探秘STM32U5安全特性｜硬件加解密引擎与软件算法对比

周三, 15 六月 2022 - 10:10

STM32U5 是ST在2021年推出的新一代超低功耗产品，不仅在工艺（40nm制程），性能（主频160MHz），低功耗（超低功耗模式低至：110nA，动态功耗低至：19μA/MHz ）等多个方面都有显著提升，在信息安全方面也增加很多新特性。

STM32U5目前已经推出STM32U575、 STM32U585两个系列，这两者区别之一是 STM32U585芯片内置了AES，SAES和PKA硬件加解密引擎， STM32U575只有软件方式实现的加解密算法。

STM32U5的硬件加解密引擎相对于纯软件实现有多方面的优势，比如：硬件SAES、PKA模块具备侧信道攻击防御能力，有更高的安全性，更高的性能，更快的运算速度，计算过程中不需要CPU参与，CPU可以处理其他更具有实时性要求的任务，同时在存储空间占用和功耗上也更有优势。

我们将从性能、功耗和存储空间占用几方面，将STM32U5硬件加解密引擎和软件实现算法做一个对比。

通过EEMBC SecureMarkTLS评测跑分，对比软硬件算法实现

我们使用 EEMBC SecureMarkTLS 对U575（纯软件）和U585（带硬件加速引擎)分别进行性能和能耗的对比。

EEMBC SecureMark是一个公认标准化的、用于衡量加解密操作效率的基准测试套件。在SecureMark中，EEMBC计划支持对不同应用领域的各种安全配置进行测试和分析。其中第一个授权可用的是SecureMark-TLS，它专注于物联网(IoT)边缘节点的传输层安全(TLS)。

SecureMark-TLS基准配置文件对用于安全互联网通信的传输层安全(TLS)协议所需的加解密操作进行建模。TLS协议提供了交换消息的机密性和完整性，并且可以对通信双方进行身份验证。SecureMark-TLS测量物理设备(可以是开发板或最终产品) 在执行一组指定的加解密操作时的性能和功耗。功耗测量被换算成一个最终的单一分数，该分数代表物联网边缘节点设备的TLS操作。想了解 SecureMark-TLS 测试套件的更多信息，请访问<a href="https://www.eembc.org/securemark/" data-linktype="2" wah-hotarea="click">https://www.eembc.org/securemark/</a>

✦ EEMBC SecureMarkTLS跑分对比

点击链接访问<a href="https://www.eembc.org/securemark/scores.php" data-linktype="2" wah-hotarea="click">https://www.eembc.org/securemark/scores.ph</a> ，可以看到 ST发布的使用 EEMBC SecureMarkTLS测试套件的测试报告。

选择STM32U575 RevB Core MHz:160 和STM32U585 RevB Core MHz:160 （我们选择的是最大主频 160MHz），可以看到测试的硬件环境如下图所示：

测试的软件和Crypto信息如下：

请注意蓝框中标出测试的算法库和版本：Software Library(ies) and Version: mbedTLS 2.4.2。

mbedTLS 现已被arm公司收购并由arm技术团队进行维护更新，是对TLS和SSL协议实现的算法库。mbedTLS的目标是：易于理解，使用，集成和扩展。它主要是面向小型嵌入式设备，代码紧凑，而且执行效率高，可以说是行业内最小巧的SSL加密算法库。并且mbedTLS是完全OpenSource的，支持Apache 2.0 license 或者GPL 2.0 license双重许可，可以自由应用于商业项目中。

在 U575 上，我们直接运行的是开源的mbedTLS 2.4.2，算法部分是开源的mbedTLS 2.4.2里面实现的软件算法; 在U585上，同样运行的是开源的mbedTLS 2.4.2，但算法部分使用U585自带的硬件加解密引擎。

在下图的测试结果中，SecureMark-TLS 是对整体功耗的跑分总评，SecureMark-TLS Performance 是对整体性能的跑分总评。后面我们又分别列出了不同算法的性能和功耗的分数。

Benchmark跑分总评

说明：

<ul>
<li>测试中硬件加速的部分采用mbedtls ALT function方式，由于数据存储方式，API等原因，并未使U585 HW crypto性能得到最大化利用； </li>
<li>实际应用程序如果直接调用Driver，则可有更高的性能和能耗表现。</li>
</ul>

Mbedtls软件作为运行的代码进行benchmark，对比U575纯软件和U585带硬件加速的性能和能耗。

Benchmark子项：AES 性能 + 能耗

Benchmark子项：SHA 性能 + 能耗

Benchmark子项：ECC 性能 + 能耗

硬件加解密引擎（HAL驱动）与Cryptolib软件算法对比

软件算法部分采用ST 的 X-CUBE-CRYPTOLIB作为对比的对象。X-CUBE-CRYPTOLIB是基于STM32的软件算法库，支持STM32全系列产品，提供多种主流算法的实现，针对不同的内核进行了算法优化，支持多种使用的配置模式（高性能、小代码量等选择）。硬件引擎的使用则通过直接调用HAL驱动来完成。

我们通过以下几个常用的典型算法进行对比，比较的内容为软硬件实现的性能和存储空间占用情况：
<ul>
<li>AES CBC加密和解密</li>
<li>RSA加密和解密</li>
<li>ECDSA签名和验签</li>
</ul>

✦ 性能对比

AES CBC 数据流加解密：每秒数据处理能力 (以8KB数据做测试, 每次处理大小分别为128, 512, 1024, 2048字节的结果)

RSA加解密

ECC签名验签

✦ 存储空间占用情况

存储空间的占用和选择的编译器、编译器版本、编译选项和配置等很多因素有关，下面的数据仅供参考。

X-CUBE-CRYPTOLIB 的更多详细数据，请参考<a target="_blank" href="https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/Security:STM32U5_Serie…; textvalue="https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/Security:STM32U5_Serie…; linktype="text" imgurl="" tab="outerlink" data-linktype="2" wah-hotarea="click">https://wiki.stmicroelectronics.cn/stm32mcu/wiki/Security:STM32U5_Serie…;

Memory Footprint HAL + HW vs. Cryptolib SW

硬件加解密引擎优势总结

综上所述，硬件加解密引擎具有更高安全性、更高性能、更低功耗和更少的系统资源需求。

✦ 更高安全性

<ul>
<li>SAES和PKA引擎具备攻击防御能力（侧信道攻击，错误注入攻击）</li>
<li>HUK+SAES提供基于硬件的安全存储功能，防克隆，防软件逻辑攻击</li>
</ul>

✦ 更高性能

<ul>
<li>相较于软件实现 x5 倍的数据AES加解密处理能力</li>
<li>相比软件实现快5~10倍的签名验签操作</li>
<li>十倍的Hash运算</li>
</ul>

✦ 更低功耗

完成相同运算所消耗的能量只有软件运算的几分之一

✦ 更少系统资源需求

<ul>
<li>运算过程中CPU可以处理器其他高优先级事物</li>
<li>运算无需占用额外Flash与RAM空间</li>
</ul>

来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/HY2s1RZLrQ7COAVToZM4tw">STM32</a>
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