小型和受限嵌入式系統(tǒng)的固件驗(yàn)證

在當(dāng)今市場上，嵌入式電子系統(tǒng)種類繁多，需要接受的認(rèn)證也日益增加，如適用于工業(yè)應(yīng)用的 IEC62443 安全標(biāo)準(zhǔn)，有時(shí)法規(guī)也取決于系統(tǒng)工作方式的關(guān)鍵特性。然而，要確保安全性，不僅需要依靠法規(guī)，還應(yīng)該實(shí)施負(fù)責(zé)任的基本做法。今天我們來介紹一下小型和受限嵌入式系統(tǒng)的固件驗(yàn)證。每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都基于其執(zhí)行的代碼（固件、軟件和 RTL 等）運(yùn)行。在本系列的第一部分中，我們將介紹當(dāng)連接的心臟起搏器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、IoT 嬰兒監(jiān)視器，甚至工業(yè)機(jī)器電機(jī)的固件遭到攻擊時(shí)，這些設(shè)備會(huì)發(fā)生什么。請留意第二部分，我們將在其中介紹如何在各種嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)這些用例。

很多公司的知識產(chǎn)權(quán)（IP）處于產(chǎn)品的代碼中。連接的心臟起搏器的代碼可掌控人的生死，其重要性非同小可。同樣，心臟起搏器也要接受認(rèn)證。在工業(yè)泵中，代碼可以處理速度和扭矩調(diào)整率，提高電機(jī)的性能，從而領(lǐng)先競爭對手。工業(yè)網(wǎng)關(guān)代碼的架構(gòu)能夠以市場領(lǐng)先的速度處理復(fù)雜智能工廠網(wǎng)絡(luò)中的海量有效載荷，但網(wǎng)關(guān)背后是一個(gè)覆蓋多個(gè)機(jī)器和操作員的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在，如果機(jī)器操作被更改，很快就會(huì)給工廠中的人員帶來安全隱患。 IoT 嬰兒監(jiān)視器代碼可確保網(wǎng)絡(luò)連接的穩(wěn)健性，同時(shí)還能為父母提供與新生兒相關(guān)的隱私信息。我們在下文中介紹了一家公司的代碼對其 IP 至關(guān)重要的四個(gè)原因。公司應(yīng)該考慮本文提到的各種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)所定義的威脅模式：

1. 遠(yuǎn)程數(shù)字攻擊：漏洞是否在遠(yuǎn)程訪問代碼，以試圖影響目標(biāo)或整個(gè)產(chǎn)品群？

2. 遠(yuǎn)程邏輯攻擊：漏洞是否在重點(diǎn)攻擊代碼中的某個(gè)錯(cuò)誤，從而幫助黑客將攻擊范圍遠(yuǎn)程擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)？

3. 本地物理攻擊：如果黑客對產(chǎn)品有物理訪問權(quán)限，可以對代碼做什么（不一定要利用錯(cuò)誤）？

4. 本地邏輯攻擊：如果黑客對產(chǎn)品有物理訪問權(quán)限，可以利用代碼錯(cuò)誤做什么？

近年來，為了解決上述問題，政府和許多行業(yè)已經(jīng)著手制定 IoT 安全法規(guī)以創(chuàng)建相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。例如，在工業(yè)領(lǐng)域，ISA/IEC62443 標(biāo)準(zhǔn)載明了設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品時(shí)要遵守的安全規(guī)范。歐洲的 EN303656 標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)歐洲政府有關(guān)在當(dāng)?shù)叵M(fèi)市場銷售 IoT 產(chǎn)品的安全法規(guī)和指南制定。 UL2900 起初主要關(guān)注軟件安全規(guī)范，現(xiàn)在大型公司正在將其用于消費(fèi)市場。在所有的主要標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)中，您會(huì)發(fā)現(xiàn)，建議驗(yàn)證代碼的真實(shí)性是其共同要求。

那么，可以采取哪些措施來保護(hù)這些代碼？這些措施各有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

代碼將需要通過加密操作進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其真實(shí)性。驗(yàn)證可以在嵌入式系統(tǒng)操作過程中的不同時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行。

何時(shí)驗(yàn)證代碼的真實(shí)性？

1. 引導(dǎo)時(shí)：常見的技術(shù)術(shù)語是安全引導(dǎo)，它有多種實(shí)現(xiàn)方法：可以使用對稱密鑰，也可以使用非對稱密鑰，可以只驗(yàn)證摘要、簽名，也可以驗(yàn)證整個(gè)代碼映像。安全引導(dǎo)過程是為了確保只有真實(shí)代碼可以在目標(biāo)嵌入式設(shè)計(jì)上執(zhí)行。

2. 運(yùn)行時(shí)：更通用的術(shù)語是 IP 保護(hù)。除了安全引導(dǎo)和無線（OTA）更新之外，固件工程師可以決定在系統(tǒng)運(yùn)行期間的任何相關(guān)時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行代碼驗(yàn)證，以確保代碼沒有被篡改。

3. OTA 更新之后：在 IoT 環(huán)境中，如果通過網(wǎng)絡(luò)以“無線”方式推送新的代碼映像來取代現(xiàn)有的代碼，則在運(yùn)行此新代碼之前必須先驗(yàn)證其真?zhèn)巍?/p>

上面描述的三種嵌入式安全功能總體上與代碼驗(yàn)證規(guī)范有關(guān)。

現(xiàn)在，我們來介紹一下實(shí)現(xiàn)技術(shù)，然后再評價(jià)一下各自的優(yōu)缺點(diǎn)。從根本上說，需要在安全性比較理想的企業(yè)環(huán)境中對代碼進(jìn)行“簽名”，然后在嵌入式系統(tǒng)中對代碼進(jìn)行“驗(yàn)證”。這些“簽名”和“驗(yàn)證”操作通過加密算法和對稱或不對稱密鑰集實(shí)現(xiàn)。如下圖所示，有四個(gè)主要步驟。第一步關(guān)注的是制造過程中發(fā)生的情況，以及代碼加密和簽名的處理方式。第二步是如何將代碼加載到嵌入式系統(tǒng)中（安全加載程序）。第三步涉及如何將代碼下載到嵌入式系統(tǒng)中。第四步側(cè)重于嵌入式系統(tǒng)制造完成后內(nèi)部發(fā)生的情況，以確保在目標(biāo)應(yīng)用程序上運(yùn)行的代碼確實(shí)是真實(shí)的。

在制造過程中使用對稱密鑰進(jìn)行簽名操作

對稱加密基于共享密鑰架構(gòu)，換言之，兩個(gè)相同的密鑰構(gòu)成一個(gè)密鑰對（對稱密鑰或也稱為共享密鑰）。主要缺點(diǎn)是，如果有人可以訪問其中一個(gè)密鑰，另一個(gè)共享密鑰也是相同的，系統(tǒng)很容易遭到破壞。此外，基本做法要求為每個(gè)設(shè)備使用不同的對稱密鑰，這會(huì)產(chǎn)生邏輯悖論：如何在整個(gè)設(shè)備群中分配惟一對稱密鑰。因此，由于對稱密鑰易于實(shí)現(xiàn)和項(xiàng)目進(jìn)度的限制，開發(fā)人員會(huì)在整個(gè)設(shè)備群中使用相同的對稱密鑰，因此這些密鑰暴露的情況變得更加嚴(yán)重。接下來具體分析一下。第一步發(fā)生在公司環(huán)境中。?

作為原始終端制造商（OEM），您的代碼將通過“哈?！焙瘮?shù)傳遞。我們在本文中以 SHA256 為例。此哈希函數(shù)的輸出是代碼映像的 32 字節(jié)摘要。?

此哈希使用對稱密鑰（用于簽名的 OEM 密鑰）執(zhí)行。?

輸出是“報(bào)文驗(yàn)證代碼”（MAC）。?

MAC 提供給合約制造商（CM），合約制造商將在生產(chǎn)基地把 MAC 刷寫到主控制器上。MAC 和對稱密鑰均由 CM 在此階段加載。?

請注意，這是供應(yīng)鏈中容易出現(xiàn)漏洞的環(huán)節(jié)，因?yàn)闊o論是在制造過程中，還是在單片機(jī)中，密鑰都不應(yīng)該暴露。此時(shí)密鑰會(huì)暴露給工廠內(nèi)的操作員和將執(zhí)行 MAC（如果 OEM 尚未完成）的設(shè)備。

在制造過程中使用非對稱密鑰進(jìn)行簽名操作

這是一種更穩(wěn)健且可擴(kuò)展的方法，包括利用非對稱密鑰取代對稱密鑰。非對稱密鑰是由兩個(gè)不同的密鑰構(gòu)成的一個(gè)密鑰對，但兩個(gè)密鑰通過某種加密算法在數(shù)學(xué)上相關(guān)。我們將以 ECC-P256 為例，對于嵌入式系統(tǒng)來說，這是最常用，也是最有效的算法之一。私鑰將用于對代碼進(jìn)行簽名，公鑰（根據(jù)私鑰計(jì)算得出）將用于驗(yàn)證簽名和/或摘要。

想一想，在生產(chǎn)過程中，誰有密鑰的訪問權(quán)限？

無論選擇的是對稱架構(gòu)還是非對稱架構(gòu)，都有幾個(gè)重要的問題需要思考。由于需要將加密密鑰加載到嵌入式系統(tǒng)以驗(yàn)證映像，請想一想：?

能否相信掌握保護(hù)您已簽名代碼的密鑰的合約制造商？切記，代碼是公司的 IP。如果擁有密鑰，他們就可以訪問您的代碼。?

CM 是否擁有簽名密鑰或用于驗(yàn)證的密鑰的訪問權(quán)限？如果您想更換一家或多家合約制造商，密鑰怎么辦？? 您是否因合約制造商掌握了密鑰而依賴他們？?

如果雇用了多家合約制造商，如何管理各種密鑰對集？?

密鑰在合約制造商那里有哪些保護(hù)措施？安全審計(jì)的結(jié)果會(huì)是什么？

涉及到制造過程中處理密鑰的物流時(shí)，還有許多供應(yīng)鏈問題需要考慮。簽名密鑰永遠(yuǎn)是最關(guān)鍵的密鑰，要盡可能地與一切事物和人員隔離，最好是使用 HSM。但現(xiàn)在您面臨的情況是代碼驗(yàn)證成為非常重要的目標(biāo)，因?yàn)樗梢詻Q定您對代碼（記住這是公司的 IP）的保護(hù)程度?，F(xiàn)在，密鑰已交給合約制造商，此時(shí)漏洞暴露的可能性會(huì)增加。有幾個(gè)問題可能需要您思考一下，包括：

? 您是否清楚密鑰是否已妥善存儲(chǔ)或在員工之間安全共享？?

您的密鑰是否因制造設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)不力，可以從工廠外部遠(yuǎn)程訪問？?

您的員工是否有可能簡單地使用 U 盤將驗(yàn)證密鑰帶出工廠？如何對這種情況進(jìn)行審計(jì)和確保員工可信？?

如果掌管密鑰的員工從合約制造商離職，密鑰怎么辦？

密鑰位于嵌入式系統(tǒng)中的哪個(gè)位置？

如果將用于驗(yàn)證固件的公鑰存儲(chǔ)在傳統(tǒng)單片機(jī)的閃存內(nèi)，請慎重考慮。這將使加密成為代碼二進(jìn)制映像的一部分。傳統(tǒng)工程師只是將密鑰（公鑰或?qū)ΨQ密鑰）加載到單片機(jī)或處理器的閃存中。我們來介紹一下您應(yīng)該思考的問題和應(yīng)該全盤考慮的答案。

密鑰的價(jià)值有多大？攻擊者能用它做什么？

時(shí)至今日，仍有大量設(shè)備將密鑰存儲(chǔ)在閃存中。攻擊者的一些基本策略是嘗試使用各種技術(shù)訪問設(shè)備的存儲(chǔ)器，如利用緩沖區(qū)溢出（示例：Heartbleed）、HEX 文件提取或其他方法來訪問位于存儲(chǔ)器中的密鑰。這些都是非常真實(shí)的攻擊，一些公司反映其系統(tǒng)中存在此類漏洞。在這種情況下，攻擊者完全有可能開始發(fā)起可擴(kuò)展攻擊。如果每個(gè)密鑰都像在二進(jìn)制映像中一樣容易訪問，它們就會(huì)變得可更改、可復(fù)制，對大型機(jī)群進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問的可能性也越來越高。如果我們對本文前面的內(nèi)容還有印象，就會(huì)記得對于代碼簽名來說，使用對稱密鑰并不是最穩(wěn)健的策略。現(xiàn)在，我們假設(shè)用于驗(yàn)證代碼的密鑰位于控制器的 OTP 內(nèi)。OTP 方法是比較合理的初步措施，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性，因?yàn)楝F(xiàn)在密鑰位于不可變的存儲(chǔ)區(qū)域。不可變并不意味著不可訪問或不可讀取，只是意味著不可更改。代碼的價(jià)值決定對密鑰的重視程度，具體視代碼的價(jià)值或其中的 IP 含量而定。

如果密鑰可訪問，它就可能被讀取、復(fù)制和重復(fù)使用。現(xiàn)在任何惡意用戶都可以合法地使用該密鑰來驗(yàn)證他們自己的代碼。? 如果是對稱密鑰，情況將糟糕至極，特別是如果系統(tǒng)連接到云，更是雪上加霜?，F(xiàn)在，當(dāng)密鑰被訪問時(shí)，攻擊者可以執(zhí)行其惡意代碼的 MAC，并且由于用于簽名的對稱密鑰與用于驗(yàn)證代碼的對稱密鑰相同，他們可以輕而易舉地使用 checkMAC 驗(yàn)證其惡意代碼。更糟糕的是，如果沒有采取密鑰多樣化措施，那么十分有必要仔細(xì)考慮擁有整個(gè)設(shè)備群的密鑰的人員名單。所有與嬰兒監(jiān)視器連接的工業(yè)機(jī)器都可能被偽造，所有 OTA 更新都可能遭到破壞，而且情況可能會(huì)惡化。

? 現(xiàn)在，如果被訪問的是控制器閃存甚至是 OTP 中的公鑰，那么惡意用戶便可以隨意復(fù)制和重復(fù)使用密鑰以使用戶授權(quán)合法化，并隨后在目標(biāo)單片機(jī)上安裝和運(yùn)行惡意代碼。

與使用對稱密鑰架構(gòu)相比，使用公鑰架構(gòu)要更加穩(wěn)健，因?yàn)橛糜趯Υa進(jìn)行簽名的私鑰與用于驗(yàn)證代碼的公鑰不同，但二者在數(shù)學(xué)上相關(guān)。也就是說，訪問公鑰允許攻擊者查看并觸發(fā)代碼驗(yàn)證，以及在執(zhí)行之前進(jìn)行解密。此時(shí)，問題變成了：“現(xiàn)在我看到了代碼，要是我能更改代碼并繞過公鑰驗(yàn)證該怎么辦？”要解決這一問題，除了適當(dāng)?shù)募用芗铀倨鳎ㄈ?Microchip 安全元件的 ECC-P256）外，還需要單片機(jī)或處理器內(nèi)的 BootROM 功能。 BootROM 將確?？刂破靼l(fā)出驗(yàn)證命令的存儲(chǔ)區(qū)域也是不可變的，無法被繞過。然而，公鑰被訪問仍然是一個(gè)基本問題。

使用對稱密鑰與非對稱密鑰進(jìn)行固件驗(yàn)證分別有哪些優(yōu)缺點(diǎn)？

密鑰 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)對稱 較少：

- 加密簡單 - 易于實(shí)現(xiàn)很多：

- 密鑰被盜時(shí)非常容易被復(fù)制 - 可擴(kuò)展攻擊的風(fēng)險(xiǎn)較高 - 難以部署和管理惟一密鑰群非對稱 很多：

- 加密穩(wěn)健 - 密鑰架構(gòu)可擴(kuò)展 - 可使用 ECC 密鑰優(yōu)化存儲(chǔ)器占用空間較少：

- 固件驗(yàn)證沒有缺點(diǎn) - ECDSA 的時(shí)間比 SHA256 長

在第一部分中，我們已經(jīng)詳細(xì)介紹了在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)固件驗(yàn)證的重要性。應(yīng)用程序代碼將需要通過加密操作進(jìn)行驗(yàn)證，以確保其真實(shí)性。驗(yàn)證可以在嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行過程中的不同時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行，如啟動(dòng)時(shí)、運(yùn)行時(shí)和安全固件升級時(shí)。有許多技術(shù)可以使用非對稱和對稱的加密算法來實(shí)現(xiàn)固件驗(yàn)證。這些技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在本博客的第二部分，我們將介紹如何使用 Microchip 的安全元件和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)固件驗(yàn)證。