物联网设备安全设计如何平衡安全与资源限制？

近年来，物联网的普及改变了工业自动化和家庭自动化的世界。在这些领域，联网设备控制着机器、管理关键数据并调节基本的家居功能。然而，这种互联性的增强也使得这些系统更容易遭受日益复杂化的网络攻击。因此，安全性是智能家居和工业4.0应用嵌入式设备设计的关键因素。

构建强大的安全架构需要在高级别的保护措施与有限的软硬件资源之间找到平衡点，这并非易事，因为确保高水平的安全性通常需要实现高级加密和控制功能，而这些功能可能会影响设备的性能和功耗。我们将分析设计安全嵌入式设备的各个方面。

嵌入式系统安全性的重要性

近年来，嵌入式系统已成为各行各业数字化转型的核心要素，例如智能家居和工业4.0，这两个领域是自动化和设备互联达到高度复杂程度的主要领域。然而，这种发展也带来了一些安全方面的限制，因此必须采取有效的策略来保护网络和数据。

物联网设备通常在资源受限的环境中运行，无论是计算能力还是功耗。用于工业温度传感器的微控制器(MCU)可能只有几KB的RAM，处理能力甚至比10年前的智能手机还要低。然而，这些设备的安全性不容忽视，因为任何漏洞都可能造成广泛的损害，从机密数据的丢失到工业生产的中断。针对关键传感器的定向攻击可能会造成灾难性的后果，例如导致整条生产线停摆或泄露与战略业务流程相关的敏感数据。

由于设计上允许许多嵌入式设备长时间运行而不需频繁更新，这使得它们特别容易受到随时间积累的安全威胁的影响。一旦发现漏洞，黑客便可能加以利用，而制造商往往无法迅速提供修复方案。我们还需要考虑固件供应链：如果攻击者设法在生产或更新过程中注入恶意代码，系统甚至可能在投入运行之前就遭到入侵。因此，在设备生命周期的每个阶段(从生产到现场运行)实施验证和身份验证机制至关重要。

嵌入式系统中的安全威胁

智能传感器、物联网设备和自动化机器的日益普及意味着潜在漏洞的增多，攻击者可以利用这些漏洞获取未经授权的访问或破坏系统的正常运行。若缺乏足够的防护措施，后果可能是灾难性的，包括但不限于网络入侵、操作失败等，均可能导致重大经济损失。

嵌入式系统通常集成在家用电器、工业传感器和自动化机器中，它们在高度互联的环境中运行，面临着日益复杂的威胁。它们的分布式特性以及对物联网日益增长的依赖，加剧了网络攻击的风险。漏洞可能由多种因素造成，包括过时的固件、不安全的通信协议或缺乏强大的身份验证机制。

保护这些设备不仅是为了防御入侵，也是为了确保信息的完整性和可用性。如果这些系统受到攻击，它们可能会成为更广泛攻击(例如勒索软件)的载体，对企业和个人数据的运行和安全造成毁灭性后果。

为什么安全在智能家居和工业系统中如此重要？

在智能家居领域，互联设备控制着日常生活的关键方面，例如能源管理、家庭安全和温度调节。安全性不足的系统可能允许攻击者获得远程访问权限、操纵运行参数，甚至阻止基本功能。安全的通信协议和高级加密技术是防止未经授权的访问并确保设备之间传输的数据不被拦截或修改的关键。此外，管理登录凭据、对家庭网络进行分段以及采用专用防火墙是增强安全性的重要策略。对最终用户进行安全教育也同样重要，因为网络钓鱼或社会工程等攻击通常会利用人为错误来访问系统。

在工业领域，由于安全对生产和业务连续性的影响，其重要性更加凸显。现代工厂利用嵌入式系统来监控生产流程、优化资源利用并提高整体效率，而针对这些系统的网络攻击可能会造成严重后果，例如停产或破坏机器。网络分段、使用入侵检测系统以及持续的流量监控如今已成为保护关键基础设施的基本措施。信息技术与运营技术之间日益增长的互联互通也带来了新的风险：对传统IT系统的攻击可能会蔓延至工业机械，造成灾难性的故障。因此，企业必须采取积极主动的方式，投资于针对工业环境的网络安全解决方案。

安全并非静态状态，而是一个持续的过程，需要持续监控和及时修补。通过自动化补丁管理系统的更新分发，可以帮助确保设备持续得到保护，抵御新出现的威胁。因此，开发人员必须采取安全措施，例如分析代码中的漏洞并使用自动化测试工具。硬件制造商、软件开发商和网络运营商之间的合作对于确保生态系统的弹性和可靠性至关重要。同时，安全更新的实施必须考虑到业务连续性，尤其是在工业环境中，以避免意外中断。

安全启动：第一道防线

安全启动是确保嵌入式设备安全的最有效技术之一。通过此机制，设备启动时会验证代码的数字签名，从而阻止未经授权的固件运行。如果固件未经原始制造商签名，系统将阻止其执行。这对于保护设备免遭篡改和任何恶意代码的安装至关重要。安全启动对于防范旨在用恶意版本替换原始软件的攻击尤为有效。例如，在家用路由器和工业PLC中，黑客可能会尝试安装修改后的固件，从而远程访问系统或窃取敏感信息。意法半导体的STM32和基于Arm TrustZone的解决方案等处理器内置了安全启动验证功能，使开发人员无需额外硬件即可部署安全启动，确保设备从运行的那一刻起即可安全启动并保护关键数据。

Arm的TrustZone是一种先进的解决方案，可最大程度地提高物联网设备的安全性，同时最大程度地降低硬件成本和复杂性。由于物联网设备通常在易受攻击的环境中运行，因此采取强大的安全措施对于保护敏感数据、加密密钥和关键系统功能至关重要。许多嵌入式开发人员通常缺乏加密或网络安全方面的深厚经验，而且时间和预算限制使得从头开始实施高级解决方案变得困难。TrustZone是一种在单核MCU中实现的硬件机制，它通过将隔离机制直接集成到MCU硬件中，并将执行环境划分为安全和非安全内存、外设和功能，解决了这一问题。

TrustZone技术将系统划分为两个不同的环境：安全环境(用于管理关键操作和敏感数据)和非安全环境(用于运行用户应用程序)。每个环境都有自己的内存保护单元，用于防止未经授权的代码访问敏感数据。因此，对于希望保护设备和数据资产的物联网开发人员来说，TrustZone是一个重要的工具。安全解决方案可以通过多种方式实现，尽管TrustZone标榜自己是提供传统软件开发模式的单核解决方案。唯一的区别在于，开发人员需要从安全和非安全组件、数据和线程的角度来思考。

MCU通过执行基本操作以安全模式启动系统，然后切换到非安全环境运行用户应用程序。为了确保数据安全，非安全代码只能通过专门设计的网关与安全代码交互，从而降低网络攻击的风险。意法半导体的STM32L5系列就是一个采用TrustZone技术的MCU的具体示例，并配有专用开发工具和套件以方便其应用。此外，Cortex-M23、Cortex-M33和Cortex-M55等处理器将TrustZone作为可选功能集成，使其适用于各种嵌入式设备。

基于硬件的隔离被认为是保护物联网设备安全最有效的策略之一，因为它可以减少攻击面并防止恶意软件破坏系统完整性。借助TrustZone，开发人员无需过多增加设计成本，也无需深入了解网络安全知识即可实施高级安全措施。

安全的无线(OTA)更新：确保软件完整性

一旦在启动时实现了安全系统，就必须通过安全的无线(OTA)更新来长期维护这种安全性。这种更新允许嵌入式设备无需进行物理重新编程即可接收新的固件版本。但如果没有得到充分的保护，它们将成为物联网的主要漏洞之一。这是因为未经身份验证的更新可能会将安全设备变成对其所连接的整个网络的威胁。

一种常见的攻击手段是在传输过程中截获并篡改固件，进而利用恶意代码入侵设备。为了防止这种威胁，更新包的加密和身份验证技术已被广泛使用。Mender和MCUboot等平台提供了全面的安全更新管理解决方案，通过在安装前实施加密验证，确保只有合法代码才能执行，从而保护系统免受外部威胁。一个实际案例是智能恒温器，它会频繁接收更新以优化性能并修复漏洞。攻击者可能会用修改后的固件替换原始固件，从而窃取用户的使用习惯或阻止供暖系统。而安全的OTA更新则会在安装前验证固件的来源和完整性，从而防止此类攻击发生。OTA更新可以保护设备，并防止其对同一网络中其他已连接设备产生连锁反应。

身份验证和访问控制

嵌入式系统必须能够验证试图访问其系统的人员身份，并降低基于被盗或弱凭证的攻击可能性。多因素身份验证、数字证书和加密密钥可以提高系统的整体安全性，并降低入侵风险。在工业环境中，维护通常需要远程访问，因此应实施强大的凭证保护和安全连接管理解决方案。此外，基于生物识别或硬件令牌的身份验证系统可以增加一层额外的保护，使未经授权的访问更加困难。

固件保护

针对固件供应链的攻击尤其危险，因为它们可能在问题被发现之前就影响数千台设备。为了降低这种风险，公司必须实施严格的固件控制措施，例如在整个开发和生产周期内对代码进行数字签名。此外，还必须确保只有经过验证的固件才能安装在设备上，并确保部署过程的安全。使用数字签名和自动验证系统有助于防止恶意代码的入侵，因为这样可以确保只有受信任的软件才能在设备上运行。

SolarWinds遭受的攻击就是一个具体的例子，该公司的软件在生产过程中遭到入侵，并在无人察觉的情况下分发给了数千名客户。为了避免类似情况，嵌入式设备制造商必须采取措施，例如安全加密密钥管理和公钥基础设施，以确保只有经过验证的代码才能执行，同时还要在固件设计阶段减少漏洞，从而采用安全的开发实践。底层软件中的漏洞可能被利用来安装恶意软件或更改设备的行为，因此需要定期更新和代码完整性验证，以防止恶意攻击。实施安全启动技术和经过身份验证的更新有助于降低入侵风险。总体而言，对供应商和供应链合作伙伴进行严格审查可以降低因无意或有意引入的漏洞所带来的风险。

人工智能助力安全

采用人工智能技术进行威胁检测，为提升嵌入式系统安全性提供了机遇。先进的算法可以分析异常行为，识别入侵尝试，并主动应对潜在攻击。在工业环境中，这些系统可以帮助预防故障，并降低因安全事故导致运营中断的风险。人工智能与机器学习系统相结合，可以识别前所未有的攻击模式，从而提升基础设施的韧性。预测分析与自动响应相结合，让您能够实时干预，在损失变得无法挽回之前将其减轻。

为智能家居和工业4.0设计安全的嵌入式系统是一个复杂挑战，需要采用多层防御策略。实施安全启动、安全OTA更新和固件供应链保护是构建能够抵御网络攻击的设备的基础。然而，应该认识到，安全性并非一个静态的目标，而是一个持续的过程，必须随着技术的演进不断更新和改进。

投资鲁棒的解决方案有助于打造可靠安全的环境，降低网络威胁风险，并确保嵌入式系统拥有更安全的未来。将先进技术与人类认知相结合的综合方法，对于构建富有弹性且可靠的数字生态系统至关重要。只有通过有效的硬件和软件解决方案的结合，才能长期保障物联网系统的鲁棒性和安全性。

（原文刊登于EE Times姊妹网站Embedded，参考链接：Security of Embedded Systems for Smart Homes and Industry 4.0，由Franklin Zhao编译。）