使用安全元件的3大固件驗(yàn)證用例

在當(dāng)今的市場中，嵌入式電子系統(tǒng)種類繁多，并且需要獲得越來越多的認(rèn)證，例如工業(yè)應(yīng)用的IEC62443安全標(biāo)準(zhǔn)，或者有時(shí)法規(guī)取決于其操作的關(guān)鍵性質(zhì)。然而，安全性不僅僅是法規(guī)，而是關(guān)于實(shí)施基本和負(fù)責(zé)任的實(shí)踐，今天我們將討論小型和受限嵌入式系統(tǒng)的固件驗(yàn)證。每個(gè)嵌入式系統(tǒng)都基于其執(zhí)行的代碼（固件、軟件、RTL 等）運(yùn)行。在本系列的第一部分中，我們將研究如果固件受到攻擊，連接的起搏器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)嬰兒監(jiān)視器甚至工業(yè)機(jī)器中的電機(jī)會發(fā)生什么。

產(chǎn)品代碼是公司許多知識產(chǎn)權(quán)（IP）所在的位置。連接起搏器的代碼，控制著人類的生命，變得極其關(guān)鍵。同樣的心臟起搏器也需要認(rèn)證。在工業(yè)泵中，代碼是使電機(jī)性能更好的原因，因?yàn)樗雀偁帉κ指玫靥幚硭俣群团ぞ卣{(diào)節(jié)。工業(yè)網(wǎng)關(guān)代碼旨在以市場上最好的速度處理復(fù)雜的智能工廠網(wǎng)絡(luò)中非常大的有效載荷，但該網(wǎng)關(guān)背后是包含機(jī)器和操作員的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在，如果要改變機(jī)器操作，這很快就會成為工廠中個(gè)人的安全問題。物聯(lián)網(wǎng)嬰兒監(jiān)視器代碼可確保與網(wǎng)絡(luò)的牢固連接，但也為父母提供有關(guān)新生兒的相關(guān)和私人信息。下面，我們分享了為什么公司的代碼對其知識產(chǎn)權(quán)如此珍貴的四個(gè)原因。公司應(yīng)考慮此處提到的各種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中定義的威脅模型：

遠(yuǎn)程數(shù)字攻擊：漏洞是否遠(yuǎn)程訪問代碼以影響目標(biāo)或整個(gè)產(chǎn)品系列？

遠(yuǎn)程邏輯攻擊：漏洞利用是否集中在代碼中的錯(cuò)誤上，該錯(cuò)誤可以幫助黑客在網(wǎng)絡(luò)上遠(yuǎn)程擴(kuò)展攻擊？

本地物理攻擊：如果黑客可以物理訪問產(chǎn)品，可以對代碼執(zhí)行哪些操作，而不一定是利用錯(cuò)誤？

本地邏輯攻擊：如果黑客對產(chǎn)品具有物理訪問權(quán)限，代碼錯(cuò)誤中可以利用什么？

為了解決上述問題，近年來，政府和行業(yè)已開始制定物聯(lián)網(wǎng)安全法規(guī)以創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)。例如，在工業(yè)市場中，ISA/IEC62443標(biāo)準(zhǔn)記錄了設(shè)計(jì)工業(yè)產(chǎn)品的安全實(shí)踐。來自歐洲的EN303656遵循歐洲政府的安全法規(guī)和指南，在當(dāng)?shù)叵M(fèi)市場銷售物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品。UL2900 最初非常注重軟件安全實(shí)踐，現(xiàn)在正被大公司視為消費(fèi)者市場。在所有主要標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)中，您會發(fā)現(xiàn)建議驗(yàn)證代碼是否真實(shí)的常見要求。

那么，可以做些什么來保護(hù)這段代碼，需要權(quán)衡什么呢？

代碼需要通過加密操作進(jìn)行驗(yàn)證，以確保它是真實(shí)的。驗(yàn)證可以在嵌入式系統(tǒng)操作期間的不同時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行。

何時(shí)驗(yàn)證代碼的真實(shí)性？

啟動(dòng)時(shí)：常見的技術(shù)術(shù)語是安全啟動(dòng)，它有多種方法可以使用對稱密鑰或非對稱密鑰實(shí)現(xiàn)，僅驗(yàn)證摘要、簽名或整個(gè)代碼映像。安全啟動(dòng)過程旨在確保在目標(biāo)嵌入式設(shè)計(jì)上僅執(zhí)行正版代碼。

在運(yùn)行時(shí)：這里更通用的術(shù)語是 IP 保護(hù)。固件工程師可以決定在系統(tǒng)運(yùn)行期間的任何相關(guān)點(diǎn)實(shí)施代碼驗(yàn)證，除了安全啟動(dòng)和無線 （OTA） 更新之外，以確保它沒有被篡改。

OTA更新后：在物聯(lián)網(wǎng)世界中，一旦通過網(wǎng)絡(luò)“無線”推送新代碼圖像以替換現(xiàn)有代碼圖像，該新代碼必須在運(yùn)行之前驗(yàn)證為真實(shí)代碼。

上述三個(gè)嵌入式安全功能總體上與代碼驗(yàn)證實(shí)踐相關(guān)。

現(xiàn)在，讓我們看一下實(shí)現(xiàn)技術(shù)，然后我們將回顧它們的權(quán)衡。從根本上說，代碼需要在企業(yè)環(huán)境中進(jìn)行“簽名”，這是理想情況下安全的，然后在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行“驗(yàn)證”。這些“簽名”和“驗(yàn)證”操作由加密算法和對稱或非對稱密鑰集執(zhí)行。有四個(gè)主要步驟，如下圖所示。第一個(gè)是查看制造過程中發(fā)生的情況以及如何處理代碼加密和簽名。第二個(gè)是代碼如何加載到嵌入式系統(tǒng)（安全加載器）中。第三步涉及如何將代碼下載到嵌入式系統(tǒng)中。第四步側(cè)重于嵌入式系統(tǒng)制造后內(nèi)部發(fā)生的情況，以確保在目標(biāo)應(yīng)用程序上運(yùn)行的代碼確實(shí)是真實(shí)的。

使用對稱密鑰在制造過程中對操作進(jìn)行簽名

對稱加密基于共享密鑰體系結(jié)構(gòu)，換句話說，一對完全相同的兩個(gè)密鑰（對稱密鑰或也稱為共享密鑰）。主要的缺點(diǎn)是，如果有人訪問一個(gè)密鑰，另一個(gè)共享密鑰是相同的，并且系統(tǒng)很容易被擊敗。此外，基本實(shí)踐要求為每個(gè)設(shè)備使用不同的對稱密鑰，這會產(chǎn)生一個(gè)邏輯悖論：如何將唯一的對稱密鑰配置到整個(gè)設(shè)備隊(duì)列中。因此，由于易于實(shí)施和項(xiàng)目進(jìn)度限制，開發(fā)人員對整個(gè)設(shè)備群使用相同的對稱密鑰，因此對這些密鑰的暴露變得更糟。但是讓我們來看看它。第一步發(fā)生在您的公司環(huán)境中。

作為原始最終制造商 （OEM），您的代碼將通過“哈?！焙瘮?shù)傳遞。我們在這里使用 SHA256 作為示例。此哈希的輸出是代碼圖像的 32 字節(jié)摘要。

該哈希是使用對稱密鑰（簽名 OEM 密鑰）執(zhí)行的。

輸出是“MAC”或消息身份驗(yàn)證代碼。

MAC 提供給合同制造商 （CM），后者將在生產(chǎn)現(xiàn)場刷新主控制器。在此階段，MAC 和對稱密鑰都由 CM 加載。

請注意，這是供應(yīng)鏈漏洞發(fā)生的地方，因?yàn)槊荑€永遠(yuǎn)不應(yīng)該暴露，當(dāng)然不應(yīng)該在制造過程中或微控制器內(nèi)暴露。此時(shí)此刻，密鑰將暴露給工廠內(nèi)的操作員以及如果 OEM 尚未完成將執(zhí)行 MAC 的設(shè)備。

圖 1：OEM 站點(diǎn)的對稱簽名

使用非對稱密鑰在制造期間對操作進(jìn)行簽名

更可靠且可擴(kuò)展的方法包括利用非對稱密鑰而不是對稱密鑰。非對稱密鑰是兩個(gè)密鑰不同但通過加密算法在數(shù)學(xué)上相關(guān)的密鑰對。例如，我們將使用ECC-P256，這是嵌入式系統(tǒng)中最常用和最有效的算法之一。私鑰將對代碼進(jìn)行簽名，公鑰（根據(jù)私鑰計(jì)算）將驗(yàn)證簽名和/或摘要。

圖 2：OEM 站點(diǎn)的非對稱代碼簽名

問問自己，在您的制造過程中，誰可以訪問您的密鑰？

無論您選擇對稱還是非對稱架構(gòu)，都有幾個(gè)重要問題要問自己。由于您需要在嵌入式系統(tǒng)中加載加密密鑰以驗(yàn)證映像，因此請問自己：

您能否信任您的合同制造商提供保護(hù)您簽名代碼的密鑰？請記住，您的代碼是您公司的 IP。如果他們有密鑰，則可以訪問您的代碼。

您的 CM 是否有權(quán)訪問簽名密鑰或用于驗(yàn)證的密鑰？當(dāng)您想要更改一個(gè)或多個(gè)合同制造商時(shí)，您的密鑰會發(fā)生什么情況？

您是否因?yàn)閾碛忻荑€而依賴您的合同制造商？

如果您雇用多個(gè)合同制造商，您如何管理各種密鑰對集？

合同制造商如何保護(hù)密鑰？安全審核結(jié)果是什么？

當(dāng)涉及到制造中處理鑰匙的物流時(shí)，也有很多供應(yīng)鏈問題需要考慮。簽名密鑰始終是與所有可能的人隔離的最關(guān)鍵密鑰，最好使用 HSM。但是現(xiàn)在您處于這樣一種情況，即代碼驗(yàn)證成為一個(gè)非常高的價(jià)值目標(biāo)，因?yàn)樗刂浦Ｗo(hù)代碼的程度（請記住，這是您公司的 IP）。密鑰現(xiàn)在掌握在您的合同制造商手中，這是您的漏洞暴露增加的時(shí)候。您可能想問自己幾個(gè)問題，包括：

您知道您的密鑰是否安全存儲或在員工之間共享嗎？

由于制造設(shè)備網(wǎng)絡(luò)保護(hù)不佳，您的密鑰是否可以從工廠外部遠(yuǎn)程訪問？

您的員工是否可以簡單地使用USB記憶棒離開包含驗(yàn)證密鑰的工廠，以及如何對其進(jìn)行審核和信任？

如果負(fù)責(zé)鑰匙的員工離開合同制造商的工作，鑰匙會怎樣？

您的嵌入式系統(tǒng)中的密鑰在哪里？

如果您有公鑰在傳統(tǒng)微控制器閃存中驗(yàn)證固件，請三思而后行。然后，加密將成為代碼的二進(jìn)制映像的一部分。傳統(tǒng)的工程師只需在微控制器或處理器的閃存中加載密鑰（公共或?qū)ΨQ）。讓我們談?wù)勀銘?yīng)該問自己的問題和你應(yīng)該思考的答案。

此密鑰有多大價(jià)值，攻擊者可以用它做什么？

截至今天，仍然有大量設(shè)備將密鑰存儲在閃存中。攻擊者的一些基本策略是嘗試使用各種技術(shù)訪問設(shè)備的內(nèi)存，例如緩沖區(qū)溢出（例如：Heartbleed）、HEX 文件提取或其他方法來訪問位于內(nèi)存中的密鑰。這些都是非常真實(shí)的攻擊，一些公司正在報(bào)告其系統(tǒng)中的此類漏洞。此時(shí)，所有賭注都已關(guān)閉，開始發(fā)起可擴(kuò)展的攻擊。如果每個(gè)密鑰都可以像二進(jìn)制映像中一樣訪問，那么它們就會變得可更改、可重現(xiàn)，并且遠(yuǎn)程訪問大型隊(duì)列變得越來越可能。如果我們還記得本文前面的內(nèi)容，使用對稱密鑰并不是最可靠的代碼簽名策略?，F(xiàn)在讓我們假設(shè)驗(yàn)證代碼的密鑰位于控制器內(nèi)的 OTP 內(nèi)。OTP 方法是使您的系統(tǒng)更加健壯的合乎邏輯的第一步，因?yàn)楝F(xiàn)在密鑰位于不可變的內(nèi)存區(qū)域中。不可變并不意味著不可訪問或不可讀，它只是意味著不可更改。根據(jù)代碼中的值或 IP 值，代碼的值是應(yīng)重視密鑰的金額。因此，如果您的密鑰是可訪問的，則可以讀取、復(fù)制和重復(fù)使用?，F(xiàn)在，任何流氓用戶都可以合法地使用該密鑰來驗(yàn)證自己的代碼。

如果是對稱密鑰，那將是最壞的情況，尤其是在系統(tǒng)連接云的情況下。當(dāng)密鑰被訪問時(shí)，攻擊者現(xiàn)在可以執(zhí)行其流氓代碼的MAC，并使用checkMAC輕松驗(yàn)證它，因?yàn)楹灻麑ΨQ密鑰與驗(yàn)證代碼的對稱密鑰相同。更糟糕的是，如果沒有使用密鑰多樣化，那么仔細(xì)考慮擁有整個(gè)設(shè)備組密鑰的人員列表非常重要。您所有連接的嬰兒監(jiān)視器工業(yè)機(jī)器都可能被偽造，您的所有 OTA 更新都可能損壞，情況可能會變得更糟。

如果它是控制器閃存中的公鑰，甚至是訪問的 OTP，則流氓用戶現(xiàn)在可以復(fù)制密鑰并隨意重復(fù)使用它以使用戶授權(quán)合法化，然后安裝惡意代碼并在目標(biāo)微控制器上運(yùn)行它。

使用公鑰基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與對稱密鑰體系結(jié)構(gòu)要健壯得多，因?yàn)閷Υa進(jìn)行簽名的私鑰是不同的，但在數(shù)學(xué)上與驗(yàn)證代碼的公共相關(guān)。也就是說，訪問公鑰允許攻擊者查看并觸發(fā)代碼的驗(yàn)證，還可以在執(zhí)行之前進(jìn)行解密。此時(shí)，問題就變成了，“現(xiàn)在我看到了代碼，如果我更改代碼并繞過公鑰的驗(yàn)證怎么辦？為了解決這個(gè)問題，除了適當(dāng)?shù)募用芗铀倨鳎ㄈ?a target="_blank">Microchip安全元件的ECC-P256）之外，還需要微控制器或處理器內(nèi)部的BootROM功能。BootROM 將確保控制器發(fā)出驗(yàn)證命令的內(nèi)存區(qū)域也是不可變的，并且無法繞過。然而，訪問公鑰仍然是一個(gè)基本問題。

使用對稱密鑰與非對稱密鑰進(jìn)行固件驗(yàn)證的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

在第 1 部分中，我們詳細(xì)討論了在應(yīng)用程序中實(shí)現(xiàn)固件驗(yàn)證的重要性。您的應(yīng)用程序代碼需要使用加密操作進(jìn)行驗(yàn)證，以確保它是真實(shí)的。驗(yàn)證可以在嵌入式系統(tǒng)操作期間的不同時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行，例如在啟動(dòng)時(shí)、運(yùn)行時(shí)和安全固件升級期間。有許多技術(shù)可以使用非對稱和對稱加密算法實(shí)現(xiàn)固件驗(yàn)證。這些技術(shù)中的每一種都有自己的優(yōu)勢和權(quán)衡。

審核編輯：郭婷