嵌入式系統(tǒng)“多大程度的 安全才算安全”

當(dāng)今的嵌入式系統(tǒng)常常處理應(yīng)用代碼（IP）和數(shù)據(jù)等敏感信息，因此安全是其設(shè)計(jì)的一個(gè)主要關(guān)注因素。為了確立一個(gè)合理的基礎(chǔ)來(lái)判斷建議的安全系統(tǒng)是否足以御敵或是防衛(wèi)過(guò)當(dāng)，就必須識(shí)別所察覺到的安全威脅。這意味著我們需要弄清對(duì)手有哪些，他們有什么樣的能力，他們的目標(biāo)是什么？我們要保護(hù)什么，我們要防范誰(shuí)的威脅或什么威脅？世界上并沒有一個(gè)包打天下的解決方案，也沒有百分之百安全的安全系統(tǒng)。然而，安全系統(tǒng)不必是完美無(wú)缺的解決方案，也不需要全然牢不可破以至于失去應(yīng)用價(jià)值。安全系統(tǒng)只要足夠安全即可，也就是在它所保護(hù)的數(shù)據(jù)的預(yù)期有效時(shí)間內(nèi)，它能夠抵御可能的敵人進(jìn)攻即可。

若沒有應(yīng)用環(huán)境，安全就沒有意義

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。當(dāng)今設(shè)計(jì)師面臨的最棘手難題之一就是明確嵌入式系統(tǒng)的安全要求和目標(biāo)。有助于解決這一難題的方法很多，本文所討論的方法涉及威脅建模和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，目的是幫助設(shè)計(jì)師定義安全策略，然后設(shè)計(jì)對(duì)策來(lái)實(shí)施安全策略。

安全設(shè)計(jì)——在設(shè)計(jì)的初始階段檢測(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)。參見圖1

圖1設(shè)計(jì)安全方案需要（1）定義一個(gè)威脅模型，（2）創(chuàng)建一個(gè)安全策略。

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)給他們的終端產(chǎn)品帶來(lái)的重大風(fēng)險(xiǎn)。相反，他們教條地把各類安全技術(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)中囊括那些沒有必要的技術(shù)和防御沒有實(shí)際威脅的風(fēng)險(xiǎn)毫無(wú)意義。

威脅建模——價(jià)值意味著風(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)，仍有可能開發(fā)出使產(chǎn)品在開放環(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“威脅建模”的原理非常有用。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，我們就能評(píng)估攻擊的概率、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)是怎樣受到攻擊的。若建模成功，它就能解決潛在的系統(tǒng)安全故障隱患，諸如怎樣發(fā)生故障、以及故障時(shí)出現(xiàn)什么情況等問題。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，這個(gè)概念首先是由Bruce Schneier［1，2］提出來(lái)的。攻擊樹提供一種將攻擊系統(tǒng)的不同方式進(jìn)行系統(tǒng)性分類的方法。大致來(lái)說(shuō)，就是以一種樹的結(jié)構(gòu)描述系統(tǒng)所受的攻擊，樹結(jié)構(gòu)模型中的節(jié)點(diǎn)代表攻擊。樹的根節(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)，如圖2所示。

圖2.代表任何必須保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）的嵌入式系統(tǒng)的攻擊樹，此類系統(tǒng)包括手機(jī)、VoIP、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等

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)措施。盡管DVD碟片被加密，密鑰也放在播放機(jī)里，只要播放機(jī)里包含抗篡改硬件，這種保護(hù)方式是沒有問題的。但引入軟件播放器時(shí)，密鑰會(huì)曝露出來(lái)，通過(guò)逆向工程就能恢復(fù)密鑰，也使任何人都能隨便復(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)法真正解決問題。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

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，因此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)估的一些基礎(chǔ)問題，即“保護(hù)什么”、“為什么要保護(hù)”和“防范的對(duì)象是誰(shuí)”，應(yīng)在設(shè)計(jì)周期的最初階段厘清。盡早采取表1所示的措施，將有助于您選擇有效、安全的防范技術(shù)和防御策略。

表1.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

安全策略

識(shí)別出威脅，并權(quán)衡風(fēng)險(xiǎn)后，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，基于FPGA設(shè)計(jì)的安全策略目標(biāo)之一也許是“保持配置位流的機(jī)密性”，這是一個(gè)系統(tǒng)目標(biāo)。“如何做”或?qū)Σ叩膶?shí)施可能是采用諸如AES等對(duì)稱密鑰加密的方式，對(duì)配置位流進(jìn)行加密以便實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。

整體的設(shè)計(jì)流程總結(jié)如下：

了解系統(tǒng)的真正威脅，并評(píng)估這些威脅的風(fēng)險(xiǎn)。

評(píng)估哪些威脅是最危險(xiǎn)的，并且最可能發(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)和回應(yīng)的混合機(jī)制。

防范措施

在確定了潛在的攻擊，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三個(gè)不同的部分：保護(hù)、檢測(cè)、回應(yīng)。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)制也就沒有意義。

在嵌入式系統(tǒng)中，保護(hù)、檢測(cè)和回應(yīng)技術(shù)可以采取許多形式（參見表2）。這些技術(shù)互相配合，可以阻止?jié)撛诘墓?，或者在受到攻擊后提供有用的法庭審核信息?/p>

表2.防范技術(shù)

結(jié)語(yǔ)

安全設(shè)計(jì)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技術(shù)資料供設(shè)計(jì)師研究和學(xué)習(xí)。在開始進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的事情就是盡早開始安全需求評(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。

您什么時(shí)候才能知道系統(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)：“在您感覺不夠安全之前，安全措施總是會(huì)過(guò)量的。”當(dāng)您開始安全評(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)問題的答案。