摘 要： 闡述了網(wǎng)絡互聯(lián)背景下的嵌入式系統(tǒng)的安全問題，給出二種分析安全問題的方法在嵌入式系統(tǒng)中的應用，分析了影響系統(tǒng)安全的三種因素并介紹了幾種有效的防御方法。
關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡安全 防御技術
隨著嵌入式技術的發(fā)展，許多嵌入式系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡接口。隨之帶來的是廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)的安全問題。如果能在系統(tǒng)設計之初考慮安全問題，可減少系統(tǒng)的安全維護工作。本文先通過實例講述一些不引人注意的嵌入式系統(tǒng)的安全問題，然后給出一套綜合解決方案。
1 綜合實例
以帶有網(wǎng)絡控制功能的家用空調(diào)系統(tǒng)為例來綜合說明嵌入式系統(tǒng)引起的安全事故。當你下班前，從辦公室電腦可以啟動家中空調(diào)，設定其達到的溫度。然而，這種接入因特網(wǎng)的空調(diào)也可能遭受潛在的攻擊。入侵者可以控制家中的空調(diào)。冬天讓室內(nèi)溫度持續(xù)下降使水管凍裂，夏天讓室內(nèi)溫度持續(xù)升高使寵物中暑而死。再把問題擴大一步，假如城市里每家的空調(diào)都聯(lián)網(wǎng)并和電力調(diào)度公司的調(diào)度程序發(fā)生關聯(lián)，用電高峰時，電力公司可以強制設定空調(diào)上調(diào)或下調(diào)溫度，這樣可以避免高峰拉閘。這是空調(diào)上網(wǎng)的好處，但被人惡意利用就會變成壞事。如電力公司為贏利，在用電非高峰時集體調(diào)節(jié)一點空調(diào)的設定溫度，使電力消費增加，用戶就增加了開銷。再看隱私方面，如果入侵者設法從網(wǎng)上查到你家的室內(nèi)溫度，就可以判斷家里有沒有人。
2 原因分析
下面的因素是導致嵌入系統(tǒng)安全問題的根本原因。
(1)價格因素。結(jié)構簡單好用，價格便宜也是嵌入式設計追求目標。公司在選擇芯片時，滿足好用夠用就可以了。如果從軟硬件上增加過多的安全措施，成本則會提高。而簡約的嵌入式系統(tǒng)上大量使用的4位和8位機，也不能運行過多的安全任務。
(2)面廣量大。嵌入式系統(tǒng)在生活、工作、娛樂、教育、軍事等方面大量使用。如果系統(tǒng)設計有缺陷，則影響面非常大。若有的嵌入式系統(tǒng)被入侵者利用，將會成為多點攻擊的武器。
(3)電源的限制。許多嵌入式系統(tǒng)都是用電池供電，如果尋找方法將其電力提前耗盡而又沒有得到及時的更換， 則該系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài)，很容易造成安全漏洞，從而為入侵者開了方便之門。
(4)開發(fā)隊伍和環(huán)境的制約。許多嵌入式系統(tǒng)都是小團隊做的。由于缺少安全方面的專家及經(jīng)費短缺，設計中對安全問題考慮不足。而用戶往往也只追求嵌入式產(chǎn)品的小巧精致，方便好用即可。
3 安全分析方法
有二種安全性分析技術：故障模型及后果分析(Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA)和故障樹分析(Failure Tree Analysis，F(xiàn)TA）。安全性分析是對因果關系的探討，“因”即引起安全問題的原因，而“果”就是潛在的危害。
3.1 FMEA和嵌入式應用實例
FMEA可以確定某個部件或組件出現(xiàn)故障之后系統(tǒng)將采取的行為，例如錯誤數(shù)據(jù)或意料之外的行為發(fā)生時，從軟件及硬件上都可以對其行為后果加以分析。
圖1為一個較為典型的FMEA分析技術。
3.2 FTA及其嵌入式應用實例
FTA也是一種用來分析安全性和可靠性問題的技術。FTA與FMEA分析方法不同。FTA從所有可能的事件開始，并圍繞事件的結(jié)果做工作。FTA是用圖示的方法直接從已確定安全事件(處于樹的頂層)開始，反向找出問題發(fā)生的原因。運用邏輯運算符，如“與”、“或”把與頂層事件有關的中間事件進行連接組合。圖2是應用FTA分析嵌入式產(chǎn)品安全問題的一個簡單示例。在實際應用中往往二種方法綜合應用才能取得較好的效果。
4 嵌入式系統(tǒng)安全問題解法方案
網(wǎng)絡安全是使網(wǎng)絡系統(tǒng)的硬件、軟件及數(shù)據(jù)受到保護，避免因意外或惡意的操作而遭到破壞、更改、泄露，從而保證系統(tǒng)連續(xù)、可靠、正常地運行，網(wǎng)絡服務不中斷。三個基本的網(wǎng)絡安全服務是：數(shù)據(jù)加密、內(nèi)容完整性和授權。在解決網(wǎng)絡安全性問題時往往要綜合施治。
4.1 嵌入式系統(tǒng)安全的三個層次
嵌入式系統(tǒng)安全要綜合考慮物理層、平臺層以及應用層三個方面。
(1)物理層。嵌入式系統(tǒng)物理層的安全問題比較容易解決。就系統(tǒng)本身而言，根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境，在設計目標和設計要求時選擇符合相關標準的器件，進行規(guī)范化設計和施工就可以了。但從整個行業(yè)規(guī)范來看，由于網(wǎng)絡系統(tǒng)的脆弱性，致使電子通信的可靠性下降，而市場對安全信任的需求又越來越迫切，促使一些大型IT公司決定共同解決這個課題。為了建立工業(yè)規(guī)范并實現(xiàn)值得信任的計算方案，在1999年建立了“值得信任的計算平臺聯(lián)盟”（Trusted Computer Platform Association，TCPA)。其目標就是使信息和通信制造符合標準，在系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件中實現(xiàn)值得信任的計算規(guī)范。目前，TCPA有160多個成員，其中就有很多的生產(chǎn)硬件的企業(yè)。目前已經(jīng)生產(chǎn)出符合TCPA規(guī)范的嵌入式安全芯片產(chǎn)品。
(2)平臺層。據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)有嵌入式產(chǎn)品中，4位機沒有使用操作系統(tǒng)的實例，8位機約有30%使用了操作系統(tǒng)，而16位機以上的嵌入式產(chǎn)品帶有操作系統(tǒng)的占了70%以上。嵌入式操作系統(tǒng)的規(guī)模一般都比較小，不少產(chǎn)品開放了源碼，使得操作系統(tǒng)本身幾乎是透明的，不會存在“后門”的情況。但由于嵌入式操作系統(tǒng)受到系統(tǒng)規(guī)模的限制，不可能像Windows XP SP2那樣使用過多的安全措施。其主要作用還是隔離硬件層，便于產(chǎn)品開發(fā)和維護。應用中常結(jié)合各種安全協(xié)議來考慮。
(3)應用層。傳統(tǒng)的保證數(shù)據(jù)安全的方法是對數(shù)據(jù)進行加密傳輸。不少嵌入式處理器處理數(shù)據(jù)的能力不高，浮點運算能力不強，若要提供實時的數(shù)據(jù)加解密運算，處理器的速度往往不能勝任。根據(jù)系統(tǒng)要求，優(yōu)先選擇開銷小的安全協(xié)議和算法，或者由硬件來實施加解密算法。
4.2 安全防御技術
網(wǎng)絡安全防御技術可分為主動防御技術和被動防御技木。
(1)主動防御技術
主動防御技術一般有數(shù)據(jù)加密、身份驗證、存取控制、授權和虛擬網(wǎng)絡等技木。下面介紹二種能在嵌入式系統(tǒng)中實施的、較新的安全技術。
?、偬摂M網(wǎng)絡技術(Virtual Private Network，VPN)
虛擬專用網(wǎng)絡是一個虛擬專用網(wǎng)，它允許二個或更多的網(wǎng)絡設備跨越一個不安全的網(wǎng)絡進行安全通信。以Microsoft 公司的IPSec（Internet Protocol Security）協(xié)議為代表的VPN平臺,從網(wǎng)絡層(IP 層)實現(xiàn)安全加密。在一個基于IPSec實現(xiàn)的VPN中，一個遠端用戶能夠無縫、透明和高安全性地訪問遠端設備上的任何服務和文件。在IP上層的應用(如Telnet、FTP以及Web服務)都可以集成到這個安全框架內(nèi)。把IPSec加入到嵌入式設計中也需要一個嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧，并具有適當?shù)募用?解密入口點和可選的IPSec及IKE（Internet Key Exchange）安全協(xié)議模塊。當采用“預共享”密碼實現(xiàn)方案時，嵌入式TCP/IPv4協(xié)議棧、IPSec和IPSec密碼庫的內(nèi)存占用量小于100KB。由于編碼是模塊化的，很容易集成到便攜式硬件、加/解密硬件或者密碼加速器和協(xié)處理器中。VPN還有一個顯著優(yōu)點就是可充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)快速實現(xiàn)安全通信。
?、诿酃藜夹g（Honeypot）和蜜網(wǎng)技術（Honeynet）
蜜罐是一個包含漏洞的誘騙系統(tǒng)，它是專門為吸引并“誘騙”那些試圖非法闖入他人計算機系統(tǒng)的人設計的。它通過模擬一個或多個易受攻擊的主機，給攻擊者提供一個容易受攻擊的目標。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，蜜罐技術已經(jīng)發(fā)展成為誘騙攻擊者的一種非常有效而實用的方法,其應用集中在對外部威脅的識別。蜜罐技術與防火墻技術、入侵檢測技術、病毒防護技術、數(shù)據(jù)加密和認證技術有很大不同，后者是在攻擊者對網(wǎng)絡進行攻擊時對系統(tǒng)進行被動的防護，而蜜罐技術可以采取主動的方式。
蜜網(wǎng)(其自由組織網(wǎng)址是http：//www.honeynet.org)可以說是更安全、更強大的蜜罐，它由很多網(wǎng)絡上“蜜罐”的“陷阱”構成，它以更合理的方式記錄下黑客的行動，同時盡量減少可能對其他系統(tǒng)造成的危害。成功的案例表明，蜜網(wǎng)誘使許多黑客白白浪費了大量精力。嵌入式產(chǎn)品面廣量大，如果組織合理，蜜網(wǎng)技術將是一種較好的主動防御技術。
(2)被動防御技術
目前，被動防御技術有防火墻技術、安全掃描器、密碼檢查器、記賬服務、路由過濾等。
?、俜阑饓Γ‵irewall）技術
防火墻是內(nèi)部網(wǎng)與外網(wǎng)之間實施安全防范的系統(tǒng)，可被認為是一種訪問控制機制，用于確定哪些內(nèi)部服務允許外部訪問，以及哪些外部服務允許內(nèi)部訪問。根據(jù)不同的配置，防火墻可以分為：數(shù)據(jù)包過濾防火墻、代理服務型防火墻、監(jiān)測型防火墻、網(wǎng)絡地址轉(zhuǎn)換型防火墻。防火墻技術是目前用得較多的安全技術。防火墻大多放在網(wǎng)關上，因此在上網(wǎng)的嵌入式設備上使用非常方便，效果也較好，并可以減輕嵌入式產(chǎn)品自身的安全設計負擔。
?、诎踩珯z測（Security Detection）
安全檢測功能可自動檢測遠程或本地主機安全性，用于觀察網(wǎng)絡是否在正常工作，收集主機的信息，并提出安全建議。大型操作系統(tǒng)一般都有此功能，當然也可在應用級設計安全掃描程序。另外當系統(tǒng)遭受攻擊時，系統(tǒng)還可以對攻擊進行檢測，識別出網(wǎng)絡攻擊行為，并讓系統(tǒng)采取相應的對策。安全任務既可以由嵌入式設備自身實施，也可以由上位機實現(xiàn)。
?、鄯盏怯?Service Log)
在系統(tǒng)中保留一個日志文件，與安全相關的事件可以記錄在日志文件中備查和分析，用以追查有關責任者，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)安全的弱點和可入侵點。嵌入式系統(tǒng)可以將工作日志記錄在其服務器。顯然這項功能會加重處理器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢摀杂涗浀捻椖坎灰颂嗵殹?br />
?、軘?shù)據(jù)備份(Data Backup)
將系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)和過程實時記錄下來，以便系統(tǒng)遭受損壞后盡快恢復。嵌入式系統(tǒng)由于資源受限，往往不可能對其數(shù)據(jù)進行本機備份，可通過網(wǎng)絡進行異地備份。
綜合以上的安全因素和防御方法可以看出，各種方法各有其特點，使用時要根據(jù)風險級別、系統(tǒng)設計目標和系統(tǒng)造價進行綜合考慮。對大量使用的、性能一般的嵌入式微處理系統(tǒng)，防火墻和IPSec技術具有配置靈活、性價比較高等特點，是容易采用且較為成熟的技術。
5 結(jié)束語
由于嵌入系統(tǒng)安全問題的復雜性，決定了必須采用軟件工程方法來分析。對系統(tǒng)防御也必須綜合實施，沒有一個萬全之策。目前嵌入式方面的安全研究工作國內(nèi)還做得不多，因此還需要投入大量的研究。
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