Rowebots Kim Rowe

張愛華 譯，何小慶 審校

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第6篇：基于嵌入式操作系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)安全

Rowebots Kim Rowe

張愛華 譯，何小慶 審校

當(dāng)今社會的很多商業(yè)行為，如通信、金融交易及娛樂在很大程度上依賴于互聯(lián)網(wǎng)。隨著越來越多的設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中，對互聯(lián)網(wǎng)的依賴性將不斷增加。如果設(shè)備不安全，這種依賴將導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)存在重大的安全漏洞，并使設(shè)備遭到攻擊和破壞。

目前，很多正在使用的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，根據(jù)不同的應(yīng)用范圍將持續(xù)使用。例如，公用事業(yè)使用的儀表幾乎不會更換；通信基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計使用年限為50年；電力傳輸系統(tǒng)使用壽命在30年以上；住宅、辦公室、工業(yè)建筑和其他建筑物可以每10年裝修一次以便長期使用。如果這些系統(tǒng)不安全，在威脅增加時，它們很快會被拋棄。

為增加用戶對智能設(shè)備的投資信心，保護(hù)設(shè)備免遭破壞，安全成為所有新型設(shè)備的基本要求。在未來的幾年中，將有500億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)，其中很大一部分是使用微控制器和資源有限的微處理器。幸運的是，與大型設(shè)備相比，這些小型設(shè)備更容易保護(hù)，不易受同類型威脅的攻擊，因此更安全。但并不意味著安全很容易實現(xiàn)，只是如果能正確利用MCU和小型MPU的特性，開發(fā)安全的設(shè)備不困難而已。本文的后續(xù)部分將討論如何保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)中的小型設(shè)備。

物聯(lián)網(wǎng)安全特征

為了充分保護(hù)MCU或小型MPU,下列安全功能通常是必須的，當(dāng)然，并不是每個系統(tǒng)都必須具備所有功能。使用標(biāo)準(zhǔn)信息技術(shù)實現(xiàn)安全解決方案是嵌入式MCU和MPU產(chǎn)品安全機制的核心。

這些安全協(xié)議包括：TLS、IPSec/VPN、SSH、SFTP、安全啟動和自動回退、過濾、HTTPS、SNMPv3、安全的無線連接、加密和解密、加密文件系統(tǒng)、DTLS(用于UDP安全)和安全電子郵件。其中TLS、IPSec/VPN、HTTPS、安全的無線連接及DTLS意味著安全的通信連接，SFTP提供了安全的文件傳輸，SSH提供了安全的遠(yuǎn)程訪問，而安全電子郵件提供了基于加密連接的郵件服務(wù)。支持自動回退的安全啟動程序(Bootloader)確保系統(tǒng)不被破壞，SNMPv3、數(shù)據(jù)加密和加密文件系統(tǒng)通過加密來保護(hù)本地數(shù)據(jù)或傳輸?shù)狡渌麢C器的數(shù)據(jù)，過濾實際上是起到防火墻的功能，用于阻止不受歡迎的訪問。各種協(xié)議將在系統(tǒng)安全一節(jié)之后討論。

系統(tǒng)安全

只有系統(tǒng)中最薄弱的連接或組件都可靠時，整個系統(tǒng)才是安全的。為保證系統(tǒng)的安全，其所有的通信通道、文件傳輸、數(shù)據(jù)存儲和系統(tǒng)更新方式都必須是安全的。在系統(tǒng)支持動態(tài)加載、可執(zhí)行文件修改及其他復(fù)雜功能時，實現(xiàn)系統(tǒng)安全是非常困難的。

想象一下這些場景：

① 入侵者通過電子郵件、FTP或其他方式將文件傳入設(shè)備。

② 文件動態(tài)加載運行時，會破壞其他可執(zhí)行文件，然后需要清理現(xiàn)場并刪除自己。

③如果病毒很新，系統(tǒng)不認(rèn)識該病毒，它將獲準(zhǔn)進(jìn)入,從而感染系統(tǒng)。

考慮另外一種情況，在不安全或者沒有正確安全設(shè)計的通信連接中，有可能會讀取少量的數(shù)據(jù)，還可能會在數(shù)據(jù)流中添加新的數(shù)據(jù)，并破壞正在接收數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。通過互聯(lián)網(wǎng)加載不安全的鏡像文件到設(shè)備就是這種情況的一個實例。當(dāng)新加載的鏡像文件運行時，如果該文件可以正確訪問系統(tǒng)，則這個不安全的鏡像文件將接管整個系統(tǒng)。還有一種情況，設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)會被竊取。只有數(shù)據(jù)被加密或保存在安全文件系統(tǒng)中，才可能從設(shè)備中恢復(fù)加密的數(shù)據(jù)。

為了確保系統(tǒng)安全，最好的方式是考慮如何訪問設(shè)備信息。通常，良好的安全系統(tǒng)要求：你知道的(密碼)，你擁有的(借記卡或可穿戴式設(shè)備)和你是誰(虹膜掃描設(shè)備)。

對小型設(shè)備來說，這些安全措施過頭了。但是如果系統(tǒng)有非常高的安全要求，可以通過間接方式來實現(xiàn)，只要確保系統(tǒng)的各個組件都是安全的。通過與服務(wù)器的安全交互，服務(wù)器可以安全地訪問設(shè)備，安全設(shè)備接口可以運行在大型設(shè)備上，也可以用于小型設(shè)備。

安全系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵要素是分層安全，假設(shè)一些人只需要訪問系統(tǒng)的一部分，好的設(shè)計原則采用分層安全機制。這種情況下，如果沒有重要的工作，入侵者僅能訪問一部分系統(tǒng)。一個實例是使用兩個防火墻級聯(lián)來保護(hù)服務(wù)器，這樣，一個防火墻的漏洞可以被第二個防火墻隔離。

圖1是提供了安全功能的軟件概述。后面將針對前面列出的場景，討論如何使用這些軟件來保護(hù)系統(tǒng)。

圖1 安全物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)該包含的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組件

通信安全

通信安全協(xié)議確保機器到機器間的通信安全，有一個可以依賴的信任等級，以建立安全通信。

TLS及其前身SSL是為TCP套接字流和需按順序交付的流連接提供通信安全最常用的方式。DTLS是一個新協(xié)議，提供可靠的UDP傳輸和基于TLS的數(shù)據(jù)包傳輸，TLS和DTLS協(xié)議是面向應(yīng)用到應(yīng)用間的通信。

IPSec或虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)在TCP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上使用虛擬鏈路安全技術(shù)，設(shè)置比較困難，但它允許應(yīng)用通過鏈路通信，即使應(yīng)用沒有提供安全保護(hù)。通常情況下，由于設(shè)置困難，并且很多人認(rèn)為NSA(國家安全局)參與開發(fā)的算法不安全，導(dǎo)致它沒有被廣泛使用。

HTTPS是建立在TLS上的安全網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器訪問協(xié)議，它提供了安全的應(yīng)用訪問，通過與SSH相同的方式，為遠(yuǎn)程用戶提供安全的模擬終端訪問。

安全的無線連接確保無線信息不會被收集，數(shù)據(jù)不會被其他人通過天線獲取。

安全電子郵件用于確保數(shù)據(jù)不會通過電子郵件直接傳輸。一種方式是在郵件發(fā)送之前加密數(shù)據(jù)，另一種更簡單更通用的方案是在加密連接中提供郵件服務(wù)，以確保管理郵件的服務(wù)器接收的所有郵件數(shù)據(jù)都是安全的。

基于SNMPv3的安全文件傳輸

使用加密和解密程序保護(hù)數(shù)據(jù)時，SNMPv3用于加密數(shù)據(jù)。如果所有的數(shù)據(jù)都很重要，可以使用文件加密，盡管文件加密方式會降低性能。

過濾和防火墻

防火墻通過過濾網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器發(fā)送的所有數(shù)據(jù)包，拒絕未授權(quán)的訪問。通過過濾，設(shè)計者可以確保只有真正的用戶才能訪問系統(tǒng)，阻止非法訪問，以保證系統(tǒng)安全。這些過濾規(guī)則需要在設(shè)備上配置，過濾功能通常需要結(jié)合SSH或SNMPv3使用。

安全啟動

安全啟動是安全系統(tǒng)的重要組成部分(圖2),支持固件更新并通過安全的方式實現(xiàn)更新非常重要。固件更新可以刪除所有工廠固件，并通過自動回退(fall back)機制增強該功能。通過自動回退，如果新的固件(可能損壞)導(dǎo)致啟動失敗，可以使用舊的安全版本重新啟動系統(tǒng)，這是分層安全機制的部分功能。

圖2 Unison操作系統(tǒng)(Nanoexec)分層安全機制

通過解釋器或其他方式加載的程序運行時，可能破壞系統(tǒng)。Unison的操作系統(tǒng)在底層提供了額外的安全啟動功能來保護(hù)系統(tǒng)，該功能使得系統(tǒng)很難被攻擊。

系統(tǒng)安全的考慮

MCU或資源有限的MPU如果需要應(yīng)用很多協(xié)議來實現(xiàn)安全目的，一個參考實例是Unison的操作系統(tǒng)，它是一個小型的POSIX實時操作系統(tǒng)，以非常小的代碼尺寸提供了安全功能。

Unison系統(tǒng)使用了安全通信協(xié)議，目標(biāo)設(shè)備的所有應(yīng)用都是安全的。這些應(yīng)用包括手機應(yīng)用、面向小型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的安全Web訪問等。類似緩沖區(qū)溢出之類的攻擊是不可能出現(xiàn)的，因為Unison系統(tǒng)在運行時占用很少的資源，禁止任何不合理的資源占用，還可以使用安全無線連接，但要使用VPN。

可以使用SFTP將文件傳輸?shù)较到y(tǒng)，該機制保證數(shù)據(jù)在傳輸時不被破壞，對安全系統(tǒng)更新非常重要。在TCP服務(wù)器前端增加過濾處理，可以確保只處理授權(quán)的請求和更新，防止設(shè)備被入侵，極大提高了安全性。此外，還可以使用終端通過SSH協(xié)議遠(yuǎn)程配置設(shè)備，與使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器相比，使用腳本的方法更可靠，這種配置方式確保了配置設(shè)備也是安全的。此時，設(shè)備接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)是安全的，任何更改或配置是可靠的，授權(quán)的應(yīng)用和用戶可以使用設(shè)備的數(shù)據(jù)和功能。

如果設(shè)備被偷了，怎么辦？為了防止這種情況發(fā)生，可以加密設(shè)備存儲的數(shù)據(jù)，不使用本地數(shù)據(jù)而使用加密文件系統(tǒng)，這將確保設(shè)備的關(guān)鍵數(shù)據(jù)是安全的。如果用戶的設(shè)備有密碼，通常這被認(rèn)為是合適的安全措施，還可以使用其他安全措施，如增加指紋掃描、虹膜掃描、掌紋和其他功能給設(shè)備或?qū)⑵溥B接到安全工作站，以增加設(shè)備的可靠性。

前面列出的安全場景，除了程序執(zhí)行時，可能破壞系統(tǒng)安全的情況都考慮過了。對MCU或一些MPU來說，程序是一個運行在Flash中的單個映像文件，在這種情況下，由于整個映像在Flash中運行，并且如果啟動機制和刷新機制是安全的，不可能添加任何東西到系統(tǒng)中，因此入侵者不能加入新的代碼。在使用Unison時，該功能是可以實現(xiàn)的，因此Unison使整個系統(tǒng)非常安全。

但如果系統(tǒng)中有解釋器，Unison不能保證整個系統(tǒng)是安全的。解釋程序可以在MCU或MPU上自由運行，不受限制地更改系統(tǒng)映像，除非建立了安全機制，例如使用了內(nèi)存管理單元(MMU)。

結(jié) 語

Atmel 32位微控制器平臺為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)立全新低功耗標(biāo)準(zhǔn)

Atmel公司宣布，其基于ARM Cortex-M0+的MCU已達(dá)到了一個全新的低功耗標(biāo)準(zhǔn)，將活動模式下的功耗降至40 μA/MHz，并將睡眠模式下的功耗降至200 nA。除了超低功耗之外，新的平臺還具備全速USB主機與設(shè)備、事件系統(tǒng)與Sleepwalking、12位模擬、AES、電容觸控傳感等特性。預(yù)計到2020年，物聯(lián)網(wǎng)市場的設(shè)備總量將達(dá)到200億件，為了驅(qū)動這些應(yīng)用，市場需要功耗更低、不會增加電網(wǎng)負(fù)荷或無需頻繁更換電池的MCU。Atmel最新的Atmel SMART平臺專為這些應(yīng)用而設(shè)計，可以將電池續(xù)航時間從數(shù)年延長至數(shù)十年。

SAM L21系列是新平臺上的首個產(chǎn)品系列，采用Atmel專有的picoPower技術(shù)拓展Atmel | SMART 32位基于ARM內(nèi)核的產(chǎn)品組合。

運行EEMBC CoreMark基準(zhǔn)測試的結(jié)果顯示，Atmel的SAM L21系列在活動模式下實現(xiàn)了40 μA/MHz的超低功耗，在32 KB RAM存儲保存以及實時時鐘和日歷的情況下僅消耗不到900 nA的電能，在深度睡眠模式下僅消耗200 nA的電能。憑借頻繁的喚醒次數(shù)、事件系統(tǒng)、Sleepwalking和創(chuàng)新型picoPower外設(shè)，SAM L21超低功耗系列是手持設(shè)備和電池供電型設(shè)備的理想選擇，適用于物聯(lián)網(wǎng)、消費、工業(yè)、便攜醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用。

新平臺的架構(gòu)創(chuàng)新讓定時器、串行通信、電容觸控傳感等低功耗外設(shè)能夠保持運行狀態(tài)，同時將系統(tǒng)的其他部分置于低功耗模式，從而進(jìn)一步降低眾多永續(xù)運行應(yīng)用的功耗。

EEMBC 總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人Markus Levy 表示：“無論是在活動或睡眠模式下，Atmel SAM L21系列的電流消耗都非常低，這對于瞄準(zhǔn)快速發(fā)展的電池供電型設(shè)備市場是一個巨大的優(yōu)勢。隨著數(shù)十億件設(shè)備在互聯(lián)網(wǎng)時代被推向市場，設(shè)計人員將能利用Atmel的超低功耗SAM L系列提升電池供電型設(shè)備的續(xù)航時間。”

Atmel公司高級副總裁兼微控制器業(yè)務(wù)部總經(jīng)理Reza Kazerounian表示：“Atmel致力于為快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)市場和電池供電型市場提供業(yè)內(nèi)功耗最低的技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的開發(fā)人員不再滿足于將電池續(xù)航時間延長至一年，而是期待看到能夠?qū)⑵溲娱L至十年或更長時間的技術(shù)。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)， Atmel SMART系列中最新的32位MCU平臺采用了Atmel專有的picoPower技術(shù)，成為打造物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的理想MCU?！?/p>

士然

2014-10-29)