理想的嵌入式軟件一向兼具安全和防護(hù)設(shè)計。然而，“連網(wǎng)”給醫(yī)療、自動駕駛和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備等安全關(guān)鍵的應(yīng)用中，帶來了無法容忍程度的安全漏洞。

安全與防護(hù)的緊密結(jié)合，加上受到威脅程度的提高，使得開發(fā)者必須充分了解安全與防護(hù)之間的區(qū)別，而且從設(shè)計一開始就應(yīng)用行業(yè)最佳實踐，才能確保兩者都被設(shè)計進(jìn)產(chǎn)品中(圖1)。

圖1：過濾缺陷：理想的軟件和硬件設(shè)計要求在整個設(shè)計過程中采用多層次質(zhì)量保證、防御和安全保護(hù)。(來源：Barr Group)

設(shè)計不佳的影響

隨著物聯(lián)網(wǎng)的崛起，系統(tǒng)現(xiàn)在很容易受到“遠(yuǎn)程攻擊”的影響。最近的一起事件涉及索尼網(wǎng)絡(luò)安全攝像機(jī)被發(fā)現(xiàn)存在后門帳戶。這些端口可能被黑客用于使用僵尸網(wǎng)絡(luò)(botnet)惡意軟件感染系統(tǒng)，并發(fā)起更多攻擊。索尼因此開發(fā)了固件補(bǔ)丁，用戶可以下載來關(guān)閉后門。但實例中，還有許多編碼或設(shè)計錯誤是不可恢復(fù)且可能造成災(zāi)難性后果的。

為了證明這點(diǎn)，兩名安全研究人員曾經(jīng)以遠(yuǎn)程無線方式 “黑”了一輛行駛中的Jeep Grand Cherokee，接管了儀表盤功能、方向盤、傳動和剎車制動系統(tǒng)等。當(dāng)然，這一“劫持”并非惡意，而是經(jīng)過司機(jī)許可，讓研究人員得以展示如何輕松地攻擊網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有多么簡單。盡管如此，這次的黑客入侵實驗還是導(dǎo)致Chrysler召回了140萬輛車。

當(dāng)然，系統(tǒng)不一定非要連到互聯(lián)網(wǎng)，才易受攻擊、不安全：編寫不佳的嵌入式代碼和設(shè)計決策已造成這樣的傷害了。例如1983年推出治療癌癥用的Therac-25放射治療機(jī)，就是一個關(guān)于系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該避免哪些錯誤的經(jīng)典研究案例。軟件錯誤、缺少硬件互鎖，以及整體性較差的設(shè)計決策等多種因素結(jié)合在一起，導(dǎo)致了致命的輻射劑量。

導(dǎo)致Therac-25造成致命事故的元兇包括：

?不成熟和不充分的軟件開發(fā)過程(“未經(jīng)測試的軟件”)

?不完整的可靠性建模和故障模式分析

?未針對關(guān)鍵軟件進(jìn)行(獨(dú)立)審查

?舊版軟件的重新使用不當(dāng)

主要故障模式之一涉及頻繁溢出的測試?yán)讨械?字節(jié)計數(shù)器。如果操作人員在溢出時為機(jī)器提供手動輸入，系統(tǒng)使用基于軟件的互鎖將會失效。

1996年6月，歐洲太空總署的火箭Ariane5(Flight 501)在發(fā)射后，偏離其預(yù)定的飛行計劃，而不得不引爆自毀，這是由于為了求快，而省略了溢出檢查所導(dǎo)致的。當(dāng)一個保持水平速度的變量溢出時，就無法進(jìn)行檢測并作出適當(dāng)響應(yīng)。

盡管如此，關(guān)鍵的程序代碼和安防漏洞仍然未得到審查。事實上，Barr Group的《2017年嵌入式系統(tǒng)安全與安防調(diào)查》顯示，在工程師所進(jìn)行的項目中，如果連接至互聯(lián)網(wǎng)的項目被黑客攻擊，就會整個掛掉：

?22％未將安全性能作為設(shè)計要求

?19％沒遵循編碼標(biāo)準(zhǔn)

?42％根本沒有或只偶爾進(jìn)行代碼審查

?48％的人未對其在互聯(lián)網(wǎng)上的通信進(jìn)行加密

?超過33％未執(zhí)行靜態(tài)分析。

了解安全與防護(hù)的真正意義，是朝著彌補(bǔ)這一局面邁出的重要一步。

定義安全和防護(hù)性

安全和防護(hù)(safety & security)這兩個詞經(jīng)常被混用。有些開發(fā)者經(jīng)常會有這樣的誤解：如果能編寫出好的代碼，那么項目就將是安全且受保護(hù)的。但顯然不是。

一個“安全”的系統(tǒng)是指：在正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)本身不會對用戶，或其他任何人造成傷害的系統(tǒng)。“安全關(guān)鍵”(safety critical)系統(tǒng)是一種在故障時，可能導(dǎo)致傷害或傷亡的系統(tǒng)。因此，設(shè)計者的目標(biāo)就是盡可能確保系統(tǒng)不出故障或者癱瘓。

另一方面，“防護(hù)”主要關(guān)注于產(chǎn)品在授權(quán)用戶使用其資產(chǎn)的同時，也防范未經(jīng)授權(quán)的接入(如黑客)的能力。這些資產(chǎn)包括流動或動態(tài)數(shù)據(jù)、代碼和知識產(chǎn)權(quán)(IP)、處理器和系統(tǒng)控制中心、通信端口、內(nèi)存和具有靜態(tài)數(shù)據(jù)的存儲器。

現(xiàn)在應(yīng)該變得較明朗了，雖然系統(tǒng)能加以防護(hù)，但并不一定自動具有安全性：危險的系統(tǒng)也可能與安全可靠的系統(tǒng)一樣具有防護(hù)性。然而，不具防護(hù)性的系統(tǒng)總是不安全的，因為即使一開始時它的功能是安全的，但其易于受到未經(jīng)授權(quán)侵入的脆弱性，意味著它可能在任何時候變得不安全。

實現(xiàn)安全和防護(hù)設(shè)計

當(dāng)談到設(shè)計安全時，有很多因素要考慮，正如Therac-25的例子一樣。然而，設(shè)計師只能控制其設(shè)計方面，而本文著重的是固件。

關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用的一個很好例子是現(xiàn)代化汽車。這些車輛內(nèi)可能有1億多行代碼，但卻掌握在經(jīng)常缺乏訓(xùn)練或分心的用戶(駕駛員)手中。為了補(bǔ)強(qiáng)這部分用戶的需求，以攝像機(jī)和傳感器，以及車對基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)和車對車(V2V)通信的形式添加了更多的安全特征和代碼。代碼量不斷增加，而且是呈指數(shù)級增長！

盡管海量代碼使得這種系統(tǒng)的編碼和調(diào)試更加困難，但如果遵循一些核心原則，則可以省去大部分調(diào)試時間，例如：

?對實時性能、成本、可升級性、安防性、可靠性和安全性有影響的硬件/軟件分配

?實施容錯區(qū)域。

?避免單點(diǎn)故障(圖2)

?處理由代碼錯誤、程序本身、內(nèi)存管理或虛假中斷引起的異常

?將溢出檢查包括在內(nèi)(Therac-25和Ariane火箭省略了)

?清理來自外界的污染數(shù)據(jù)(使用范圍檢查和CRC)。

?在每一層級進(jìn)行測試(單元測試、集成測試、系統(tǒng)測試、模糊處理、校驗和驗證等)

圖2：安全關(guān)鍵系統(tǒng)避免單點(diǎn)故障。(資料來源：美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)教授Phil Koopman)

為安全起見，設(shè)計師或開發(fā)者需要熟悉用戶和設(shè)備認(rèn)證、公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)和數(shù)據(jù)加密的復(fù)雜性。除了向授權(quán)用戶提供資產(chǎn)和保護(hù)資產(chǎn)免受未經(jīng)授權(quán)的訪問外，安全性還意味著系統(tǒng)在面對攻擊或故障時不會做不安全或者無法預(yù)料到的事。

當(dāng)然，攻擊有各種形式，包括基本拒絕服務(wù)(DoS)和分布式DoS(DDoS)。雖然開發(fā)者無法控制系統(tǒng)受到什么攻擊，但他們可以控制系統(tǒng)對攻擊的反應(yīng)，且這種應(yīng)對認(rèn)知必須在全系統(tǒng)范圍內(nèi)實施。系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)決定了系統(tǒng)的整體安全程度，而假設(shè)攻擊者會發(fā)現(xiàn)該薄弱環(huán)節(jié)才是明智之舉。

針對薄弱環(huán)節(jié)的示例之一就是遠(yuǎn)程固件更新(RFU)，可通過設(shè)備的遠(yuǎn)程固件更新特性對系統(tǒng)進(jìn)行攻擊。此時的系統(tǒng)十分容易受到攻擊，所以配備防范策略是明智之舉，例如：讓用戶選擇是禁用RFU，還是加載需對后續(xù)圖像進(jìn)行數(shù)字簽名的更新。

這看起來似乎與直覺想法相反，但密碼學(xué)基本不會是最弱環(huán)節(jié)。相反，攻擊者會尋找由于實施、協(xié)議保護(hù)、API、用例和側(cè)信道攻擊等其它脆弱的攻擊面。

在這些領(lǐng)域投入多少工作、時間和資源，取決于防護(hù)威脅的類型，每一種威脅都有具體的防范措施。開發(fā)者可以采取如下一些常見舉措來提升產(chǎn)品的抗攻擊能力：

?使用無外部存儲器的微控制器

?禁用JTAG接口。

?實施安全啟動。

?使用主密鑰生成每個單元的設(shè)備專用密鑰

?使用目標(biāo)代碼混淆

?實施開機(jī)自檢(POST)和內(nèi)建自測試(BIST)

說到“混淆”，有一種理論提倡“隱藏式防護(hù)”(security through obscurity)。但若只依賴該想法，卻可能致命，因為每個秘密都會產(chǎn)生一個潛在的“軟肋”。無論是通過社會工程(social engineering)、不滿的員工，還是通過自卸和逆向工程等技術(shù)，秘密遲早都將不再是秘密。當(dāng)然，隱藏式防護(hù)自有用處，例如讓密鑰保有秘密。

確保安全和防護(hù)

雖然有許多技術(shù)和技巧可以幫助開發(fā)者和設(shè)計師實現(xiàn)高度的安全性和防護(hù)性，但是有一些基本步驟可以確保系統(tǒng)在盡可能合理的情況下進(jìn)行優(yōu)化。首先，基于“久經(jīng)考驗”的編碼規(guī)則、功能安全、行業(yè)和特定應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計。這些準(zhǔn)則包括MISRA和MISRA-C、ISO 26262、汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)(Autosar)、IEC 60335和IEC 60730等。

采用像MISRA這樣的編碼標(biāo)準(zhǔn)不僅有助于規(guī)避錯誤，還可以使代碼更易閱讀、一致及可移植(圖3)。

圖3：采用像MISRA這樣的編碼標(biāo)準(zhǔn)不僅有助于規(guī)避錯誤，還可以使代碼更易閱讀、一致及可移植(圖3)。(來源：Barr Group)

其次，使用靜態(tài)分析(圖4)。這涉及分析軟件，而非執(zhí)行程序。它是種象征性執(zhí)行，所以本質(zhì)上是模擬。相比之下，在目標(biāo)平臺上運(yùn)行實際的代碼時，動態(tài)分析將會發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖4：靜態(tài)分析工具運(yùn)行源文件的“模擬”、語法和邏輯分析，并輸出警告而非目標(biāo)文件。(來源：Barr Group)

雖然靜態(tài)分析并非靈丹妙藥，但它確實增加了另一層保證，因為它能很好地檢測潛在的錯誤；例如使用未初始化的變量、可能的整數(shù)溢出/下溢以及有符號和無符號數(shù)據(jù)類型的混用。此外，靜態(tài)分析工具正在不斷改善中。

通常，靜態(tài)分析意味著使用專用工具(如PC-Lint或Coverity)，但開發(fā)者還應(yīng)考慮重新分析自己的代碼。

第三，進(jìn)行代碼審查。這將提高代碼的正確性，同時也有助于可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。代碼審查還有助于召回/保修維修和產(chǎn)品責(zé)任索賠。

第四，進(jìn)行威脅建模。從使用攻擊樹開始。這要求開發(fā)者像攻擊者一樣思考并執(zhí)行以下操作：

?確定攻擊目標(biāo)：

o每次攻擊都有一棵單獨(dú)的樹

?對于每棵樹(目標(biāo))：

o確定不同的攻擊

o確定每次攻擊的步驟和選項

值得注意的是，若從多個角度進(jìn)行此類分析，則可大幅提高其效益。

誰有時間把它做對？

顯而易見，執(zhí)行上述四個基本步驟就能輕松地減少錯誤，并增加安全性和防護(hù)性；但這需要時間，因此，開發(fā)者必須進(jìn)行相應(yīng)的時間預(yù)算。雖然項目規(guī)模不同，但重要的是必須盡可能實際。

例如，添加15%到50％的設(shè)計時間，以利于代碼審查。一些系統(tǒng)需要完整的代碼審查；有些不需要。靜態(tài)分析工具可能需要10到數(shù)百小時進(jìn)行初始設(shè)置，但一旦進(jìn)入開發(fā)過程的某一部分或階段，產(chǎn)品開發(fā)就無需額外時間進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)了，他們最終都通過更好的系統(tǒng)獲得回報。

連網(wǎng)技術(shù)讓嵌入式系統(tǒng)設(shè)計增加了新的顧慮，它需要特別強(qiáng)調(diào)安全性和防護(hù)性。對這兩個概念的詳細(xì)了解、加上在設(shè)計周期之初就適當(dāng)?shù)貞?yīng)用最佳實踐，能大大提高產(chǎn)品的整體安全性和防護(hù)性。這些最佳實踐包括：采用編碼標(biāo)準(zhǔn)、使用靜態(tài)分析工具、代碼審查和威脅建模。