TrustZone

TrustZone — это технология безопасности, разработанная ARM, которая встроена в архитектуру ARMv6Z и более поздние версии (включая ARMv7-A, ARMv8-A, ARMv8-M и ARMv9-A). Она обеспечивает аппаратную изоляцию между двумя различными "мирами" выполнения: Secure World (безопасный мир) и Normal World (обычный мир). Это позволяет создавать защищённые среды для выполнения конфиденциальных операций, таких как обработка криптографических ключей, аутентификация или защита данных, даже если основная операционная система (ОС) скомпрометирована.

 

Основные принципы TrustZone

1. Два мира выполнения:
   • Secure World: Используется для выполнения доверенного кода и работы с чувствительными данными. Здесь обычно работают доверенные приложения (Trusted Applications) и безопасная ОС (например, Trusted Execution Environment, TEE, такие как OP-TEE или Trusty).
   • Normal World: Используется для обычных приложений и операционных систем, таких как Android или Linux. Этот мир не имеет прямого доступа к ресурсам Secure World.
   • Переключение между мирами осуществляется через специальный режим процессора, называемый Monitor Mode, который управляется через Secure Monitor Call (SMC).
2. Аппаратная изоляция:
   • TrustZone разделяет ресурсы процессора, память и периферийные устройства между мирами.
   • Ключевой механизм — NS-bit (Non-Secure bit), который указывает, находится ли процессор в безопасном или небезопасном состоянии. Этот бит влияет на доступ к памяти и регистрам.
   • AMBA AXI шина (Advanced eXtensible Interface) поддерживает TrustZone, добавляя сигналы безопасности для управления доступом к памяти и устройствам.
3. Изоляция памяти:
   • Память делится на безопасную и небезопасную с помощью TZASC (TrustZone Address Space Controller) или аналогичных механизмов.
   • Secure World может обращаться к обеим областям памяти, тогда как Normal World — только к небезопасной.
   • Это предотвращает несанкционированный доступ к конфиденциальным данным.
4. Изоляция периферии:
   • Периферийные устройства (например, UART, криптографические ускорители) могут быть назначены Secure World или Normal World через TZPC (TrustZone Protection Controller).
   • Это позволяет, например, выделить криптографический модуль исключительно для безопасных операций.
5. Переключение контекста:
   • Переключение между мирами осуществляется через Secure Monitor, который работает в Monitor Mode.
   • Вызов SMC из Normal World позволяет передать управление в Secure World, а возврат осуществляется через обратный вызов.
   • Переключение включает сохранение и восстановление состояния процессора, что минимизирует накладные расходы.

 

Архитектурные компоненты TrustZone

1. Процессорные состояния:
   • В архитектуре ARM процессор имеет несколько режимов (User, Kernel, Hypervisor и др.), а TrustZone добавляет разделение на Secure и Non-Secure состояния.
   • Monitor Mode — это привилегированный режим, который управляет переключением между мирами.
2. Контроллеры безопасности:
   • TZASC: Управляет разделением адресного пространства памяти.
   • TZPC: Контролирует доступ к периферийным устройствам.
   • GIC (Generic Interrupt Controller): Поддерживает маршрутизацию прерываний в нужный мир (Secure или Non-Secure).
3. Безопасная загрузка (Secure Boot):
   • TrustZone часто используется в связке с процессом безопасной загрузки, чтобы гарантировать, что только доверенная прошивка и ОС загружаются в Secure World.
   • Аппаратные механизмы, такие как eFUSE или OTP (One-Time Programmable) память, хранят криптографические ключи для проверки целостности.
4. Криптографическая поддержка:
   • Многие SoC с TrustZone включают аппаратные криптографические ускорители, доступные только Secure World, для выполнения операций, таких как AES, SHA или RSA.

 

Программная экосистема

1. Trusted Execution Environment (TEE):
   • TEE — это программная среда, работающая в Secure World. Примеры: OP-TEE, Trusty, QSEE (Qualcomm Secure Execution Environment).
   • TEE предоставляет API для взаимодействия с доверенными приложениями (Trusted Applications, TA).
   • Стандарты, такие как GlobalPlatform TEE API, обеспечивают единообразный доступ к функциям TEE.
2. Клиентские приложения:
   • Приложения в Normal World могут взаимодействовать с Secure World через драйверы TEE (например, в Android используется TEE Client API).
   • Пример: приложение для мобильных платежей вызывает TA в Secure World для обработки транзакции.
3. Монитор и гипервизор:
   • Secure Monitor управляет переключением миров.
   • В системах с гипервизором (например, KVM) TrustZone может изолировать виртуальные машины, предоставляя безопасные сервисы.

 

Применение TrustZone

1. Мобильные устройства:
   • Защита биометрических данных (отпечатков пальцев, распознавания лица).
   • Безопасные платежи (Samsung Pay, Google Pay).
   • DRM (Digital Rights Management) для защиты медиаконтента.
2. Интернет вещей (IoT):
   • Защита прошивки и ключей в устройствах IoT.
   • Безопасное обновление (OTA).
3. Автомобили:
   • Защита критических систем, таких как ECU (Electronic Control Unit).
   • Аутентификация и шифрование данных в V2X (Vehicle-to-Everything).
4. Облачные вычисления:
   • TrustZone используется в ARM-серверах для изоляции виртуальных машин и защиты данных клиентов.

 

Преимущества TrustZone

• Аппаратная изоляция: Обеспечивает высокий уровень безопасности за счёт разделения на уровне оборудования.
• Гибкость: Подходит для широкого спектра приложений, от IoT до серверов.
• Эффективность: Минимальные накладные расходы на переключение миров.
• Широкая поддержка: Интегрирована в большинство современных ARM SoC.

 

Ограничения и вызовы

1. Сложность реализации:
   • Настройка TrustZone требует глубокого понимания аппаратной и программной архитектуры.
   • Ошибки в конфигурации могут привести к уязвимостям.
2. Уязвимости:
   • В прошлом были обнаружены уязвимости, такие как атаки на Secure Monitor или ошибки в TEE (например, уязвимости в Qualcomm QSEE).
   • Атаки на уровне прошивки или физические атаки (например, glitching) могут обойти TrustZone.
3. Зависимость от производителя:
   • Реализация TrustZone варьируется между SoC (Qualcomm, MediaTek, Samsung Exynos), что усложняет переносимость кода.
   • Некоторые функции (например, доступ к криптографическим модулям) могут быть ограничены OEM.
4. Закрытость:
   • Документация на некоторые аспекты TrustZone (например, реализация Secure Boot) может быть ограничена или доступна только по NDA.

 

TrustZone в ARMv8-M и IoT

В ARMv8-M (Cortex-M) TrustZone оптимизирована для микроконтроллеров:

• Упрощённая модель безопасности с меньшими накладными расходами.
• Нет Monitor Mode; вместо этого используется прямое переключение между Secure и Non-Secure состояниями.
• Поддержка Secure Attribution Unit (SAU) и Implementation Defined Attribution Unit (IDAU) для управления доступом к памяти.
• Идеально для IoT-устройств с ограниченными ресурсами.

 

Будущее TrustZone

1. ARMv9-A и CCA:
   • В ARMv9-A TrustZone дополняется Confidential Compute Architecture (CCA), которая предоставляет динамические безопасные области (Realms) для защиты данных в облачных средах.
   • CCA расширяет возможности TrustZone для гипервизоров и виртуализации.
2. RISC-V и альтернативы:
   • С ростом популярности RISC-V появляются конкурирующие технологии, такие как Keystone или MultiZone. Однако TrustZone остаётся стандартом в ARM-экосистеме.
3. Усиление стандартов:
   • GlobalPlatform и другие организации продолжают развивать стандарты TEE, что упрощает разработку переносимых приложений.

 

Заключение

TrustZone — это мощная и гибкая технология, которая обеспечивает аппаратную основу для создания безопасных систем. Она широко используется в мобильных устройствах, IoT, автомобилях и облачных серверах. Однако её эффективность зависит от правильной реализации и защиты от уязвимостей. Для разработчиков важно учитывать как аппаратные, так и программные аспекты, а также следить за обновлениями стандартов и рекомендаций безопасности.