嵌入式系統(tǒng)安全性對攻擊狀況和防衛(wèi)策略的概述和分析

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

　　在這篇調(diào)研報告中，我們將回顧最基本的攻擊狀況、系統(tǒng)弱點，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分析系統(tǒng)的強化，比如安全引導(dǎo)、系統(tǒng)管理程序?qū)Υ鎯ζ鞯目刂啤?/p>

　　產(chǎn)品層次的正式安全認證可以具體到某一特定的應(yīng)用，于是，詳情會被保存得相當隱秘，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。它是在異常和危險情況下系統(tǒng)生存的關(guān)鍵。比如說，計算機軟件在輸入錯誤、磁盤故障、網(wǎng)絡(luò)過載或有意攻擊情況下，能否不死機、不崩潰，就是該軟件的魯棒性。)

攻擊狀況分析

　　知道我們所擔心的是什么，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，從相對低強度的軟件攻擊—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)找到的軟件—一直到資金充足的工業(yè)間諜活動。

攻擊狀況可合乎情理地劃分為如下幾類：

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

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

　　.一個有資金支持的組織：一個組織將能夠組建具有技術(shù)互補性的專家隊伍。在那個對系統(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，而該組織可以通過增加人手來填補這些領(lǐng)域內(nèi)的空白。他們將有機會使用先進的分析工具和精密的儀器來更改組件。聚焦離子束(FIB)是一種復(fù)雜且昂貴設(shè)備的技術(shù)，可以用來修改集成電路。這種設(shè)備遠遠超過大多數(shù)個人的使用需要，但是，那些破解有著重要價值的對象的安全防護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)的開發(fā)過程中，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)集成的角度來說，這是有道理的。但是使得系統(tǒng)易遭攻擊，因為任何會受到威脅的系統(tǒng)組成部分，可以具有最高權(quán)限級別，因此可以訪問大量系統(tǒng)資源。

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

　　在實際應(yīng)用中，這種攻擊可以通過發(fā)含有鏈接的郵件，這樣一個簡單的權(quán)宜之計來實現(xiàn)。其中，郵件中鏈接所指的是一個具有惡意HTML的服務(wù)器。如果接收者電擊那個鏈接，使用那個攻擊所轉(zhuǎn)化的安裝程序，接收者就很可能受到攻擊。

　　從安全的角度來說， DMA(直接存儲器存取)存儲器是一個令人頭疼的問題。它們使用一種強大的機制來迅速而有效地轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，但是它們轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過程也是大多數(shù)系統(tǒng)所無法控制的。如果目標裝置是有DMA能力的，一個惡意的應(yīng)用程序通過注入代碼和數(shù)據(jù)或獲取敏感信息，可以完全地搞垮一個系統(tǒng)。DMA控制器，由于它們可以很輕松地進行繞過保護層和訪問存儲器，因此在正在設(shè)計的SOC和系統(tǒng)中，必須對其進行一系列詳細的審查。

　　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存儲用戶向一個程序所提供的輸入的堆棧，比如說：姓名、住址、電話號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，與返回存儲地址一起，存儲在堆棧里。

　　然而，在一些情況下，應(yīng)用軟件并不進行適當?shù)臋z查，來確定接受到的數(shù)據(jù)是否超出了所分配的緩沖存儲區(qū)域。向緩存中本該操作者輸入數(shù)據(jù)的區(qū)域，傳送尺寸過大的數(shù)據(jù)，并伴以一段惡意的執(zhí)行代碼及一個用來覆蓋調(diào)用程序的返回地址的地址數(shù)據(jù)。那個特大的數(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，由于地址數(shù)據(jù)過多的返回地址指向攻擊者的惡意代碼，當功能嘗試返回時，就開始執(zhí)行黑客在錯誤返回地址所寫的代碼。這種危害已經(jīng)達成，侵入者掌握了控制權(quán)。

　　一旦攻擊行動成功地將執(zhí)行代碼放入它的域中，系統(tǒng)水平上的危險度就依賴于賦予被劫持的進程的授權(quán)水平。當然，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相對減小。

  由于這些種類數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的廣泛使用，這是一種相當普遍的攻擊方式。所以，在一些任何安全防護壁壘中，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，通過破襲正在運行系統(tǒng)的組件，可以進行大量的控制。然而，當系統(tǒng)關(guān)閉時，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)動程序在下次導(dǎo)入時按照攻擊者所希望的方式而不是它原來的設(shè)計所期望的方式工作。這種進攻更有可能是由更高一個層次的黑客來執(zhí)行的，比如：“了解情況的內(nèi)部人員”。

　　在整個程序開發(fā)過程中所使用的設(shè)計功能，通常是進入系統(tǒng)的秘密途徑。聯(lián)合測試行動組(JTAG)標準的端口是一個邊界掃描端口，可以連接到許多電路板級和芯片級的資源上，可以讓攻擊者獲得對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)品時提供JTAG端口，是一個復(fù)雜而難以決斷的問題，這是因為，將其取消，就意味著在現(xiàn)場進行的調(diào)試變得十分困難，但是，若是保留它，又會讓系統(tǒng)存在潛在的弱點，而極易被擊破。這是一個很好的例子，它說明，在設(shè)計過程中，把產(chǎn)品設(shè)計得盡可能開放有用，而同時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總線，它為攻擊者提供了重要的機會，并對安全設(shè)計來說是一個重要的挑戰(zhàn)。如果攻擊者可以偵測外部存儲總線，那么他就有可能形成一個代碼序列，這個序列反加到原來的那些總線上后，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)是一個高速緩沖存儲器，它將虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換成物理地址。應(yīng)對對這個子系統(tǒng)進行特別嚴格的審查，這是因為，作為系統(tǒng)的一部分，不但對于系統(tǒng)性能來說很重要，而且也是可被攻擊的弱點。從我們的目標出發(fā)，主要有兩大類：硬件填充，即集成一個稱作“硬件表walker”的裝置，以及軟件填充。

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

　　一個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，而且需要進入優(yōu)先權(quán)才能訪問，但系統(tǒng)仍然存在弱點，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。

　　在密碼學中，“旁路攻擊”是基于從加密系統(tǒng)的物理實現(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攻擊2、功率測量、輻射監(jiān)測。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)定故障誤注入的時機和位置，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，為了實現(xiàn)一些高價值的目標[如電子收款機系統(tǒng)(POS)終端]，我們應(yīng)關(guān)注一個更現(xiàn)實的問題，黑客們將會嘗試將嵌入式器件的封裝去除，來進行信號探查和內(nèi)部存儲的分析。作為這個方法的第一步，攻擊者，很可能是一個團伙中的一員，會通過加熱或酸腐蝕來融化芯片的外殼，以便能置入微探針。完成這一步后，器件開始運行，黑客嘗試分析模式并測定弱點。

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)部存儲中，無法從虛擬地址空間獲取。攻擊者利用專門的探測手段，可以直接訪問外部存儲，以修改MMU描述符表(2)。當應(yīng)當進行下一次虛擬地址(3)的TLB重填的時刻到來時，所針對的數(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)運行。一旦這些方法的某種組合可以將系統(tǒng)驅(qū)動到一個更“有用”的狀態(tài)，黑客就能獲得更多的信息，從而進一步破壞系統(tǒng)的安全性。

　　在一種資源可再生的攻擊中，應(yīng)用程序的開發(fā)者已經(jīng)假設(shè)，一旦某種資源，如一個目標文件，被刪除，存儲器中資源的內(nèi)容也就會被刪除了。但實際情況并不總是這樣，攻擊可以利用這個情況來掃描存儲器，找到有用的殘留信息。一般而言，在一個安全的環(huán)境中，用密碼寫的應(yīng)用程序，被用來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器，緊密地控制資源區(qū)，只要在一個恰當時機注入故障條件，比如能量脈沖，存儲器中就會殘留數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)隨后將被黑客所盜取。