嵌入式系統(tǒng)安全性對(duì)攻擊狀況和防衛(wèi)策略的概述和分析

　　隨著電子裝置擔(dān)負(fù)的責(zé)任越來(lái)越多，我們放入蜂窩式電話、媒體播放器、機(jī)頂盒以及其他電器的個(gè)人信息也越來(lái)越多。于是，嵌入式系統(tǒng)的安全性涵蓋了隱私信息保護(hù)的方方面面，從在商業(yè)終端(POS)上進(jìn)行的信用卡交易的真實(shí)性保護(hù)，一直到私人語(yǔ)音郵件的防護(hù)。

　　在這篇調(diào)研報(bào)告中，我們將回顧最基本的攻擊狀況、系統(tǒng)弱點(diǎn)，并討論最好的防衛(wèi)策略。我們從硬件、軟件及軟硬件混合的角度來(lái)分析系統(tǒng)的強(qiáng)化，比如安全引導(dǎo)、系統(tǒng)管理程序?qū)Υ鎯?chǔ)器的控制。

　　產(chǎn)品層次的正式安全認(rèn)證可以具體到某一特定的應(yīng)用，于是，詳情會(huì)被保存得相當(dāng)隱秘，這也就不難理解了。同樣的，我們也從安全的角度，提出能夠產(chǎn)生有用度量的方法，來(lái)決定SOC及系統(tǒng)組件的一般魯棒性和適用性。(注：魯棒性(robustness)就是系統(tǒng)的健壯性。它是在異常和危險(xiǎn)情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說(shuō)，計(jì)算機(jī)軟件在輸入錯(cuò)誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過(guò)載或有意攻擊情況下，能否不死機(jī)、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。)

攻擊狀況分析

　　知道我們所擔(dān)心的是什么，這是很重要的。它們的技巧是什么？它們的資源有幾種？威脅的類型千變?nèi)f化，從相對(duì)低強(qiáng)度的軟件攻擊—這種攻擊基于一些可在網(wǎng)上新聞組(如：alt.hacker或各種各樣的“warez”站點(diǎn))找到的軟件—一直到資金充足的工業(yè)間諜活動(dòng)。

攻擊狀況可合乎情理地劃分為如下幾類：

　　.一個(gè)聰明的外部人員：這個(gè)人很聰明但對(duì)系統(tǒng)的了解卻很有限。他已經(jīng)可以使用先進(jìn)程度中等的設(shè)備，并可以利用已知的弱點(diǎn)而不是制造新的弱點(diǎn)。

　　.一個(gè)充分了解系統(tǒng)的內(nèi)部人員：這個(gè)人受過(guò)專業(yè)技術(shù)教育并擁有技術(shù)方面的經(jīng)驗(yàn)。他對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部件的了解程度不同，但是，由于其位置處于“防火墻之后”，他將會(huì)獲得具有高度損壞性的詳細(xì)資料。這種人可以利用高度專業(yè)化的工具和手段進(jìn)行分析。

　　.一個(gè)有資金支持的組織：一個(gè)組織將能夠組建具有技術(shù)互補(bǔ)性的專家隊(duì)伍。在那個(gè)對(duì)系統(tǒng)了解充分的內(nèi)部人可能在某些特定的領(lǐng)域具有專長(zhǎng)，而該組織可以通過(guò)增加人手來(lái)填補(bǔ)這些領(lǐng)域內(nèi)的空白。他們將有機(jī)會(huì)使用先進(jìn)的分析工具和精密的儀器來(lái)更改組件。聚焦離子束(FIB)是一種復(fù)雜且昂貴設(shè)備的技術(shù)，可以用來(lái)修改集成電路。這種設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大多數(shù)個(gè)人的使用需要，但是，那些破解有著重要價(jià)值的對(duì)象的安全防護(hù)措施的組織卻要利用該技術(shù)。

攻擊

　　攻擊者技術(shù)和能力不同，他們的方法也不同。我們從一些基本可以在分屬各種威脅程度的幾種攻擊方法開(kāi)始。

　　一類范圍很寬的軟件的攻擊，依賴于攻擊者在執(zhí)行環(huán)境中獲得足夠的特權(quán)，以便能控制和獲取敏感的裝置及數(shù)據(jù)。例如，在iPhone軟件體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，諸如瀏覽器等部分就處于系統(tǒng)的優(yōu)先層面1。從系統(tǒng)集成的角度來(lái)說(shuō)，這是有道理的。但是使得系統(tǒng)易遭攻擊，因?yàn)槿魏螘?huì)受到威脅的系統(tǒng)組成部分，可以具有最高權(quán)限級(jí)別，因此可以訪問(wèn)大量系統(tǒng)資源。

　　使用這種方法的最近的一個(gè)例子，由Charlie Miller等人在去年夏天公布于眾。通過(guò)將一個(gè)惡意的HTML文件指向電話的Safari網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，可以控制對(duì)包含敏感信息的存儲(chǔ)區(qū)的訪問(wèn)。這會(huì)使電話的Safari網(wǎng)絡(luò)瀏覽器崩潰。

　　在實(shí)際應(yīng)用中，這種攻擊可以通過(guò)發(fā)含有鏈接的郵件，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的權(quán)宜之計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，郵件中鏈接所指的是一個(gè)具有惡意HTML的服務(wù)器。如果接收者電擊那個(gè)鏈接，使用那個(gè)攻擊所轉(zhuǎn)化的安裝程序，接收者就很可能受到攻擊。

　　從安全的角度來(lái)說(shuō)， DMA(直接存儲(chǔ)器存取)存儲(chǔ)器是一個(gè)令人頭疼的問(wèn)題。它們使用一種強(qiáng)大的機(jī)制來(lái)迅速而有效地轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，但是它們轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過(guò)程也是大多數(shù)系統(tǒng)所無(wú)法控制的。如果目標(biāo)裝置是有DMA能力的，一個(gè)惡意的應(yīng)用程序通過(guò)注入代碼和數(shù)據(jù)或獲取敏感信息，可以完全地搞垮一個(gè)系統(tǒng)。DMA控制器，由于它們可以很輕松地進(jìn)行繞過(guò)保護(hù)層和訪問(wèn)存儲(chǔ)器，因此在正在設(shè)計(jì)的SOC和系統(tǒng)中，必須對(duì)其進(jìn)行一系列詳細(xì)的審查。

　　有一種掠奪普遍使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的攻擊方法是緩存器溢出攻擊。這種攻擊普遍利用那些被用來(lái)存儲(chǔ)用戶向一個(gè)程序所提供的輸入的堆棧，比如說(shuō)：姓名、住址、電話號(hào)碼和其他的典型表格性數(shù)據(jù)。在正常操作條件下，數(shù)據(jù)按照操作者的輸入順序，與返回存儲(chǔ)地址一起，存儲(chǔ)在堆棧里。

　　然而，在一些情況下，應(yīng)用軟件并不進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z查，來(lái)確定接受到的數(shù)據(jù)是否超出了所分配的緩沖存儲(chǔ)區(qū)域。向緩存中本該操作者輸入數(shù)據(jù)的區(qū)域，傳送尺寸過(guò)大的數(shù)據(jù)，并伴以一段惡意的執(zhí)行代碼及一個(gè)用來(lái)覆蓋調(diào)用程序的返回地址的地址數(shù)據(jù)。那個(gè)特大的數(shù)據(jù)導(dǎo)致比堆棧配置空間更大空間的使用，造成緩存溢出。同時(shí)，由于地址數(shù)據(jù)過(guò)多的返回地址指向攻擊者的惡意代碼，當(dāng)功能嘗試返回時(shí)，就開(kāi)始執(zhí)行黑客在錯(cuò)誤返回地址所寫的代碼。這種危害已經(jīng)達(dá)成，侵入者掌握了控制權(quán)。

　　一旦攻擊行動(dòng)成功地將執(zhí)行代碼放入它的域中，系統(tǒng)水平上的危險(xiǎn)度就依賴于賦予被劫持的進(jìn)程的授權(quán)水平。當(dāng)然，如果被危及的程序在系統(tǒng)中被許可控制的范圍并不寬，那么危害的程度就會(huì)相對(duì)減小。

  由于這些種類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的廣泛使用，這是一種相當(dāng)普遍的攻擊方式。所以，在一些任何安全防護(hù)壁壘中，如：系統(tǒng)管理程序，安全內(nèi)核，應(yīng)該盡量少地使用緩存和堆棧，如果能夠完全避免使用它們，那就更好了。

　　正如我們所指出的，通過(guò)破襲正在運(yùn)行系統(tǒng)的組件，可以進(jìn)行大量的控制。然而，當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，可以生成大量其它的惡意程序。在一些情況下，侵入者可以在存儲(chǔ)裝置上寫入代碼，比如導(dǎo)入代碼。這就允許侵入者可以更改代碼，使驅(qū)動(dòng)程序在下次導(dǎo)入時(shí)按照攻擊者所希望的方式而不是它原來(lái)的設(shè)計(jì)所期望的方式工作。這種進(jìn)攻更有可能是由更高一個(gè)層次的黑客來(lái)執(zhí)行的，比如：“了解情況的內(nèi)部人員”。

　　在整個(gè)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中所使用的設(shè)計(jì)功能，通常是進(jìn)入系統(tǒng)的秘密途徑。聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組(JTAG)標(biāo)準(zhǔn)的端口是一個(gè)邊界掃描端口，可以連接到許多電路板級(jí)和芯片級(jí)的資源上，可以讓攻擊者獲得對(duì)幾乎任何一種敏感資源的控制，更改執(zhí)行流程或執(zhí)行代碼。

　　通常情況下，是否在交付產(chǎn)品時(shí)提供JTAG端口，是一個(gè)復(fù)雜而難以決斷的問(wèn)題，這是因?yàn)?，將其取消，就意味著在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的調(diào)試變得十分困難，但是，若是保留它，又會(huì)讓系統(tǒng)存在潛在的弱點(diǎn)，而極易被擊破。這是一個(gè)很好的例子，它說(shuō)明，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，把產(chǎn)品設(shè)計(jì)得盡可能開(kāi)放有用，而同時(shí)又要封閉可造成危害的途徑，這兩者是相互沖突的。

　　如果存在一條外部存儲(chǔ)總線，它為攻擊者提供了重要的機(jī)會(huì)，并對(duì)安全設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。如果攻擊者可以偵測(cè)外部存儲(chǔ)總線，那么他就有可能形成一個(gè)代碼序列，這個(gè)序列反加到原來(lái)的那些總線上后，可以誘騙系統(tǒng)泄漏一些內(nèi)部秘密。這就是我們之前所提到的“重放攻擊”(replay attack)。即使加密的SDRAM，也可由于復(fù)制或回放被選擇的存儲(chǔ)內(nèi)容，而受到這種類型的攻擊。

　　旁路轉(zhuǎn)換緩沖器(translation lookaside buffer，TLB)是一個(gè)高速緩沖存儲(chǔ)器，它將虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成物理地址。應(yīng)對(duì)對(duì)這個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行特別嚴(yán)格的審查，這是因?yàn)椋鳛橄到y(tǒng)的一部分，不但對(duì)于系統(tǒng)性能來(lái)說(shuō)很重要，而且也是可被攻擊的弱點(diǎn)。從我們的目標(biāo)出發(fā)，主要有兩大類：硬件填充，即集成一個(gè)稱作“硬件表walker”的裝置，以及軟件填充。

　　對(duì)于具有“硬件表walker”的系統(tǒng)而言，TLB再次填充是在出現(xiàn)TLB丟失時(shí)由硬件自動(dòng)完成的。如果攻擊者具有可以向存儲(chǔ)有MMU描述符表格的存儲(chǔ)器寫入的權(quán)限，那么攻擊者就可以改變表內(nèi)的內(nèi)容，并寫入錯(cuò)誤的轉(zhuǎn)換關(guān)系。這種行為會(huì)產(chǎn)生很多影響，比如產(chǎn)生一個(gè)對(duì)內(nèi)存或敏感裝置的映射。

　　一個(gè)稍微有些不同的策略適用于具有TLB的軟件填充策略的體系架構(gòu)。MMU和TLB是寄存器控制的，而且需要進(jìn)入優(yōu)先權(quán)才能訪問(wèn)，但系統(tǒng)仍然存在弱點(diǎn)，即執(zhí)行重填入的代碼和該代碼所操作的數(shù)據(jù)都保留在內(nèi)存中，因此容易被惡意的應(yīng)用程序所使用。

　　在密碼學(xué)中，“旁路攻擊”是基于從加密系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)方案所獲取的信息、而非基于理論算法缺陷的任何攻擊行為。眾所周知的攻擊包括定時(shí)攻擊2、功率測(cè)量、輻射監(jiān)測(cè)。在這些攻擊中，功率或輻射特征經(jīng)匯編后，與已知的系統(tǒng)行為相比較，以便找出行為的模式。一旦模式和相應(yīng)的內(nèi)部行為被確定，就可以設(shè)定故障誤注入的時(shí)機(jī)和位置，以使得系統(tǒng)按照需要出現(xiàn)異常。

　　而一些黑客滿足于他們從SOC封裝之外所了解的信息，為了實(shí)現(xiàn)一些高價(jià)值的目標(biāo)[如電子收款機(jī)系統(tǒng)(POS)終端]，我們應(yīng)關(guān)注一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，黑客們將會(huì)嘗試將嵌入式器件的封裝去除，來(lái)進(jìn)行信號(hào)探查和內(nèi)部存儲(chǔ)的分析。作為這個(gè)方法的第一步，攻擊者，很可能是一個(gè)團(tuán)伙中的一員，會(huì)通過(guò)加熱或酸腐蝕來(lái)融化芯片的外殼，以便能置入微探針。完成這一步后，器件開(kāi)始運(yùn)行，黑客嘗試分析模式并測(cè)定弱點(diǎn)。

圖1 描述硬件表Walker攻擊的代碼序列。在初始狀態(tài)下(1)，敏感數(shù)據(jù)駐留在內(nèi)部存儲(chǔ)中，無(wú)法從虛擬地址空間獲取。攻擊者利用專門的探測(cè)手段，可以直接訪問(wèn)外部存儲(chǔ)，以修改MMU描述符表(2)。當(dāng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行下一次虛擬地址(3)的TLB重填的時(shí)刻到來(lái)時(shí)，所針對(duì)的數(shù)據(jù)被映射到虛擬地址空間中，從而被攻擊者所截獲

　　黑客通過(guò)使用故障注入的方法，使用能量脈沖、熱量和高頻率，試圖影響正常的系統(tǒng)運(yùn)行。一旦這些方法的某種組合可以將系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)更“有用”的狀態(tài)，黑客就能獲得更多的信息，從而進(jìn)一步破壞系統(tǒng)的安全性。

　　在一種資源可再生的攻擊中，應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)者已經(jīng)假設(shè)，一旦某種資源，如一個(gè)目標(biāo)文件，被刪除，存儲(chǔ)器中資源的內(nèi)容也就會(huì)被刪除了。但實(shí)際情況并不總是這樣，攻擊可以利用這個(gè)情況來(lái)掃描存儲(chǔ)器，找到有用的殘留信息。一般而言，在一個(gè)安全的環(huán)境中，用密碼寫的應(yīng)用程序，被用來(lái)跟蹤任何包含敏感信息的資源，并在將那些資源返回信息資源池之前將其清除。

　　然而，在應(yīng)用程序崩潰或外部中止的情況下，那種行為就不能得到保證。即使安全地使用存儲(chǔ)器，緊密地控制資源區(qū)，只要在一個(gè)恰當(dāng)時(shí)機(jī)注入故障條件，比如能量脈沖，存儲(chǔ)器中就會(huì)殘留數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)隨后將被黑客所盜取。