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单片机安全与加密技术应用实例教程

1单片机安全基础

1.1单片机安全的重要性

在当今的物联网(IoT)时代，单片机作为核心组件被广泛应用于各种设备中，

从家用电器到工业控制系统，再到汽车电子系统。单片机的安全性直接关系到

设备的可靠性和用户数据的安全。一旦单片机被黑客攻击，不仅可能导致设备

功能失效，还可能泄露用户的隐私信息，甚至对人身安全造成威胁。因此，理

解单片机安全的重要性，并采取有效的安全措施，是每个设计者和工程师必须

面对的挑战。

1.2单片机面临的威胁与攻击

1.2.1物理攻击

侧信道攻击：通过分析单片机在执行特定操作时的功耗、电磁辐

射或时序等物理特性，推断出加密密钥或其他敏感信息。

故障注入攻击：通过引入外部故障，如电压波动、温度变化或激

光照射，使单片机产生错误，从而获取或修改其内部状态。

1.2.2软件攻击

缓冲区溢出：通过向单片机的缓冲区输入超出其容量的数据，覆

盖相邻的内存区域，从而执行恶意代码或泄露信息。

代码注入：利用软件漏洞，将恶意代码注入单片机的运行环境中，

以控制其行为或窃取数据。

逆向工程：通过分析单片机的固件或软件，理解其工作原理，进

而发现安全漏洞或复制其功能。

1.3安全设计原则与实践

1.3.1安全设计原则

最小权限原则：单片机的每个功能模块只应具有完成其任务所需

的最小权限，以限制潜在攻击的影响范围。

深度防御：采用多层安全措施，即使某一层被攻破，其他层仍能

提供保护。

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加密与认证：使用加密算法保护数据的机密性和完整性，使用认

证机制确保数据来源的可靠性。

1.3.2安全实践

使用硬件安全模块

单片机可以集成硬件安全模块，如加密引擎，用于加速加密和解密过程，

同时保护密钥不被软件访问。例如，使用AES硬件加速器进行数据加密。

#includeaes.h

voidencryptData(uint8_t*data,uint8_t*key,uint8_t*iv){

AESaes;

设置字节的密钥

aes.setKey(key,16);//16

设置字节的初始化向量

aes.setIV(iv,16);//16

加密字节的数据

aes.encrypt(data,16);//16

}

实施安全启动

安全启动确保单片机在启动时执行的代码是经过认证的，防止恶意固件的

加载。这通常通过在启动时检查固件签名来实现。

#includecrypto.h

boolsecureBoot(){

uint8_tfirmwareSignature[32];

uint8_texpectedSignature[32]={0x12,0x34,...};//预期的签名

readSignatureFromFlash(firmwareSignature);//从闪存读取签名

if(crypto_verifySignature(firmwareSignature,expectedSignature)){

returntrue;//签名验证通过

}else{

returnfalse;//签名验证失败

}

}

采用安全通信协议

在单片机与外部设备通信时，使用安全协议如TLS或DTLS，确保数据在传

输过程中的安全。

#includetls.h

voidsecureCommunication(uint8_t*data,uint8_t*destination){

TLStls;

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tls.connect(destination);//连接到目标地址

tls.send(data,16);//发送16字节的数据

tls.disco