在任何嵌入式設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)安全功能都是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。每天都有關(guān)于黑客竊取敏感信息或由于客戶(hù)信息受到破壞而導(dǎo)致網(wǎng)站無(wú)法運(yùn)作的新聞，這些足以使開(kāi)發(fā)人員夜不能寐。安全威脅狀況在不斷變化，攻擊向量（attack vector）和黑客也在不斷發(fā)展。這些新聞不僅僅限于消費(fèi)性技術(shù)中之脆弱度。

2020年末，一家半導(dǎo)體供貨商全部生產(chǎn)能力被黑客綁架勒索，這是一個(gè)發(fā)生在非常接近促進(jìn)安全最佳實(shí)踐行業(yè)的事件。攻擊者或許認(rèn)為，以個(gè)人消費(fèi)者為目標(biāo)只會(huì)產(chǎn)生少量贖金，而以大型企業(yè)和組織為目標(biāo)則可以帶來(lái)數(shù)量更大回報(bào)，因?yàn)槟繕?biāo)對(duì)象通常希望避免任何負(fù)面新聞。當(dāng)下，在諸如工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）之類(lèi)操作技術(shù)（OT）領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)人員面臨著巨大壓力，要求他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)所有內(nèi)容實(shí)施最高安全等級(jí)防護(hù)。

如圖1所示，網(wǎng)絡(luò)攻擊已從針對(duì)遠(yuǎn)程企業(yè)IT云端服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)向傳感器、邊緣節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)等本地設(shè)施，這種趨勢(shì)顯示攻擊向量發(fā)生了變化。例如，對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊緣溫度傳感器節(jié)點(diǎn)瀏覽攻擊不僅會(huì)危害該單個(gè)設(shè)備，還能夠提供從傳感器攻擊更廣泛基礎(chǔ)架構(gòu)之機(jī)會(huì)。


 
圖1 : 攻擊向量從遠(yuǎn)程到本地變化格局。（來(lái)源：Silicon Labs）

管制環(huán)境也在發(fā)生變化，美國(guó)和歐洲最近立法為消費(fèi)和工業(yè)設(shè)備制定了基本架構(gòu)。

在美國(guó)，諸如NIST.IR 8259之類(lèi)聯(lián)邦立法正在準(zhǔn)備規(guī)定安全性問(wèn)題和建議，以克服針對(duì)IoT設(shè)備安全性脆弱度。一旦這些立法得到批準(zhǔn)，NIST標(biāo)準(zhǔn)將成 為國(guó)際公認(rèn)ISO IoT設(shè)備安全規(guī)格。美國(guó)幾個(gè)州在滿(mǎn)足NIST.IR 8259要求層面已經(jīng)非常超前。圖2僅突出顯示該立法將要解決的一些基本安全原則問(wèn)題。


 
圖2 : 用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全的NIST.IR 8259標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。（來(lái)源：Silicon Labs）

歐洲標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI也正在起草類(lèi)似管制法規(guī)TS 103645。已經(jīng)批準(zhǔn)的歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 303 645，以及名為「消費(fèi)性物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)安全（Cybersecurity for Consumer Internet of Things）」將得到歐洲各國(guó)和澳大利亞等其他國(guó)家廣泛采用。

本文將討論實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大IoT設(shè)備安全性步驟，并解釋嵌入式安全性背后的不同概念，以及如何針對(duì)嵌入式設(shè)備安全性實(shí)施一致且包容性途徑。

發(fā)現(xiàn)設(shè)備脆弱度
對(duì)于嵌入式開(kāi)發(fā)人員，其安全要求眾所周知。但是，要實(shí)現(xiàn)這些安全性之必要步驟則比較困難且復(fù)雜。在嵌入式設(shè)備相對(duì)獨(dú)立時(shí)，這可能要容易很多。如今，網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在，每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都容易受到攻擊。而且，往往攻擊者更有經(jīng)驗(yàn)，攻擊向量也不僅限于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和端口。嵌入式設(shè)備每個(gè)層面都可能具有潛在攻擊面。了解潛在攻擊面有助于確定應(yīng)該使用何種防護(hù)方法。

圖1將本地攻擊分為針對(duì)IoT設(shè)備軟件或硬件，攻擊類(lèi)型或許更復(fù)雜，例如差動(dòng)功率分析（DPA），也可以透過(guò)獲得對(duì)設(shè)備JTAG埠物理瀏覽，并用惡意代碼對(duì)其進(jìn)行重新程序而使攻擊變得更加直接。差動(dòng)功率分析需要實(shí)時(shí)偵測(cè)設(shè)備功耗，以確定設(shè)備可能正在做什么。隨著時(shí)間積累，能夠建立一種數(shù)字影像，確定嵌入式處理器可能正在做什么。

加密功能特別耗費(fèi)計(jì)算資源和大量功率，黑客能夠識(shí)別出頻繁數(shù)字加密和解密任務(wù)操作。一旦知曉處理器操作，黑客就可以使用故障處理使其強(qiáng)制進(jìn)入故障狀態(tài)，同時(shí)會(huì)使緩存器和端口可瀏覽。黑客使用的其他攻擊技術(shù)包括篡改系統(tǒng)時(shí)鐘，在周邊引腳上引入錯(cuò)誤訊號(hào)以及將電源電壓降低，使處理器運(yùn)作變得更不穩(wěn)定，從而可能暴露隱蔽密鑰并鎖定埠。

使設(shè)備更安全
在審查IoT設(shè)備中實(shí)施安全體系時(shí)，工程團(tuán)隊(duì)可能會(huì)發(fā)現(xiàn)安全物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Secure Things；IoXT）等行業(yè)架構(gòu)是一個(gè)很好的起始點(diǎn)。安全物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)行業(yè)主導(dǎo)計(jì)劃，旨在使嵌入式開(kāi)發(fā)人員更輕松實(shí)施保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全程序任務(wù)。 IoXT已建立了涵蓋物聯(lián)網(wǎng)安全性、可升級(jí)性和透明度的八項(xiàng)原則架構(gòu)，工程師在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備時(shí)可以遵循這些原則。

安全物聯(lián)網(wǎng)八項(xiàng)原則
1.禁止通用密碼：設(shè)備使用唯一默認(rèn)密碼，而不是通用密碼，以使黑客無(wú)法廣泛控制數(shù)百個(gè)設(shè)備。

2.保護(hù)每個(gè)接口：在使用過(guò)程中，無(wú)論目的如何，都應(yīng)對(duì)所有接口進(jìn)行加密和認(rèn)證。

3.使用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的加密方法：建議使用行業(yè)認(rèn)可開(kāi)放式加密標(biāo)準(zhǔn)和算法。

4.預(yù)設(shè)情況下安全性：產(chǎn)品出廠發(fā)運(yùn)時(shí)應(yīng)啟用最高級(jí)別安全性。

5.已簽名軟件更新：應(yīng)該對(duì)無(wú)線軟件更新進(jìn)行簽名，以便接收設(shè)備可以在應(yīng)用更新之前對(duì)其進(jìn)行身份驗(yàn)證。

6.自動(dòng)軟件更新：設(shè)備應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證之軟件更新，以維護(hù)最新安全補(bǔ)丁程序，而不是將更新任務(wù)留給消費(fèi)者。

7.脆弱度報(bào)告方案：產(chǎn)品制造商應(yīng)為用戶(hù)提供一種報(bào)告潛在安全問(wèn)題方法，以加快更新速度。

8.安全到期日：與保修計(jì)劃一樣，安全條款也應(yīng)在某個(gè)時(shí)候到期。制造商可以提供擴(kuò)展支持方案，以幫助順延連續(xù)安全支持和更新成本。

實(shí)施全面安全措施
伴隨物聯(lián)網(wǎng)安全格局快速變化，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品工程團(tuán)隊(duì)也在努力與不斷增長(zhǎng)的安全功能保持同步，能夠滿(mǎn)足此需求的一個(gè)平臺(tái)是Silicon Labs開(kāi)發(fā)的Secure Vault，它使用硬件和軟件功能組合在SoC中提供全面安全子系統(tǒng)。Silicon Labs第一個(gè)整合有Secure Vault的組件是多協(xié)議無(wú)線SoC EFM32MG21B。

Secure Vault已獲行業(yè)安全組織PSA Certified和IoXt聯(lián)盟（ioXt Alliance）認(rèn)證。PSA Certified Level 2認(rèn)證基于與Arm共同創(chuàng)建安全標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

Secure Vault SoC在設(shè)備中整合了所有期望安全功能，例如真正隨機(jī)數(shù)生成器、加密引擎、信任根和安全啟動(dòng)功能。 Secure Vault透過(guò)增強(qiáng)安全啟動(dòng)、DPA對(duì)策、防篡改檢測(cè)、安全密鑰管理和安全證明等特性進(jìn)一步加強(qiáng)安全功能。

在Secure Vault中，所有安全功能都位于安全元素子系統(tǒng)中，請(qǐng)參見(jiàn)圖3。


 
圖3 : Silicon Labs Secure Vault安全元素子系統(tǒng)。（來(lái)源：Silicon Labs）

黑客通常使用的一種攻擊方法是干擾啟動(dòng)代碼，用看似正常但實(shí)際運(yùn)作卻完全不同的指令替換代碼，將數(shù)據(jù)重新定向到其他服務(wù)器。 Secure Vault采用增強(qiáng)啟動(dòng)過(guò)程，其中同時(shí)使用應(yīng)用微控制器和安全元素微控制器，并結(jié)合信任根和安全加載程序功能，僅僅執(zhí)行受信任之應(yīng)用程序代碼，參見(jiàn)圖4。

 
圖4 : 使用Silicon Labs Secure Vault之安全啟動(dòng)。（來(lái)源：Silicon Labs）

另一種黑客攻擊方法試圖將已安裝韌件（firmware）轉(zhuǎn)返（rollback）到具有安全脆弱度之先前版本。這樣，黑客就可以破壞設(shè)備，從而利用其中安全脆弱度。借助Secure Vault，防轉(zhuǎn)返預(yù)防措施透過(guò)使用數(shù)字簽名韌件來(lái)驗(yàn)證是否需要更新，參見(jiàn)圖5。

 
圖5 : Secure Vault防轉(zhuǎn)返對(duì)策使用數(shù)字簽名對(duì)韌件更新進(jìn)行身份驗(yàn)證。（來(lái)源：Silicon Labs）

某些系統(tǒng)以前使用可公共瀏覽唯一ID（UID）來(lái)標(biāo)識(shí)單個(gè)IoT設(shè)備。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，此類(lèi)UID使偽造產(chǎn)品相較容易，從而使產(chǎn)品真實(shí)性受到質(zhì)疑。透過(guò)使用Secure Vault，可以生成唯一ECC密鑰/公用密鑰對(duì)，并且密鑰安全存儲(chǔ)在芯片上。應(yīng)用可以請(qǐng)求設(shè)備證書(shū)，但是任何響應(yīng)需要使用設(shè)備密鑰簽名，而不是隨證書(shū)一起發(fā)送，參見(jiàn)圖6。

 
圖6 : 采用Secure Vault進(jìn)行安全認(rèn)證過(guò)程。（來(lái)源：Silicon Labs）

結(jié)論
對(duì)于當(dāng)下開(kāi)發(fā)的每個(gè)嵌入式設(shè)備，都需要至關(guān)重要且強(qiáng)大安全性支持。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中黑客攻擊威脅格局日益嚴(yán)重，要求從設(shè)備出廠發(fā)運(yùn)開(kāi)始就需要發(fā)揮其全面安全性。使用Secure Vault，可以確保產(chǎn)品開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)及其客戶(hù)從一開(kāi)始就具有防范可擴(kuò)展軟件攻擊之強(qiáng)大保護(hù)體系。

（本文作者Simon Holt任職于貿(mào)澤電子）