如何确保联网嵌入式设备的安全

TCP/IP是当今绝大多数网络的核心。它不仅灵活,而且具有强大的功能,很好地满足了十年来网络发展的需要。此外,它还易于使用和理解,这促成了联网产品的爆炸性增长。现在,自动售卖机、工业和楼宇控制设备以及POS终端等传统产品都可以通过以太网和TCP/IP互联。

随着这种趋势的蔓延,更多系统正在连接到互联网上,相应地,对网络安全性的要求也将提高。随着更多交易转到网络上处理,以及公众对电子威胁(身份窃取、黑客攻击和计算机病毒)的认知程度增加,对安全性的需求也将增长。为此,嵌入式系统将越来越多地采用网络安全技术。但由于需要计算密集型加密算法和大量的存储器空间,这些安全技术会降低设备的性能。为了克服这类障碍,业界正在专门为嵌入式系统设计软件协议,并开发硬件加速技术,使处理器能快速执行这些加密算法。

IP网络的公开特性和IP分组路由机制使得TCP/IP网络容易产生安全漏洞。IP分组路由机制不是为了安全目的而设计的,其目标旨在尽可能简单地实现路由,并方便日后扩展网络。这些特性允许TCP/IP被迅速采用并广泛普及。但它们也引发了安全问题:IP的路由过程会将数据包暴露给沿其路由线路的任何人,使他们看到包的内容或源地址及目的地址。此外,由于数据包到其目的地的路由线路并不固定,在互联网上传送的包有可能被连接到网络上的任何人截取、重新路由或复制。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="图1:一个楼宇安全系统的各单元之间通过建筑物的以太网LAN进行通信,并由IPSec协议确保安全。">

这些问题限制了使用大型IP网络进行敏感的通信。为了解决TCP/IP易受攻击的问题,人们开发了几种协议。最常见的是IP安全协议(IPsec)和安全套接层(SSL),它们已经被广泛应用在个人电脑、高端网络服务器、路由设备以及其它系统中。

随着联网的嵌入式设备继续增多,我们有必要为这些非传统的连网系统增加安全功能。对于制造楼宇控制系统、远程监视站和POS终端等产品的公司来说,TCP/IP的优势显而易见。它允许用户通过网络控制这些系统,或者从远程设备向它们发送即时信息,从而提高这些系统的效率。然而,外部人员也有可能访问这些联网设备。为了降低风险,需要引入IPsec和SSL等原本用于网络设备领域的安全协议,但它们在嵌入系统中的应用受到限制。这些协议的实现方式需要为低功耗、存储器有限的嵌入式设备而特别设计。

为嵌入式系统设计安全方案面临诸多困难。特别地,两个关键挑战是性能问题和存储器问题。IPsec 和 SSL等网络安全协议涉及复杂的加密和验证算法,如数据加密标准(DES)、高级加密标准(AES)和安全散列算法(SHA)。这些算法用于保护数据的完整性和机密性,并确认数据创建者的身份。但因为这些加密算法需要密集型计算,它们会严重影响在低功耗嵌入式处理器上运行的应用程序的性能。

为了解决性能问题,ARC等供应商正在将硬件指令集成到他们的嵌入式处理器内核中,从而加快算法的执行速度。类似地,摩托罗拉已经发布新系列的PowerQuicc处理器,它集成了针对加密和认证算法的片上硬件加速单元。

与安全有关的第二个问题是嵌入式系统的存储器容量。简单来说,嵌入式系统需要添加的软件越多,它需要的存储容量就越大。安全软件最初是为PC和高端网络设备,而不是为低耗能、存储器有限的嵌入式系统设计的。对于嵌入系统的开发者而言,这些软件的规模庞大,而且包含太多他们不需要的内容。尽管我们有可能把高端安全软件移植到嵌入式处理器中,并缩减它们的代码规模和功能集,但这个过程非常耗时而且难度很大。

因此,用于IPsec和SSL等协议的软件栈适时出现了,它们设计用于把需要使用的存储器容量维持在最低水平。这种软件还被设计成可扩展的,允许开发者为特定应用选择他们需要的功能集,而且根据应用的特定需求,还支持仅限于客户端或仅限于服务器端的设置。

为嵌入式系统设计的网络安全协议栈以及集成到嵌入处理器内核中的硬件加速单元为嵌入式系统开发者提供了一个能将安全特性引入到联网应用中的环境。硬件加速器提供了额外的性能来处理加密算法,从而可以在不显著影响处理器性能的前提下,使连网性能维持在一个合理的水平。为嵌入系统设计的安全协议栈能满足嵌入式软件应用的小规模和可伸缩需求。

以前,嵌入式系统开发者为了实现网络安全同时维持性能的唯一选择是使用更快、更昂贵、存储器容量更大的处理器,尽管这在多数情况下并不具有可行性。针对嵌入式处理器的片上硬件加速器和网络安全软件包使得开发者可以为接入边缘网络的嵌入式设备增加网络安全功能。

作者:Graham Morphew