在 Sitara MCU 器件上集成 MbedTLS
摘要
TI Sitara™ MCU 器件具有强大的网络协议栈和已在业界广泛使用的硬件 IP 支持。如果无法保证网络的安全性，那么与外部世界的连接就会存在风险。虽然网络功能和硬件 IP 正在持续不断地发展，逐步变得更加高效和优化，但安全方面也不容忽视。缺乏安全性可能会导致系统功能异常，甚至导致环境易于受到 MITM、窃听、篡改或消息伪造等网络攻击。这种不足可以通过使用传输层安全协议 (TLS) 来弥补。TLS 是一种加密协议，主要通过对传输的数据进行加密来为互联网通信提供保护。TLS 确保可在网络中的两个或多个实体之间建立安全的通信通道。
TLS 协议可分为两个部分：
- 握手层：该层负责执行 TLS 握手，并在实体经过验证且握手完成后更改密码规范。
- 记录层：该层负责对要传输的数据进行分段、压缩、身份验证和加密。
本文档介绍了在现有 LwIP TCP/IP 网络协议栈上集成适用于 Sitara MCU 器件的 MbedTLS，从而增加传输层（OSI 模型的 L4）的安全性。传输层提供了一个安全的端到端通信通道。因此，所有数据都可以在传输层（第 4 层）之后通过网络安全地传输。MbedTLS 项目作为独立库移植到 TI 架构中，可测量性能以及通过硬件加速优化加密操作的方法。此外，本文档还讨论了 MbedTLS 在网络安全示例中的使用。
本文档中讨论的代码和示例可以在适用于 AM243x、AM263x、AM273x 和 AM64x 器件的 TI MCU_PLUS_SDK v09.00 或更高版本中找到。
商标
Sitara™is a TM ofTI corporate name.
Other TMs
1 引言
工业 4.0 属于数据密集型应用并依赖于实时决策，相关应用需要一种机制来安全地通过网络传输数据。该演示是 TI Sitara MCU 器件在网络和安全领域的一项进步。
本应用手册介绍了以下内容：
- 向用户介绍 MbedTLS
- 演示 MbedTLS 如何与 LwIP 配合使用
- 举例说明基于 MbedTLS 构建的网络安全
TI Sitara MCU 器件具有高性能多核处理能力，专为实时处理和连接而设计。MbedTLS 与 LwIP 的集成旨在通过增加一层安全性来进一步增强网络和连接性。LwIP 是一种嵌入式系统中常用的轻量级 TCP/IP 堆栈。这些器件具有用于联网的 CPSW 和 ICSS IP。这些器件具有原始处理能力和实时信号控制能力，并支持多协议以太网标准，因此网络的运行速度可高达 1Gbps。这些器件还具有强大的加密加速器，可将加密工作从软件卸载到硬件，从而进一步优化整体应用的性能。
1.1 本文档中使用的首字母缩写词
- AES：高级加密标准 (Advanced Encryption Standard)
- CA：证书颁发机构 (Certificate Authority)
- CPSW：通用平台以太网交换机 (Common Platform Ethernet Switch)
- DER：区分编码规则 (Distinguished Encoding Rules)
- DES：数据加密标准 (Data Encryption Standard)
- ECDSA：椭圆曲线数字签名算法 (Elliptic Curve Digital Signature Algorithm)
- FOTA：无线固件升级 (Firmware Over the Air)
- HTTP：超文本传输协议 (Hyper Text Transfer Protocol)
- ICSS：工业通信子系统 (Industrial Communication Subsytem)
- MITM：中间人攻击 (Man In The Middle attack)
- MQTT：消息队列遥测传输 (Message Queuing Telemetry Transport)
- OSI：开放系统互连 (Open System Interconnection)
- PBUF：数据包缓冲区 (Packet Buffer)
- PCB：协议控制块 (Protocol Contol Block)
- PEM：隐私增强邮件 (Privacy Enhanced Mail)
- RSA：Rivest-Shamir-Adleman
- SHA：安全哈希算法 (Secure Hash Algorithm)
- SSL：安全套接字层 (Secure Socket Layer)
- TCP：传输控制协议 (Transmission Control Protocol)
- TLS：传输层安全协议 (Transport Layer Security)
2 MbedTLS
2.1 MbedTLS 是什么？
MbedTLS 是 SSL 和 TLS 协议的实现，以及必要的支持代码和相应的加密算法。MbedTLS 根据 Apache 许可证 2.0 版进行分发。MbedTLS 提供了通过 TCP/IP 协议栈进行安全通信所需的抽象层，如图 2-1 所示。MbedTLS 和 LwIP 网络安全示例所需的软件栈。
图 2-1 基于 TCP/IP 协议栈的 MbedTLS 安全通信2.2 为何选择 MbedTLS？
MbedTLS 的替代品包括 OpenSSL、GnuTLS、LibreSSL，但 TI 更喜欢使用 MbedTLS，因为 LwIP 中提供对 MbedTLS 的直接支持。只需对现有 LwIP 配置进行极少的更改，即可将 MbedTLS 移植到 LwIP 中。
MbedTLS 构建为一个独立的库，在 LwIP 中具有用于应用层 API 的挂钩，下一节将对此进行详细讨论。MbedTLS 提供详细的文档和易于使用的 API，是一种快速高效地为应用增添安全性的方法。MbedTLS API 不仅可用于提高网络通信的安全性，还可用于需要加密实现的应用。
此外，MbedTLS 提供了一种定义明确的方法来将加密操作从软件卸载到硬件。请注意，AES、SHA、RSA、ECDSA、ENTROPY、计时函数、DES、ARIA 等均可以卸载到硬件上。MbedTLS 还提供了部分卸载加密工作的选项，例如将加密卸载到硬件而在软件上执行解密，从而提高了优化的整体灵活性。根据 CPU 时钟速度、RAM 执行、缓存使用情况等因素，可以优化吞吐量。对 TI Sitara™ AM2434 进行相同测试后发现，与执行软件加密相比，使用硬件加密加速器进行 AES 加密和解密时吞吐量增加了 8 至 10 倍（注意：这不是硬件卸载加密性能的基准数据，这些性能数据特定于实现并可以进一步改进）。MbedTLS 配置由头文件控制，该文件可用于启用或禁用所需的加密模块甚至密码套件。这可用于减小 MbedTLS 库的代码大小。
2.3 MbedTLS 的应用
借助 MbedTLS，我们为 TI 器件的开放世界网络增添了安全性。MbedTLS 可用于网络中任何需要填补 TLS 空白的场合。MbedTLS 可用于将设备用作 TLS 实体（客户端或服务器）。从应用的角度来看，MbedTLS 功能可用于固件无线 (FOTA) 更新。其他潜在的应用包括远程诊断、车辆状况监控、安全外壳和安全日志、安全信息以及事件管理等。MbedTLS 是 OpenVPN 集成中的一个潜在用例。