嵌入式系統(tǒng)“多大程度的安全才算安全”

Ｐｈｉｌｉｐ?。牵椋铮颍洌幔睿?/p>

摘要：安全設(shè)計(jì)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、與具體系統(tǒng)相關(guān)的過(guò)程，且往往很復(fù)雜。在探討安全話題時(shí)，最重要的事情就是盡早開(kāi)始安全需求評(píng)估，定義系統(tǒng)安全目標(biāo)，并經(jīng)常性地根據(jù)系統(tǒng)用途及市場(chǎng)的變化來(lái)確定是否最初的威脅已經(jīng)改變或擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；安全系統(tǒng)；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；威脅建模；檢測(cè)

引言

若沒(méi)有應(yīng)用環(huán)境，安全就沒(méi)有意義。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)師經(jīng)常誤解安全，認(rèn)為諸如特定的加密算法和安全協(xié)議等安全措施只是系統(tǒng)的附加特性。安全是一個(gè)過(guò)程，而不是永遠(yuǎn)保持不變的一款產(chǎn)品或一種終極狀態(tài)。而且，也不能在產(chǎn)品將永遠(yuǎn)保持安全的假設(shè)下，把安全措施簡(jiǎn)單地加入到一款產(chǎn)品中。設(shè)計(jì)師應(yīng)該在設(shè)計(jì)過(guò)程開(kāi)始的時(shí)候，就把安全和其他參數(shù)如成本、性能和功耗等一并進(jìn)行考慮。

在設(shè)計(jì)的初始階段，利用安全設(shè)計(jì)檢測(cè)威脅

在設(shè)計(jì)安全解決方案的時(shí)候，首先必須做的就是定義一個(gè)威脅模型，然后再創(chuàng)建安全策略。一旦評(píng)估完成，就能安心地選擇具體的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)安全對(duì)策。威脅決定應(yīng)對(duì)策略，策略決定設(shè)計(jì)。

許多設(shè)計(jì)師都會(huì)犯同一個(gè)錯(cuò)誤，在設(shè)計(jì)安全系統(tǒng)時(shí)沒(méi)有首先明確和了解可能遇到的真正威脅、以及這些威脅會(huì)為他們的終端產(chǎn)品帶來(lái)的重大風(fēng)險(xiǎn)。相反，他們教條地把分類(lèi)的安全技術(shù)堆在一起，并希望能獲得很高的安全性。這樣做代價(jià)高昂，沒(méi)有系統(tǒng)能防御所有的安全威脅，在設(shè)計(jì)中囊括那些沒(méi)有必要的技術(shù)和防御沒(méi)有實(shí)際威脅的風(fēng)險(xiǎn)毫無(wú)意義。

即使威脅建模有價(jià)值，它本身也存在風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)于資源受限的設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)必須在存儲(chǔ)容量、功耗、處理能力、上市時(shí)間及成本等參數(shù)和安全需求之間獲取一種平衡。盡管存在資源不足的挑戰(zhàn)，通過(guò)仔細(xì)考慮威脅模型并設(shè)計(jì)系統(tǒng)使其工作在能滿足該模型的可用計(jì)算能力限制之內(nèi)，仍有可能開(kāi)發(fā)出使產(chǎn)品在開(kāi)放環(huán)境中有效工作的系統(tǒng)。

對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，考慮“威脅建?！钡脑矸浅Ｓ杏?。威脅建模是基于一種假設(shè)，即每個(gè)系統(tǒng)都有值得保護(hù)的固有價(jià)值。然而，因?yàn)檫@些系統(tǒng)是有價(jià)值的，他們對(duì)內(nèi)部或外部威脅也是開(kāi)放的，這些威脅能夠且經(jīng)常給終端產(chǎn)品帶來(lái)?yè)p害。設(shè)計(jì)完成后的安全漏洞常常是無(wú)法修正的，且危及投入的資金和開(kāi)發(fā)資源，因此需要在設(shè)計(jì)周期的初始階段增強(qiáng)對(duì)安全評(píng)估的需求，并在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行監(jiān)測(cè)和重復(fù)修正。

本質(zhì)上，我們可以把威脅模型定義為識(shí)別一組可能的攻擊，以便考慮配合一套徹底的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估策略。有了威脅模型，您就能估計(jì)攻擊的概率、潛在危害和優(yōu)先級(jí)。

威脅建模很難，但是很有必要，威脅建模需要考慮系統(tǒng)是怎樣被攻擊的。建模完成后，它解決了潛在的系統(tǒng)安全故障隱患，解決了諸如它是如何產(chǎn)生、以及在出現(xiàn)安全故障時(shí)發(fā)生了什么等問(wèn)題。通常在市場(chǎng)和成本的壓力下，這個(gè)評(píng)估以一種特別的方式來(lái)進(jìn)行。即通過(guò)集思廣益征集系統(tǒng)有可能受到的所有攻擊(當(dāng)然，潛在的黑客或許比您更超前一步)。對(duì)這個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)，一個(gè)更加系統(tǒng)化及可重復(fù)的方法是使用攻擊樹(shù)，這個(gè)概念首先是由Bruce Schneier提出來(lái)的。攻擊樹(shù)提供一種將攻擊系統(tǒng)的不同方式進(jìn)行系統(tǒng)性分類(lèi)的方法。大致來(lái)說(shuō)，就是您以一種樹(shù)的結(jié)構(gòu)描述了系統(tǒng)所受的攻擊，在樹(shù)結(jié)構(gòu)中節(jié)點(diǎn)代表著攻擊時(shí)間。樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)是攻擊者的總目標(biāo)，達(dá)到該目標(biāo)的不同路徑則是葉節(jié)點(diǎn)。

當(dāng)正確完成威脅建模時(shí)，真正的威脅就被確定下來(lái)了。然而，如果弄錯(cuò)了可能存在的威脅的話，其代價(jià)將是高昂的。設(shè)計(jì)師弄錯(cuò)威脅的一個(gè)案例是DVD的保護(hù)。盡管DVD碟片被加密，密鑰也被放在播放機(jī)里，只要播放機(jī)里包含抗篡改硬件，這種保護(hù)方式是沒(méi)有問(wèn)題的。但當(dāng)引入軟件播放器時(shí)，密鑰就被曝露出來(lái)，通過(guò)反向工程就能恢復(fù)密鑰，也使任何人都能自由復(fù)制和散布任何DVD內(nèi)容。在這種情況下，它是有缺陷的威脅模型。雖然有安全措施，但是這無(wú)法真正解決問(wèn)題。

僅僅列出一堆威脅是不夠的，由于不同威脅的風(fēng)險(xiǎn)不同，您還需要知道每種威脅的風(fēng)險(xiǎn)。威脅建模的下一個(gè)步驟是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，這是在任何安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)至關(guān)重要的部分。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，不可避免地要討論一些基礎(chǔ)問(wèn)題，即What、Why以及Who?

What您在保護(hù)什么?在設(shè)計(jì)最初階段，就需要在您的系統(tǒng)中確定需要保護(hù)的關(guān)鍵對(duì)象。這些對(duì)象可能包括密鑰、特殊算法、器件標(biāo)識(shí)符、數(shù)字媒體、生物特征識(shí)別或產(chǎn)品固件。

Why—您為什么要保護(hù)這個(gè)設(shè)計(jì)?您是否需要作為與商業(yè)伙伴協(xié)議的一部分而保護(hù)IP，該商業(yè)伙伴只在您承諾在自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中能保護(hù)其安全才會(huì)向您提供IP?您是否需要在一個(gè)醫(yī)療設(shè)備或商業(yè)銷(xiāo)售點(diǎn)系統(tǒng)中保證機(jī)密的用戶信息是安全的?您所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否將是黑客攻擊目標(biāo)的熱門(mén)產(chǎn)品?所有這些問(wèn)題都將決定對(duì)有效的安全防范技術(shù)的選擇。

Who—是誰(shuí)真正地想要您的IP?當(dāng)然，攻擊者名單是列不盡的。不管他是享受攻擊挑戰(zhàn)的經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)專家，還是意圖獲取您的IP的大型組織、政府或競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，關(guān)鍵都是要識(shí)別攻擊者的動(dòng)機(jī)、資源和專有技術(shù)，這樣您才能設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)姆烙胧?/p>

安全策略

一旦您已經(jīng)識(shí)別出了您的威脅，并且權(quán)衡了風(fēng)險(xiǎn)，接下來(lái)就該建立安全策略了。安全策略是解決方案背后的戰(zhàn)略，而技術(shù)僅僅是戰(zhàn)術(shù)手段。安全策略描述“為什么”，而不是“如何做”。

例如，一個(gè)基于FPGA設(shè)計(jì)的安全策略目標(biāo)之一也許是“保持配置碼流的機(jī)密性”，這是系統(tǒng)的目標(biāo)之一?！叭绾巫觥被?qū)Σ叩膶?shí)施可能會(huì)是采用諸如AES等對(duì)稱密鑰加密的方式，對(duì)配置碼流進(jìn)行加密以便實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

下面總結(jié)了如何將這個(gè)工作放入到整體的設(shè)計(jì)流程中。

了解系統(tǒng)的真正威脅、并且評(píng)估這些威脅的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估哪些威脅是最危險(xiǎn)的并最可能發(fā)生。將系統(tǒng)性防御這些威脅所需的安全策略進(jìn)行描述并歸檔。這將是一系列的聲明，例如：“只有可信任的代碼才允許進(jìn)入到受限制的內(nèi)存”，或“密碼密鑰必須保密”。

設(shè)計(jì)并實(shí)施能加強(qiáng)系統(tǒng)安全策略的防范措施。理論上，這些防范措施是保護(hù)、檢測(cè)和同應(yīng)的混合機(jī)制。

防范措施

在系統(tǒng)確定了潛在的攻擊，且已定義好安全目標(biāo)后，就可以考慮實(shí)施防范技術(shù)來(lái)減輕風(fēng)險(xiǎn)。一套有效的安全防范措施包括3個(gè)不同的部分，并且它們依次發(fā)揮作用：保護(hù)、檢測(cè)、回應(yīng)。

為了解釋保護(hù)、檢測(cè)和回應(yīng)之間的關(guān)系，我們來(lái)看一個(gè)經(jīng)典的汽車(chē)盜竊案例。偷車(chē)賊如果想要偷竊您的新車(chē)，他必須首先破壞車(chē)門(mén)鎖。如果竊賊想要開(kāi)走汽車(chē)而不僅是搶劫車(chē)內(nèi)財(cái)物，他可能遇到許多安全措施，包括由于沒(méi)有使用正確的鑰匙而導(dǎo)致觸發(fā)引擎關(guān)斷開(kāi)關(guān)，或者由于聲音、沖擊或篡改而激活警報(bào)聲。甚至車(chē)主還會(huì)采納其他額外的、意料之外的安全措施，如Lojack汽車(chē)恢復(fù)系統(tǒng)，盡管該系統(tǒng)還存在安全漏洞，但也可能把警察直接帶到盜車(chē)賊身邊。在安全設(shè)計(jì)術(shù)語(yǔ)中，門(mén)鎖和引擎關(guān)斷機(jī)制是保護(hù)對(duì)策、而警報(bào)是檢測(cè)對(duì)策，警察和Lojack系統(tǒng)是回應(yīng)對(duì)策。

這些對(duì)策必須基于系統(tǒng)已知威脅來(lái)合理地共同工作。如果保護(hù)機(jī)制被攻破，必須依靠檢測(cè)和回應(yīng)機(jī)制來(lái)抵御攻擊。如果回應(yīng)機(jī)制不存在或無(wú)效，那擁有檢測(cè)機(jī)制也就沒(méi)有意義。

在嵌入式系統(tǒng)中，保護(hù)機(jī)制也許采取加密的形式、反篡改的機(jī)制、或采用多種物理安全形式如機(jī)械性地搞亂連接處理器、內(nèi)存裝置數(shù)據(jù)線以及關(guān)鍵元件封裝的硬件接入點(diǎn)。例如，媒體播放器一般使用加密法來(lái)實(shí)施數(shù)字版權(quán)管理(DRM)，以便作為對(duì)音樂(lè)和電影內(nèi)容的保護(hù)。

檢測(cè)機(jī)制如入侵傳感器可被用于檢測(cè)開(kāi)路或短路，從而指示發(fā)生了企圖物理性損害設(shè)備的行為。

回應(yīng)是系統(tǒng)的最后防御。通常，回應(yīng)機(jī)制將關(guān)閉或禁用設(shè)備，或刪除敏感內(nèi)容以預(yù)防發(fā)生危害?；貞?yīng)機(jī)制也能記錄檢測(cè)到的攻擊類(lèi)型及發(fā)生時(shí)間，這樣就能在受到攻擊后提供有用的法庭審核信息。

結(jié)語(yǔ)

安全設(shè)計(jì)就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、與具體的系統(tǒng)相關(guān)的過(guò)程，且往往很復(fù)雜。對(duì)于本文中談?wù)摰拿糠N安全話題，都有大量研究和專門(mén)技術(shù)資料供設(shè)計(jì)師研究和學(xué)習(xí)。在開(kāi)始進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的事情就是盡早開(kāi)始您的安全需求評(píng)估，定義系統(tǒng)安全目標(biāo)，并經(jīng)常性地根據(jù)系統(tǒng)用途及市場(chǎng)的變化來(lái)確定是否最初的威脅已經(jīng)改變或擴(kuò)展。

什么時(shí)候您才會(huì)知道您的系統(tǒng)是足夠安全的?澳大利亞新南威爾士Country Energy負(fù)責(zé)安全的Robbie Sinclair曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“在您感覺(jué)到不夠安全之前，安全措施總是過(guò)量的?！碑?dāng)您開(kāi)始您的安全評(píng)估時(shí)，請(qǐng)給出您對(duì)“多大程度的安全才算安全”這個(gè)問(wèn)題的答案。