超低功耗MCU的安全固件更新注意事項(xiàng)

作者：Bhargavi Nisarga，Luis Reynoso

現(xiàn)場(chǎng)固件更新是基于微控制器（基于MCU）的應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎的功能。這些更新使新的固件映像能夠下載到設(shè)備的內(nèi)存中，為產(chǎn)品制造商提供了一種有效的方式，可以為已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)部署的產(chǎn)品提供服務(wù)和支持。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代正在推動(dòng)嵌入式世界連接性的提高，使其成為當(dāng)今互聯(lián)產(chǎn)品最關(guān)鍵的功能之一，只要它們是安全的。

在部署固件更新機(jī)制時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員通?？紤]縮短上市時(shí)間并降低產(chǎn)品維護(hù)成本，因?yàn)樵摴δ茉试S他們分階段推出功能，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上啟用/禁用特性或功能，在產(chǎn)品發(fā)布后修復(fù)固件錯(cuò)誤，減少對(duì)昂貴技術(shù)支持的需求，并實(shí)現(xiàn)更好的整體最終用戶體驗(yàn)。但是，如果沒有適當(dāng)?shù)陌踩胧?，則此功能可能會(huì)被濫用，并且成功利用的后果可能是災(zāi)難性的，從知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）盜竊和產(chǎn)品克隆一直到對(duì)部署系統(tǒng)的未經(jīng)授權(quán)的控制。例如，成功利用不支持在醫(yī)院藥物泵中驗(yàn)證新固件映像的真實(shí)性的固件更新機(jī)制，可能會(huì)導(dǎo)致黑客篡改交付給患者的藥物劑量。

固件更新及其漏洞

圖1顯示了一個(gè)典型的固件更新過(guò)程。這些步驟包括：

產(chǎn)品制造商在受信任的環(huán)境中創(chuàng)建初始固件映像并將其加載到設(shè)備中。

產(chǎn)品與初始固件一起部署到現(xiàn)場(chǎng)。

當(dāng)需要固件更新時(shí)，產(chǎn)品制造商會(huì)創(chuàng)建新的固件映像。

制造商將新的固件映像直接通過(guò)不受信任的通信通道發(fā)送給最終用戶/技術(shù)人員或產(chǎn)品。

新固件將加載到現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備上。

潛在的安全威脅在“傳輸”階段通過(guò)不受信任的通信通道傳輸時(shí)，或者在“固件加載”階段，當(dāng)新固件下載到現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備上時(shí)，潛在的安全威脅是顯而易見的。

正在下載到設(shè)備的新固件映像對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品制造商的 IP 和目標(biāo)資產(chǎn)。對(duì)此資產(chǎn)的威脅包括：

將固件二進(jìn)制映像反向工程成匯編或更高級(jí)別的工程語(yǔ)言，以分析其功能和內(nèi)容。

產(chǎn)品克隆，其中將產(chǎn)品制造商的固件映像加載到未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備上。

更改產(chǎn)品制造商分發(fā)的固件。

將未經(jīng)授權(quán)的固件映像加載到設(shè)備上，該映像可能對(duì)應(yīng)于產(chǎn)品制造商提供的具有已知錯(cuò)誤或由未經(jīng)授權(quán)方創(chuàng)建的代碼的較舊固件版本，或者不適用于特定設(shè)備的固件（固件降級(jí)）。

中斷固件更新過(guò)程，使固件僅部分更新，從而導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法提供服務(wù)。

很明顯，上述威脅可能會(huì)對(duì)產(chǎn)品制造商、服務(wù)提供商和最終用戶造成災(zāi)難性后果，因此表明嵌入式設(shè)計(jì)人員迫切需要采取措施來(lái)提高固件更新機(jī)制的整體安全性。

設(shè)計(jì)工程師的安全固件更新注意事項(xiàng)

圖 2 顯示了網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)的示例表示形式。在這種情況下，新的固件映像從產(chǎn)品制造商（例如，新功能推出或固件錯(cuò)誤修復(fù)）或服務(wù)提供商（例如，啟用/禁用產(chǎn)品中的功能或服務(wù)）傳輸?shù)奖镜鼗驈V域網(wǎng)（LAN /WAN）上的終端節(jié)點(diǎn)，并且可能涉及來(lái)自最終用戶應(yīng)用程序的身份驗(yàn)證（例如， 通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和Web應(yīng)用程序）執(zhí)行固件更新。

［圖2 |安全固件更新包括由用于網(wǎng)絡(luò)通信的接口協(xié)議規(guī)定的安全措施，以及確保在數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前保護(hù)固件映像的應(yīng)用程序級(jí)安全性。

為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)固件更新功能的嵌入式系統(tǒng)工程師不僅需要了解需要保護(hù)的資產(chǎn)和潛在威脅，還需要了解其系統(tǒng)的功能和局限性，特別是當(dāng)它們與受限系統(tǒng)的成本、性能或功耗有關(guān)時(shí)。作為起點(diǎn)，必須考慮結(jié)合加密算法和協(xié)議級(jí)措施的正確組合的有效安全解決方案。

加密算法提供了一種保護(hù)內(nèi)容隱私的方法，同時(shí)確保其真實(shí)性和完整性。并非所有加密算法都是相同的，但它們基于四個(gè)加密基元，這些原語(yǔ)處理機(jī)密性、完整性和真實(shí)性 （CIA） 三元組的一個(gè)或多個(gè)組件。這些基元是：

加密和解密：加密是將數(shù)據(jù)（明文）轉(zhuǎn)換為隨機(jī)和無(wú)意義（密文）的過(guò)程，而解密則執(zhí)行相反的工作。這些基元提供機(jī)密性和真實(shí)性，并用于防止固件的逆向工程。

單向功能：諸如哈希之類的函數(shù)是數(shù)學(xué)算法，在一個(gè)方向上很容易計(jì)算，但在另一個(gè)方向上很難計(jì)算。它們用于獲取數(shù)字“指紋”，以確保固件在傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)之前的完整性。

數(shù)字簽名：用于檢測(cè)消息在簽名后是否被更改，從而不僅提供完整性，還提供身份驗(yàn)證。這些使用公鑰加密來(lái)生成只能使用制造商的公鑰正確解密的簽名。

消息身份驗(yàn)證代碼： 與數(shù)字簽名類似，只是它使用對(duì)稱密鑰來(lái)加密和解密制造商生成的哈希。如果接收方解密的哈希值與為消息計(jì)算的哈希值匹配，則該消息有效。通過(guò)這種方式，MAC提供了真實(shí)性和完整性。

影響加密算法選擇的一些因素包括性能要求、系統(tǒng)的安全需求、內(nèi)存占用、能耗以及安全社區(qū)（如美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 等組織）對(duì)算法的可靠性和接受度。

除了加密算法之外，還應(yīng)考慮針對(duì)固件降級(jí)等威脅的協(xié)議級(jí)措施。如前所述，固件降級(jí)是一種攻擊，其中較舊的有缺陷的固件映像（加密或未加密）被重新發(fā)送到設(shè)備以將其恢復(fù)到易受攻擊的狀態(tài)。對(duì)固件和密鑰進(jìn)行版本檢查可以確保在更新期間僅對(duì)新版本進(jìn)行編程。

攻擊者還可以使用多種方法（斷電、物理連接故障、傳輸過(guò)程中的位翻轉(zhuǎn)等）中斷固件更新過(guò)程。這可能導(dǎo)致設(shè)備執(zhí)行不完整或無(wú)效的固件映像，使其無(wú)用或處于受損狀態(tài)。為了解決這種情況，固件更新機(jī)制需要確保不執(zhí)行不完整或損壞的映像，如有必要，應(yīng)將系統(tǒng)還原為以前使用的有效映像。

用于連接的嵌入式系統(tǒng)的加密引導(dǎo)加載程序

固件更新通常由設(shè)備引導(dǎo)加載程序處理。引導(dǎo)加載程序是駐留在設(shè)備內(nèi)存上的一段代碼，能夠重新編程應(yīng)用程序內(nèi)存空間。但是，查找或創(chuàng)建具有網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)所需安全性的嵌入式引導(dǎo)加載程序可能具有挑戰(zhàn)性。例如，系統(tǒng)可能需要能夠更新加密密鑰，因此加密功能和引導(dǎo)加載程序協(xié)議應(yīng)支持在固件更新過(guò)程中升級(jí)密鑰和提高網(wǎng)絡(luò)安全性。引導(dǎo)加載程序協(xié)議還應(yīng)適應(yīng)驗(yàn)證固件更新版本和數(shù)據(jù)包跟蹤，以檢查是否接收了特定固件更新映像的所有數(shù)據(jù)包。

如前所述，加密算法的選擇至關(guān)重要，因?yàn)樗粌H設(shè)置了系統(tǒng)的安全級(jí)別，還會(huì)影響其性能、內(nèi)存占用和功耗。考慮到這一點(diǎn)，AES-CCM代表了嵌入式引導(dǎo)加載程序的最佳解決方案。AES-CCM 是一個(gè)基于兩個(gè)加密基元構(gòu)建的加密引導(dǎo)加載程序（加密引導(dǎo)加載程序）：用于加密的 AES 計(jì)數(shù)器模式 （AES-CTR） 和用于完整性和真實(shí)性驗(yàn)證的密碼塊鏈接消息身份驗(yàn)證代碼 （CBC-MAC）。由于 AES-CCM 提供的低開銷，它在提高安全性與低內(nèi)存占用量、高吞吐量和高效功耗之間實(shí)現(xiàn)了完美平衡（圖 3）。

［圖3|AES-CCM 算法用于加密固件數(shù)據(jù)，例如固件版本號(hào)、數(shù)據(jù)包編號(hào)和數(shù)據(jù)包總數(shù)。該信息與對(duì)稱數(shù)據(jù)加密密鑰一起輸入算法，以加密數(shù)據(jù)并生成加密的MAC標(biāo)簽，該標(biāo)簽代表德州儀器的Crypto-Bootloader核心命令的一部分。

選擇實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)加載程序的MCU也不容忽視。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮具有硬件加密引擎、存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）、低功耗外設(shè)和存儲(chǔ)器技術(shù)等功能的MCU，這些器件允許快速讀/寫周期以提高吞吐量。德州儀器 （TI） 的 MSP430FR5969 MCU 就是此類 MCU 的一個(gè)例子，它集成了 AES-256 協(xié)處理器以加速加密算法，MPU 和 MPU-IP 封裝 （MPU-IPE） 模塊可增強(qiáng)對(duì)內(nèi)存區(qū)域的保護(hù)和封裝，以及高達(dá) 64 KB 的 FRAM 內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)高性能和超低功耗。在 MSP430FR5969 設(shè)備上實(shí)現(xiàn)的加密引導(dǎo)加載程序解決方案封裝了此處概述的大多數(shù)安全功能和注意事項(xiàng)。

保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的固件

總之，越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)嵌入式產(chǎn)品正在產(chǎn)生潛在的高級(jí)安全威脅，使現(xiàn)場(chǎng)固件更新更容易受到遠(yuǎn)程攻擊和利用。因此，嵌入式設(shè)計(jì)人員必須考慮通過(guò)提供適當(dāng)安全級(jí)別的解決方案來(lái)保護(hù)其固件更新機(jī)制，同時(shí)平衡物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的成本、功耗和性能限制。

審核編輯：郭婷