容通知などがあります。
このようにTrustZoneは、様々なセキュリティレベルに柔軟に対応可能です。TrustZone対応Arm Cortex-Mコア一覧が下記です。Cortex-M33など新しい設計のArmv8-M MCUコアは、TrustZone内蔵です。
※Cortex-M7は、MPUで設計も古いためTrustZoneなし。TrustZone MPUは、Cortex-A35など。
TrustZone実装例
前章でTrustZoneの基本を解説しました。しかし、実際のTrustZoneは、もっと複雑です。
例えば、STマイクロ）STM32L5/U5 MCU（Cortex-M33コア）のTrustZoneウェビナー資料が、コチラからダウンロードできます。
I2C/SPIへのハッカー攻撃例（P10）とその防御（P11）、TrustZone分離例（P20）、セキュリティ違反検出方法（P21～23）、TrustZone初期設定フロー（P29）などが示されています。
また、TrustZoneにJTAGポート無効化やMCUパッケージ開封検出（タンパ検出）などの複数セキュリティ機能を重ね、セキュリティレベルを上げていることも判ります（P17）。
この実装例は、Secure User Memory（P15）格納の暗号鍵を使ってセキュアブート後、I2Cデバイス制御とSPI無線通信制御を重要ソフトウェアセキュア領域へ格納、ハッカー攻撃などセキュリティ違反検出時でも、これらセキュアソフトウェア処理は継続、かつ、セキュリティ違反検出内容を外部無線通知するMCUアプリだと推測します。
※ウェビナー資料でファームウェアと記述の箇所は、本稿のソフトウェアと解釈してください。
TrustZone開発の難しさ
TrustZoneを使うMCU開発は、通常開発に加え、
- 想定攻撃、脅威は何か
- セキュリティ違反の例外処理をどうするか
- 例外処理デバッグはどう行うか
- セキュア領域の重要ソフトウェア、周辺回路は何か
- セキュア/ノンセキュア分離アプリの同時開発
など、多くの課題があります。また、セキュア/ノンセキュア分離前の通常アプリにバグが無いことも必要です。さらに、セキュリティ対策効果とリスク、開発コストに対し、費用対効果を顧客と相談する必要もあります。
TrustZone MCU開発は、高度なスキルが必要になると思います。
Summary：Arm TrustZone基本知識
組込み開発基本のキとして、MCUハードウェアをセキュア領域とノンセキュア領域に分離し、ノンセキュアソフトウェアのセキュア領域直接アクセスを禁止することで、実行中のセキュア領域ソフトウェア改ざん防御とセキュリティ確保を行うArm TrustZoneの基本を示しました。
TrustZoneセキュリティ違反検出時は、セキュリティ例外処理を実行します。この例外処理内容は、システム設計や実装により大きく異なります。このセキュリティレベル多様性理解には、TrustZone基本知識が重要です。
前稿解説セキュアブートは、MCU起動ソフトウェア信頼性の検証を行います。セキュアブートとTrustZoneの併用で、起動/実行中のソフトウェア改ざん防御とセキュリティ確保ができます。TrustZoneが、セキュアブートを包含する理由がこれです。
Afterword1：自転車ロードレース競技中のハッキング
ワイヤレス技術利用制御系の潜在的脆弱性攻撃例が、コチラにあります。350ドル程度のソフトウェア無線機HackRFやRaspberry Piなどでも攻撃可能だそうです。本稿のTrustZone実装例が対策に使われたのかもしれません。ハッキング検出時でも、簡単に動作停止できない（しない）事例です。
Afterword2：MCUセキュリティまとめ
セキュアブートとTrustZoneから、MCUセキュリティを俯瞰したのが下記です。
- 攻撃対象ソフトをRoot of Trust（RoT）ハードで守るのがMCUセキュリティ
- RoTハードでセキュリティ違反検出、例外処理ソフトで違反処理
- セキュリティ実装はアプリや運用で大きく変わる。開発費用対効果の検討必須
- Armv8-M以後の新しいMCUコアにRoT TrustZone内蔵
費用対効果には、セキュリティ全般知識も必要です。これは、セキュリティ実装開発とは別次元の難しい課題です。対策は、AI PCを使ったセキュリティコンサルタント育成などでしょうか？
ブログ右上検索窓へ「基本のキ」と入力し検索すると、様々なMCU開発者向け基本知識が得られます。ご活用ください。