摘  要： 闡述了網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)背景下的嵌入式系統(tǒng)的安全問題，給出二種分析安全問題的方法在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了影響系統(tǒng)安全的三種因素并介紹了幾種有效的防御方法,。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)  網(wǎng)絡(luò)安全  防御技術(shù)

　　隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，許多嵌入式系統(tǒng)提供了網(wǎng)絡(luò)接口,。隨之帶來的是廣泛使用的嵌入式系統(tǒng)的安全問題,。如果能在系統(tǒng)設(shè)計之初考慮安全問題，可減少系統(tǒng)的安全維護(hù)工作,。本文先通過實例講述一些不引人注意的嵌入式系統(tǒng)的安全問題,，然后給出一套綜合解決方案。
1  綜合實例
　　以帶有網(wǎng)絡(luò)控制功能的家用空調(diào)系統(tǒng)為例來綜合說明嵌入式系統(tǒng)引起的安全事故,。當(dāng)你下班前,，從辦公室電腦可以啟動家中空調(diào)，設(shè)定其達(dá)到的溫度,。然而,，這種接入因特網(wǎng)的空調(diào)也可能遭受潛在的攻擊。入侵者可以控制家中的空調(diào),。冬天讓室內(nèi)溫度持續(xù)下降使水管凍裂,，夏天讓室內(nèi)溫度持續(xù)升高使寵物中暑而死。再把問題擴(kuò)大一步，假如城市里每家的空調(diào)都聯(lián)網(wǎng)并和電力調(diào)度公司的調(diào)度程序發(fā)生關(guān)聯(lián),，用電高峰時,，電力公司可以強(qiáng)制設(shè)定空調(diào)上調(diào)或下調(diào)溫度，這樣可以避免高峰拉閘,。這是空調(diào)上網(wǎng)的好處,，但被人惡意利用就會變成壞事。如電力公司為贏利,，在用電非高峰時集體調(diào)節(jié)一點空調(diào)的設(shè)定溫度，使電力消費增加,，用戶就增加了開銷,。再看隱私方面，如果入侵者設(shè)法從網(wǎng)上查到你家的室內(nèi)溫度,，就可以判斷家里有沒有人,。
2  原因分析
　　下面的因素是導(dǎo)致嵌入系統(tǒng)安全問題的根本原因。
　　(1)價格因素,。結(jié)構(gòu)簡單好用,，價格便宜也是嵌入式設(shè)計追求目標(biāo)。公司在選擇芯片時,，滿足好用夠用就可以了,。如果從軟硬件上增加過多的安全措施，成本則會提高,。而簡約的嵌入式系統(tǒng)上大量使用的4位和8位機(jī),，也不能運行過多的安全任務(wù)。
　　(2)面廣量大,。嵌入式系統(tǒng)在生活,、工作、娛樂,、教育,、軍事等方面大量使用。如果系統(tǒng)設(shè)計有缺陷,，則影響面非常大,。若有的嵌入式系統(tǒng)被入侵者利用，將會成為多點攻擊的武器,。
　　(3)電源的限制,。許多嵌入式系統(tǒng)都是用電池供電，如果尋找方法將其電力提前耗盡而又沒有得到及時的更換,， 則該系統(tǒng)將處于癱瘓狀態(tài),，很容易造成安全漏洞，從而為入侵者開了方便之門,。
　　(4)開發(fā)隊伍和環(huán)境的制約,。許多嵌入式系統(tǒng)都是小團(tuán)隊做的,。由于缺少安全方面的專家及經(jīng)費短缺，設(shè)計中對安全問題考慮不足,。而用戶往往也只追求嵌入式產(chǎn)品的小巧精致,，方便好用即可。
3  安全分析方法
　　有二種安全性分析技術(shù)：故障模型及后果分析(Failure Mode and Effect Analysis,，F(xiàn)MEA)和故障樹分析(Failure Tree Analysis,，F(xiàn)TA）。安全性分析是對因果關(guān)系的探討,，“因”即引起安全問題的原因,，而“果”就是潛在的危害。
3.1 FMEA和嵌入式應(yīng)用實例
　　FMEA可以確定某個部件或組件出現(xiàn)故障之后系統(tǒng)將采取的行為,，例如錯誤數(shù)據(jù)或意料之外的行為發(fā)生時,，從軟件及硬件上都可以對其行為后果加以分析。
　　圖1為一個較為典型的FMEA分析技術(shù),。

3.2 FTA及其嵌入式應(yīng)用實例
　　FTA也是一種用來分析安全性和可靠性問題的技術(shù),。FTA與FMEA分析方法不同。FTA從所有可能的事件開始,，并圍繞事件的結(jié)果做工作,。FTA是用圖示的方法直接從已確定安全事件(處于樹的頂層)開始，反向找出問題發(fā)生的原因,。運用邏輯運算符,，如“與”、“或”把與頂層事件有關(guān)的中間事件進(jìn)行連接組合,。圖2是應(yīng)用FTA分析嵌入式產(chǎn)品安全問題的一個簡單示例,。在實際應(yīng)用中往往二種方法綜合應(yīng)用才能取得較好的效果。

4  嵌入式系統(tǒng)安全問題解法方案
　　網(wǎng)絡(luò)安全是使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件,、軟件及數(shù)據(jù)受到保護(hù),，避免因意外或惡意的操作而遭到破壞、更改,、泄露,，從而保證系統(tǒng)連續(xù)、可靠,、正常地運行,，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不中斷。三個基本的網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)是：數(shù)據(jù)加密,、內(nèi)容完整性和授權(quán),。在解決網(wǎng)絡(luò)安全性問題時往往要綜合施治。
4.1 嵌入式系統(tǒng)安全的三個層次
　　嵌入式系統(tǒng)安全要綜合考慮物理層、平臺層以及應(yīng)用層三個方面,。
　　(1)物理層,。嵌入式系統(tǒng)物理層的安全問題比較容易解決。就系統(tǒng)本身而言,，根據(jù)系統(tǒng)的工作環(huán)境,，在設(shè)計目標(biāo)和設(shè)計要求時選擇符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的器件，進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計和施工就可以了,。但從整個行業(yè)規(guī)范來看,，由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的脆弱性，致使電子通信的可靠性下降,，而市場對安全信任的需求又越來越迫切,，促使一些大型IT公司決定共同解決這個課題。為了建立工業(yè)規(guī)范并實現(xiàn)值得信任的計算方案,，在1999年建立了“值得信任的計算平臺聯(lián)盟”（Trusted Computer Platform Association，TCPA),。其目標(biāo)就是使信息和通信制造符合標(biāo)準(zhǔn),，在系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件中實現(xiàn)值得信任的計算規(guī)范,。目前,，TCPA有160多個成員，其中就有很多的生產(chǎn)硬件的企業(yè),。目前已經(jīng)生產(chǎn)出符合TCPA規(guī)范的嵌入式安全芯片產(chǎn)品,。
　　(2)平臺層。據(jù)統(tǒng)計,，現(xiàn)有嵌入式產(chǎn)品中,，4位機(jī)沒有使用操作系統(tǒng)的實例，8位機(jī)約有30%使用了操作系統(tǒng),，而16位機(jī)以上的嵌入式產(chǎn)品帶有操作系統(tǒng)的占了70%以上,。嵌入式操作系統(tǒng)的規(guī)模一般都比較小，不少產(chǎn)品開放了源碼,，使得操作系統(tǒng)本身幾乎是透明的,，不會存在“后門”的情況。但由于嵌入式操作系統(tǒng)受到系統(tǒng)規(guī)模的限制,，不可能像Windows XP SP2那樣使用過多的安全措施,。其主要作用還是隔離硬件層，便于產(chǎn)品開發(fā)和維護(hù),。應(yīng)用中常結(jié)合各種安全協(xié)議來考慮,。
　　(3)應(yīng)用層。傳統(tǒng)的保證數(shù)據(jù)安全的方法是對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳輸。不少嵌入式處理器處理數(shù)據(jù)的能力不高,，浮點運算能力不強(qiáng),，若要提供實時的數(shù)據(jù)加解密運算，處理器的速度往往不能勝任,。根據(jù)系統(tǒng)要求,，優(yōu)先選擇開銷小的安全協(xié)議和算法，或者由硬件來實施加解密算法,。
4.2 安全防御技術(shù)
　　網(wǎng)絡(luò)安全防御技術(shù)可分為主動防御技術(shù)和被動防御技木,。
　　(1)主動防御技術(shù)
　　主動防御技術(shù)一般有數(shù)據(jù)加密、身份驗證,、存取控制,、授權(quán)和虛擬網(wǎng)絡(luò)等技木。下面介紹二種能在嵌入式系統(tǒng)中實施的,、較新的安全技術(shù),。
　　①虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Virtual Private Network,，VPN)
　　虛擬專用網(wǎng)絡(luò)是一個虛擬專用網(wǎng),，它允許二個或更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備跨越一個不安全的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全通信。以Microsoft 公司的IPSec（Internet Protocol Security）協(xié)議為代表的VPN平臺,從網(wǎng)絡(luò)層(IP 層)實現(xiàn)安全加密,。在一個基于IPSec實現(xiàn)的VPN中,，一個遠(yuǎn)端用戶能夠無縫、透明和高安全性地訪問遠(yuǎn)端設(shè)備上的任何服務(wù)和文件,。在IP上層的應(yīng)用(如Telnet,、FTP以及Web服務(wù))都可以集成到這個安全框架內(nèi)。把IPSec加入到嵌入式設(shè)計中也需要一個嵌入式的TCP/IP協(xié)議棧,，并具有適當(dāng)?shù)募用?解密入口點和可選的IPSec及IKE（Internet Key Exchange）安全協(xié)議模塊,。當(dāng)采用“預(yù)共享”密碼實現(xiàn)方案時，嵌入式TCP/IPv4協(xié)議棧,、IPSec和IPSec密碼庫的內(nèi)存占用量小于100KB,。由于編碼是模塊化的，很容易集成到便攜式硬件,、加/解密硬件或者密碼加速器和協(xié)處理器中,。VPN還有一個顯著優(yōu)點就是可充分利用現(xiàn)有系統(tǒng)快速實現(xiàn)安全通信。
　?、诿酃藜夹g(shù)（Honeypot）和蜜網(wǎng)技術(shù)（Honeynet）
　　蜜罐是一個包含漏洞的誘騙系統(tǒng),，它是專門為吸引并“誘騙”那些試圖非法闖入他人計算機(jī)系統(tǒng)的人設(shè)計的。它通過模擬一個或多個易受攻擊的主機(jī),，給攻擊者提供一個容易受攻擊的目標(biāo),。經(jīng)過多年的研究發(fā)展,，蜜罐技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為誘騙攻擊者的一種非常有效而實用的方法,其應(yīng)用集中在對外部威脅的識別。蜜罐技術(shù)與防火墻技術(shù),、入侵檢測技術(shù),、病毒防護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密和認(rèn)證技術(shù)有很大不同,，后者是在攻擊者對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行攻擊時對系統(tǒng)進(jìn)行被動的防護(hù),，而蜜罐技術(shù)可以采取主動的方式。
　　蜜網(wǎng)(其自由組織網(wǎng)址是http：//www.honeynet.org)可以說是更安全,、更強(qiáng)大的蜜罐,，它由很多網(wǎng)絡(luò)上“蜜罐”的“陷阱”構(gòu)成，它以更合理的方式記錄下黑客的行動,，同時盡量減少可能對其他系統(tǒng)造成的危害,。成功的案例表明，蜜網(wǎng)誘使許多黑客白白浪費了大量精力,。嵌入式產(chǎn)品面廣量大,，如果組織合理，蜜網(wǎng)技術(shù)將是一種較好的主動防御技術(shù),。
　　(2)被動防御技術(shù)
　　目前,，被動防御技術(shù)有防火墻技術(shù)、安全掃描器,、密碼檢查器、記賬服務(wù),、路由過濾等,。
　　①防火墻（Firewall）技術(shù)
　　防火墻是內(nèi)部網(wǎng)與外網(wǎng)之間實施安全防范的系統(tǒng),，可被認(rèn)為是一種訪問控制機(jī)制,，用于確定哪些內(nèi)部服務(wù)允許外部訪問，以及哪些外部服務(wù)允許內(nèi)部訪問,。根據(jù)不同的配置,，防火墻可以分為：數(shù)據(jù)包過濾防火墻、代理服務(wù)型防火墻,、監(jiān)測型防火墻,、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換型防火墻。防火墻技術(shù)是目前用得較多的安全技術(shù),。防火墻大多放在網(wǎng)關(guān)上,，因此在上網(wǎng)的嵌入式設(shè)備上使用非常方便，效果也較好,，并可以減輕嵌入式產(chǎn)品自身的安全設(shè)計負(fù)擔(dān),。
　?、诎踩珯z測（Security Detection）
　　安全檢測功能可自動檢測遠(yuǎn)程或本地主機(jī)安全性，用于觀察網(wǎng)絡(luò)是否在正常工作,，收集主機(jī)的信息,，并提出安全建議。大型操作系統(tǒng)一般都有此功能,，當(dāng)然也可在應(yīng)用級設(shè)計安全掃描程序,。另外當(dāng)系統(tǒng)遭受攻擊時，系統(tǒng)還可以對攻擊進(jìn)行檢測,，識別出網(wǎng)絡(luò)攻擊行為,，并讓系統(tǒng)采取相應(yīng)的對策。安全任務(wù)既可以由嵌入式設(shè)備自身實施,，也可以由上位機(jī)實現(xiàn),。
　　③服務(wù)登記(Service Log)
　　在系統(tǒng)中保留一個日志文件,，與安全相關(guān)的事件可以記錄在日志文件中備查和分析,，用以追查有關(guān)責(zé)任者，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)安全的弱點和可入侵點,。嵌入式系統(tǒng)可以將工作日志記錄在其服務(wù)器,。顯然這項功能會加重處理器和數(shù)據(jù)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，所以記錄的項目不宜太多太細(xì),。
　?、軘?shù)據(jù)備份(Data Backup)
　　將系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)和過程實時記錄下來，以便系統(tǒng)遭受損壞后盡快恢復(fù),。嵌入式系統(tǒng)由于資源受限,，往往不可能對其數(shù)據(jù)進(jìn)行本機(jī)備份，可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行異地備份,。
　　綜合以上的安全因素和防御方法可以看出,，各種方法各有其特點，使用時要根據(jù)風(fēng)險級別,、系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)和系統(tǒng)造價進(jìn)行綜合考慮,。對大量使用的、性能一般的嵌入式微處理系統(tǒng),，防火墻和IPSec技術(shù)具有配置靈活,、性價比較高等特點，是容易采用且較為成熟的技術(shù),。
5  結(jié)束語
　　由于嵌入系統(tǒng)安全問題的復(fù)雜性,，決定了必須采用軟件工程方法來分析。對系統(tǒng)防御也必須綜合實施,，沒有一個萬全之策,。目前嵌入式方面的安全研究工作國內(nèi)還做得不多,，因此還需要投入大量的研究。
參考文獻(xiàn)
1   Koopman P.Embedded System Security.Computer,，2004,；(6)
2   Kemp A.Embedded systems：the other problem.Computers  & Security，1997,；16(6)
3   brkekman B,，Notenboom E.Testing Embedded Software.北京：電子工業(yè)出版社，2004
4   Tettero O.Information Security Embedded in the Dsign of  Telematics Systems.computer & security,，1997,；16(2)
5   美崎薰(日)著，王慶譯.圖說ITRON/JTRON.北京：科學(xué)出版社,，2003
6   應(yīng)錦鑫,，曹元大.利用蜜罐技術(shù)捕捉來自內(nèi)部的威脅.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2005,；(1)
7   李紀(jì)扣,，程曉玲，李雪.IPsec在嵌入式VPN系統(tǒng)中的應(yīng)用.天津科技大學(xué)學(xué)報,，2004,；19(3)
8   殷南，吳灝.嵌入式密碼系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用.計算機(jī)應(yīng)用,，2004,；24(6)
9   吳康.高速安全微控制器發(fā)展與前景.今日電子，2004,；(10)
10  胡海峰.危險分析方法及其應(yīng)用.信息安全與通信保密,，2004；(12)
11  盧昱編.網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù).北京：中國物資出版社,，2001
12  張紅旗.信息網(wǎng)絡(luò)安全.北京：清華大學(xué)出版社,，2002