嵌入式系統(tǒng)的安全性問題探討 - 全文

　　我們經(jīng)常擔心自已的個人信息被放進或存儲在沒有安全防護措施的系統(tǒng)中。網(wǎng)絡(luò)間的通信所需要的安全保護級別取決于信息的重要程度。

　　常見的安全措施

　　對嵌入式系統(tǒng)來說，安全防護措施涉及到一個最基本的概念——物理安全性。也就是說，如果像對待珍貴物品那樣將系統(tǒng)“鎖”起來，那么丟失信息的風(fēng)險將大大減少。這意味著需要將嵌入式控制器及其它關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)放在上鎖的房間內(nèi)或安全的箱子中。這種方法適用于那些可以將系統(tǒng)“包裝”起來的應(yīng)用，但也往往會導(dǎo)致通信掉線、阻塞或攔截。這種方法適用于不少有線和無線系統(tǒng)。有線系統(tǒng)在一些安全級別較高的應(yīng)用中具有不可替代的優(yōu)勢。舉個簡單的例子：如果發(fā)生黑客入侵，只要掐斷電線就能使關(guān)鍵數(shù)據(jù)不外泄。

　　應(yīng)用公共密鑰加密和橢圓曲線加密能獲得非常好的保護效果。這些方法廣泛用于電子商務(wù)及其它需要高級加密的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，這類方法并不適用于那些對安全級別要求較高的嵌入式系統(tǒng)。有多種軟件和硬件技術(shù)可以用來使數(shù)據(jù)“散列”，從而使信息在存儲和傳輸期間難以被攔截。

　　一種保護嵌入式系統(tǒng)存儲與傳遞數(shù)據(jù)的簡單方法是使用滾動碼。滾動碼已出現(xiàn)了很長的時間，例如二戰(zhàn)期間的恩尼格碼密碼機?，F(xiàn)代滾動碼加密原理是采用串行移位寄存器以及異或函數(shù)，使偽隨機碼確定性增強，但逆向工程更加復(fù)雜，如圖1所示。

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　　圖1 流動碼加密

　　該原理下異或函數(shù)的一個輸入是正傳輸(或加密)的當前位。只要知道最初鎖存到寄存器中的起始的種子值，該函數(shù)是完全可逆的。在其它加密方案中使用時，這種技術(shù)需要填充信息，以確保有足夠的數(shù)據(jù)來防止泄漏密鑰。此外，過長的消息可能暴露偽隨機碼發(fā)生器的模式。網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)數(shù)據(jù)包流量都屬于這類加密的范疇。

　　時變加密

　　數(shù)據(jù)安全性的一個重要方面是確保密鑰不泄密。即使采用公共密鑰加密，如果私人密鑰泄密，系統(tǒng)也會崩潰。一個確保密鑰永不泄密的簡單方法是不斷發(fā)布新密鑰。一種較好的做法是使用當前時間。如果每個設(shè)備知道在某個時間廢棄密鑰并開始使用新密鑰，將很難對密鑰進行逆向工程，因為它已過期。這種思想的一種簡單應(yīng)用是酒店磁卡鑰匙。酒店的電子鎖已編程為接受編碼的磁卡，但只在您住宿期間有效。如果沒有其他人使用房間或者對電子鎖重新編程，電子鎖內(nèi)的時鐘會控制鑰匙的有效性。也就是說，電子鎖會在一段時間后使磁卡鑰匙無法打開房門。

　　現(xiàn)在的問題是確保每個人都知道電子鎖會在何時令磁卡鑰匙失效。有多種方法可以解決這個問題。一種方法是與主時鐘同步，這需要使用協(xié)議來維護當前時間。所需協(xié)議取決于更新密鑰的時間間隔，可以使用帶有時間信息的周期性數(shù)據(jù)包(如NTP或網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議)，也可以使用更加準確的協(xié)議，如IEEE1588精確時間協(xié)議(PTP))。PTP提供非常高的準確性，無需每個節(jié)點具有GPS接收器或銫原子鐘。以太網(wǎng)物理層器件，如美國國家半導(dǎo)體的DP83640，內(nèi)置了這項功能，且可以與任何媒體訪問控制器(MAC)一起工作。

　　通過使用同步的時鐘，使用偽隨機碼的密鑰發(fā)生器可以頻繁更新密鑰。因此，每一秒鐘都會生成新的種子，且在該期間傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)包都將使用該種子，如圖2所示。

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　　圖2 密鑰發(fā)生器可以頻繁更新種子

　　這里的問題是數(shù)據(jù)包傳遞的不確定性。在大型基礎(chǔ)設(shè)施以及Internet上，數(shù)據(jù)包到達的實際時間將差別很大，因此需要一個機制來確保到達稍晚的數(shù)據(jù)包不被拒絕。

　　完成這項工作的方法是使用滑動時窗相關(guān)，即加密的數(shù)據(jù)包應(yīng)在加密的有效載荷中嵌入校驗和，以驗證其內(nèi)容。此外，數(shù)據(jù)包的“存活時間”值將設(shè)置時窗大小(及時性)。因此，當接收到數(shù)據(jù)包時，解密引擎將根據(jù)本地的時鐘知道當前時間，然后嘗試使用本地時間解碼數(shù)據(jù)包。如果解密失敗，解密算法會在時間上往回移動時窗的階段，并再次嘗試解密有效載荷。理論上，應(yīng)該只需1~2次嘗試即可使兩個位置之間的延遲同步，通常最多需要10~20次嘗試。

　　如果數(shù)據(jù)包解密失敗，則發(fā)送的行為無效，而且該數(shù)據(jù)包會被丟棄。由于種子變化如此頻繁，因此幾乎或根本不可能實時解密信息。此外，可以將此功能內(nèi)置到通信軟件棧中或直接內(nèi)置到硬件中，從而使逆向工程非常困難。即使知道方法，由于缺乏固定的種子也會使解密數(shù)據(jù)極其困難。

　　結(jié)語

　　通過使用簡單的加密方法和使用時變密鑰，可以大大增強關(guān)鍵嵌入式系統(tǒng)的安全性。這種加密可以用固件或軟件實現(xiàn)，而且給FPGA或CPLD添加加密算法能夠使代碼更難被破解。