關于嵌入式安全的相關理解與分析

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）僵尸網(wǎng)絡（botnet）的興起已經(jīng)成為智能家庭，智慧城市和工業(yè)網(wǎng)絡化等新興產(chǎn)業(yè)的安全威脅。僵尸網(wǎng)絡的分布式拒絕服務（DDoS）攻擊已有時日，而且針對物聯(lián)網(wǎng)的僵尸網(wǎng)絡亦非新事。

但直至最近，人們才認識到物聯(lián)網(wǎng)僵尸網(wǎng)絡破壞的嚴重性，安全缺陷可能導致物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)在同時聯(lián)網(wǎng)時全盤崩潰。本文從物聯(lián)網(wǎng)設備安全漏洞的角度研究僵尸網(wǎng)絡，指明安全設備防范僵尸網(wǎng)絡的關鍵。

僵尸網(wǎng)絡及其潛在威脅

僵尸網(wǎng)絡是指被特定惡意軟件感染的互聯(lián)設備所構成的網(wǎng)絡，它允許黑客獲取遠程控制權并協(xié)調(diào)進行DDoS攻擊僵尸網(wǎng)絡病毒，亦稱僵尸大軍（zombie armies），也可以用于垃圾郵件轟炸，盜取敏感密鑰，傳播勒索軟件等。

物聯(lián)網(wǎng)中的僵尸網(wǎng)絡病毒不同于Windows平臺上的普通僵尸網(wǎng)絡病毒，它產(chǎn)生于脆弱的物聯(lián)網(wǎng)設備，并且可以通過龐大的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)感染海量設備。此外，普通僵尸網(wǎng)絡病毒往往用于發(fā)送垃圾郵件，而物聯(lián)網(wǎng)僵尸網(wǎng)絡病毒可以通過影響物聯(lián)網(wǎng)設備周圍的物理環(huán)境來造成更大的危害。

例如，一種物聯(lián)網(wǎng)病毒可以侵入交通燈系統(tǒng)，破壞智慧城市的基礎設施，從而引發(fā)整座城市的混亂，。同樣，黑客也可以通過病毒提高智能家庭的溫度，或是增加油汽供給。

兩者的另一顯著區(qū)別在于，個人電腦與服務器的連接受到殺毒軟件和防火墻等的安全保護，而物聯(lián)網(wǎng)設備往往沒有這些安全機制，從而成為僵尸網(wǎng)絡病毒的理想目標。

2016年，業(yè)界預測物聯(lián)網(wǎng)僵尸網(wǎng)絡將成為網(wǎng)絡安全的第一威脅，但IT安全界則認定這些威脅非常有限，不必在意僵尸物聯(lián)網(wǎng)所帶來的安全威脅。然而不久后出現(xiàn)了一種工具箱，能使僵尸網(wǎng)絡病毒利用無安全措施的物聯(lián)網(wǎng)設備漏洞，進行攻擊。2016年十月的Mirai僵尸網(wǎng)絡攻擊事件成為了一個重要的轉折點。

Mirai和另一種僵尸網(wǎng)絡Bashlight，可以利用網(wǎng)絡攝像頭和數(shù)字視頻錄像機上安裝的精簡Linux系統(tǒng)中的漏洞，指揮設備在服務器中下載惡意軟件。

之后，它們通過不斷掃描缺省或硬編碼的用戶名和密碼，向周圍的其他“肉雞”設備散播這一惡意軟件。DDoS 攻擊便是通過這一方式感染大量互聯(lián)設備的。在Mirai僵尸網(wǎng)絡攻擊事件中，有超過15萬臺網(wǎng)絡攝像機被Mirai僵尸網(wǎng)絡感染。

僵尸網(wǎng)絡暴露嵌入式系統(tǒng)設計缺陷

當下，物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量龐大且在持續(xù)增長，而Mirai為無防護物聯(lián)網(wǎng)設備的安全行敲響了警鐘。加德納公司預測，到2020年，將有超過208億的設備連接到物聯(lián)網(wǎng)中。Mirai揭示了黑客控制“肉雞”并將其并入僵尸網(wǎng)絡的機制。僵尸物聯(lián)網(wǎng)在強調(diào)了嵌入式安全重要性的同時，也暴露嵌入式系統(tǒng)設計中主要缺陷：

?物聯(lián)網(wǎng)設備精簡化和低功耗的追求不可避免地降低了嵌入式安全等級

?物聯(lián)網(wǎng)設備電池容量和存儲空間僅夠完成最基本的功能，安全性的考慮被排在兩者之后

?緊迫的設計時間和上市壓力導致摒棄了安全模塊的設計

?許多物聯(lián)網(wǎng)設備通過復用軟硬件模塊來簡化設計、降低成本，但這會導致不同類別的物聯(lián)網(wǎng)設備憑據(jù)被公開

?物聯(lián)網(wǎng)設備上的操作系統(tǒng)缺乏透明性和便捷接口，這給病毒監(jiān)測帶來困難。物聯(lián)網(wǎng)設備的病毒監(jiān)控和監(jiān)測往往基于網(wǎng)頁瀏覽器或智能手機的APP等的復雜接口，而不能直接訪問操作系統(tǒng)本身

?大多數(shù)嵌入式設備的操作系統(tǒng)采用各種版本的Linux系統(tǒng)。這些系統(tǒng)只有合理地打補丁、配置和加固才能保證安全。而黑客們已經(jīng)在著力破解路由器和機頂盒上的Linux系統(tǒng)漏洞

僵尸物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)波及到網(wǎng)絡攝像頭、Wi-fi路由器、網(wǎng)絡攝像機和機頂盒等設備并被用于散布DDoS攻擊網(wǎng)絡游戲的服務器。黑客還曾嘗試利用僵尸物聯(lián)網(wǎng)侵入德國電信公司的路由器，但最終未能成功。

接下來會是什么？智能冰箱，電燈，智能鎖，還是智能汽車？如果僵尸網(wǎng)絡被散布者釋放到銀行，醫(yī)院和智慧城市的基礎設施中，可能會造成更大規(guī)模的破壞。

健壯的多層次安全保護是關鍵

那么，我們該如何構建健壯的安全系統(tǒng)來防范這一“萬能牌”呢？我們?nèi)绾未_保從傳感器到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點一直到云等各層次的安全性以確保多層次物聯(lián)網(wǎng)接入點的可靠性？嵌入式系統(tǒng)安全的根本在于：

?開發(fā)嵌入式系統(tǒng)中多層次安全保護機制，涵蓋安全節(jié)點，存儲，網(wǎng)絡和整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)

?設計可靠的嵌入式硬件

多層次安全保護

如圖1所示，嵌入式系統(tǒng)設計中的多層次安全保護機制，涵蓋了安全節(jié)點，存儲，網(wǎng)絡和整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。

圖1 在以互聯(lián)網(wǎng)為中心的嵌入式系統(tǒng)中建立多層安全保護，來抵御僵尸物聯(lián)網(wǎng)病毒等威脅（來源Microchip）

這些對抗僵尸物聯(lián)網(wǎng)病毒的最佳措施被納入產(chǎn)品開發(fā)周期中的安全框架中：

節(jié)點

在基于硬件的可信任框架下采用安全啟動以確保物聯(lián)網(wǎng)設備在確知的安全狀態(tài)下運行的同時，其內(nèi)容依然保密。安全啟動作為嵌入式設備安全的基石，是防范僵尸網(wǎng)絡病毒等安全缺口的第一道防線

更新固件。黑客能使用空中下載(OTA)升級來發(fā)布其惡意病毒。因此，應采用身份認證來確保物聯(lián)網(wǎng)設備僅從授權系統(tǒng)中檢索升級代碼

網(wǎng)絡

僅在使用防火墻的環(huán)境下連接物聯(lián)網(wǎng)設備。防火墻會檢查輸入數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)的行為，簽名，IP歷史以及物聯(lián)網(wǎng)終端信息的一致性交叉詢問來識別威脅

使用DDoS攻擊防護服務以及采用健壯內(nèi)容發(fā)布網(wǎng)絡的工具做為最初的防御措施

確保物聯(lián)網(wǎng)設備間及其與云服務等系統(tǒng)的可靠連接，使用基于傳輸層安全（TLS）等安全協(xié)議的加密鏈路

固化開放安全套接字層（OpenSSL）等TLS實現(xiàn)棧，通過創(chuàng)建額外的硬件安全層來消除軟件的漏洞

安全存儲

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要牢靠的身份認證來確定和核實節(jié)點和設備的身份。人們往往將安全等同與加密，但在應對諸如僵尸網(wǎng)絡病毒之類的網(wǎng)絡威脅方面，身份認證才是物聯(lián)網(wǎng)安全領域的中流砥柱

設計安全的嵌入式硬件

嵌入式安全應用于互聯(lián)設備的前提從一開始就被忽略了。嵌入式安全應該從設計具有完整安全解決方案的防篡改硬件開始，而不僅僅依靠一堆補丁和系統(tǒng)修復。

傳統(tǒng)的硬件安全包括多個方面

一個硬件安全模塊（HSM），這需要一個數(shù)據(jù)庫來存儲，保護和管理密鑰。這需要對硬件基礎和硬件邏輯進行前期投資

一個可信任平臺模塊（TPM），它將加密密鑰整合進設備的硬件中，但這不符合低價物聯(lián)網(wǎng)應用的定位

一個安全堆棧，建立在MPU或MCU的頂層。但這一設計需要花費大量的CPU運行周期來加速應用和固件的身份認證。由于基于中央MPU或MCU的安全硬件帶來許多計算密集的操作(如身份認證)，這會加重整個系統(tǒng)的負擔，降低系統(tǒng)性能，因此成果有限

基于以上原因，傳統(tǒng)的硬件安全解決方案不能有效的應用于嵌入式系統(tǒng)中。取而代之的是使用專用安全處理器的嵌入式系統(tǒng)硬件設計，專用處理器中的硬件密鑰存儲和加密加速技術可以彌補軟件的漏洞。同時，專用處理器更容易固化一些知名的TLS實現(xiàn)棧（如OpenSSL等），使得物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能自動完成與云服務器通信的身份認證。

首先，通過I^2 C接口將低耗的安全協(xié)處理器與主機（MPU或MCU）連接，方便安全啟動系統(tǒng)防御流氓固件的攻擊。Maxim的MAXREFDES143 Reference Design 就是物聯(lián)網(wǎng)嵌入式安全設計的典范。其通過身份認證和告知網(wǎng)頁服務器來保護工業(yè)傳感器節(jié)點。其特別采用DeepCover 安全認證（帶單線 SHA-256 和 512-Bit 用戶 EEPROM），支持從傳感器到網(wǎng)頁服務器數(shù)據(jù)的所有身份認證。

這些加密元素（圖2）——更小的MCU，都配備了硬件加密加速器，以執(zhí)行強大的身份驗證，從而保護私鑰，證書和其他敏感的安全數(shù)據(jù)，防止僵尸網(wǎng)絡入侵。 此外，傳統(tǒng)的TLS標準在軟件上實現(xiàn)身份認證和密鑰存儲，在軟件上實現(xiàn)并無必要，加密部件通過消除以軟件為中心的安全實現(xiàn)復雜性，簡化了與亞馬遜網(wǎng)頁服務（AWS）等云服務的相互認證。

圖2 Microchip ATECC508A等安全MCU提供了節(jié)點身份認證功能，限制了僵尸網(wǎng)絡的攻擊（來源：Microchip）

結論

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)作為互聯(lián)網(wǎng)嵌入式電子產(chǎn)業(yè)的延伸，正處于關鍵的十字路口。目前，物聯(lián)網(wǎng)僵尸病毒主要針對網(wǎng)頁和應用服務器，但他們遠比我們當前所見具有更強大的破壞力。例如，它們可能通過干擾智能監(jiān)視系統(tǒng)來影響建筑物的物理尺寸，或者通過擾亂交通系統(tǒng)引發(fā)混亂。

重新開發(fā)安全的物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設備為時已晚，特別是已有數(shù)千萬個“肉雞”設備已經(jīng)投入市場，且數(shù)量日益增加。物聯(lián)網(wǎng)愛好者們剛剛瞥見網(wǎng)絡互聯(lián)的潛在威脅，物聯(lián)網(wǎng)便已成規(guī)模，采取行動，重新審視嵌入式安全刻不容緩。