嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題的解析

　嵌入式是一種專用的計算機系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。通常，嵌入式系統(tǒng)是一個控制程序存儲在ROM中的嵌入式處理器控制板。事實上，所有帶有數(shù)字接口的設(shè)備，如手表、微波爐、錄像機、汽車等，都使用嵌入式系統(tǒng)，有些嵌入式系統(tǒng)還包含操作系統(tǒng)，但大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都是是由單個程序?qū)崿F(xiàn)整個控制邏輯。如果能在系統(tǒng)設(shè)計之初考慮廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)的安全問題，可減少系統(tǒng)的安全維護工作。

　　1  綜合實例

　　嵌入式系統(tǒng)在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用普及率極高。在設(shè)計過程中，根據(jù)需要對嵌入式系統(tǒng)重新編程，可避免前端流片（NRE）成本，減少和ASIC相關(guān)的訂量，降低芯片多次試制的巨大風險。此外，隨著標準的發(fā)展或者當需求出現(xiàn)變化時，還可以在現(xiàn)場更新，而且設(shè)計人員能夠反復(fù)使用公共硬件平臺，在一個基本設(shè)計基礎(chǔ)上，建立不同的系統(tǒng)，支持各種功能，從而大大降低生產(chǎn)成本。使產(chǎn)品具有較長的生命周期，可以保護醫(yī)療儀器不會太快過時，醫(yī)療行業(yè)的產(chǎn)品生命周期比較長，因此這一特性非常重要。現(xiàn)代數(shù)字醫(yī)療儀器設(shè)備不但包括診療設(shè)備，而且還有數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器和接口軟件。嵌入式系統(tǒng)可為醫(yī)療儀器設(shè)備設(shè)計、生產(chǎn)和使用提供先進的技術(shù)支持。

　　2  原因分析

　?。?）價格因素。結(jié)構(gòu)簡單好用，價格便宜也是嵌入式設(shè)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(wù)。

　?。?）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(shè)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。

　?。?）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。

　?。?）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(shè)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(shù)：故障模型及后果分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）和故障樹分析（Failure Tree Analysis，F(xiàn)TA）。安全性分析是對因果關(guān)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(yīng)用實例

　　FMEA是一種可靠性設(shè)計的重要方法。它實際上是FMA（故障模式分析）和FEA（故障影響分析）的組合。它對各種可能的風險進行評價、分析，以便在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上消除這些風險或?qū)⑦@些風險減小到可接受的水平。

　　圖1為一個較為典型的FMEA分析技術(shù)。

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　　3.2 FTA及其嵌入式應(yīng)用實例

　　FTA也是一種用來分析安全性和可靠性問題的技術(shù)。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。設(shè)計FMEA（也記為d-FMEA）應(yīng)在一個設(shè)計概念形成之時或之前開始，并且在產(chǎn)品開發(fā)各階段中，當設(shè)計有變化或得到其他信息時及時不斷地修改，并在圖樣加工完成之前結(jié)束。其評價與分析的對象是最終的產(chǎn)品以及每個與之相關(guān)的系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零部件，圖2是應(yīng)用FTA分析嵌入式產(chǎn)品安全問題的一個簡單示例。

　　4  嵌入式系統(tǒng)安全問題解法方案

　　網(wǎng)絡(luò)安全是使網(wǎng)絡(luò)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(luò)服務(wù)不中斷。三個基本的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)是：數(shù)據(jù)加密、內(nèi)容完整性和授權(quán)。

　　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(yīng)用層三個方面。

　?。?）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(shè)計目標和設(shè)計要求時選擇符合相關(guān)標準的器件，進行規(guī)范化設(shè)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(luò)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)。

　?。?）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。

　　（3）應(yīng)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。[!--empirenews.page--]

　　4.2 安全防御技術(shù)

　　網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)可分為主動防御技術(shù)和被動防御技木。網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)指致力于解決諸如如何有效進行介入控制，以及何如保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘募夹g(shù)手段，主要包括物理安全分析技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安全分析技術(shù)，系統(tǒng)安全分析技術(shù)，管理安全分析技術(shù)，及其它的安全服務(wù)和安全機制策略。

　　（1）主動防御技術(shù)

　　主動防御技術(shù)一般有數(shù)據(jù)加密、身份驗證、存取控制、授權(quán)和虛擬網(wǎng)絡(luò)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(shù)。

　　①虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Virtual Private Network，VPN）

　　虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network ，簡稱VPN）指的是在公用網(wǎng)絡(luò)上建立專用網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)。其之所以稱為虛擬網(wǎng)，主要是因為整個VPN網(wǎng)絡(luò)的任意兩個節(jié)點之間的連接并沒有傳統(tǒng)專網(wǎng)所需的端到端的物理鏈路，而是架構(gòu)在公用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的網(wǎng)絡(luò)平臺，如Internet、ATM（異步傳輸模式〉、Frame Relay （幀中繼）等之上的邏輯網(wǎng)絡(luò)，用戶數(shù)據(jù)在邏輯鏈路中傳輸。它涵蓋了跨共享網(wǎng)絡(luò)或公共網(wǎng)絡(luò)的封裝、加密和身份驗證鏈接的專用網(wǎng)絡(luò)的擴展。VPN主要采用了彩隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)和使用者與設(shè)備身份認證技術(shù)。

　?、诿酃藜夹g(shù)（Honeypot）和蜜網(wǎng)技術(shù)（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(shè)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(shù)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(yīng)用集中在對外部威脅的識別。蜜罐技術(shù)與防火墻技術(shù)、入侵檢測技術(shù)、病毒防護技術(shù)、數(shù)據(jù)加密和認證技術(shù)有很大不同，后者是在攻擊者對網(wǎng)絡(luò)進行攻擊時對系統(tǒng)進行被動的防護，而蜜罐技術(shù)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(luò)上“蜜罐”的“陷阱”構(gòu)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。

　?。?）被動防御技術(shù)

　　目前，被動防御技術(shù)有防火墻技術(shù)、安全掃描器、密碼檢查器、記賬服務(wù)、路由過濾等。

　　①防火墻（Firewall）技術(shù)

　　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(wù)允許外部訪問，以及哪些外部服務(wù)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(wù)型防火墻、監(jiān)測型防火墻、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換型防火墻。防火墻技術(shù)是目前用得較多的安全技術(shù)。防火墻大多放在網(wǎng)關(guān)上，因此在上網(wǎng)的嵌入式設(shè)備上使用非常方便，效果也較好。

　?、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(luò)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(yīng)用級設(shè)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(luò)攻擊行為，并讓系統(tǒng)采取相應(yīng)的對策。安全任務(wù)既可以由嵌入式設(shè)備自身實施，也可以由上位機實現(xiàn)。

　?、鄯?wù)登記（Service Log）

　　在系統(tǒng)中保留一個日志文件，與安全相關(guān)的事件可以記錄在日志文件中備查和分析，用以追查有關(guān)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(wù)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?/p>

　?、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(fù)。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(luò)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(shè)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(shù)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(shù)。

　　5  結(jié)束語

　　由于嵌入系統(tǒng)安全問題的復(fù)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。