隔離硬件設(shè)計(jì)的基本原理和方法

?嵌入式系統(tǒng)的隔離硬件設(shè)計(jì)?是指在嵌入式系統(tǒng)中通過硬件手段實(shí)現(xiàn)不同功能模塊之間的隔離，以確保系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。這種設(shè)計(jì)方法通過將系統(tǒng)劃分為不同的安全域，每個(gè)域都有自己的權(quán)限和內(nèi)存訪問限制，從而防止一個(gè)模塊的故障或攻擊影響到整個(gè)系統(tǒng)。

隔離硬件設(shè)計(jì)的基本原理和方法

?基于硬件的隔離?：嵌入式開發(fā)中，基于硬件的隔離是一種重要的安全措施。通過使用具有硬件隔離功能的微控制器，如賽普拉斯PSoC 64或多核處理器，可以將系統(tǒng)分為安全和非安全環(huán)境。例如，安全區(qū)域處理關(guān)鍵的外圍設(shè)備、內(nèi)存和功能，而非安全環(huán)境則是傳統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)境?1。

?內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)?：在許多安全應(yīng)用程序中，內(nèi)存保護(hù)單元(MPU)被用來進(jìn)一步分解應(yīng)用程序，確保每個(gè)模塊只能訪問特定的內(nèi)存區(qū)域。這種機(jī)制可以有效防止一個(gè)模塊訪問或破壞其他模塊的數(shù)據(jù)?1。

隔離硬件設(shè)計(jì)的應(yīng)用場景和優(yōu)勢

?應(yīng)用場景?：隔離硬件設(shè)計(jì)廣泛應(yīng)用于需要高安全性的場景，如醫(yī)療設(shè)備、電機(jī)控制、交通設(shè)備等。在這些應(yīng)用中，隔離設(shè)計(jì)可以防止電流浪涌損壞設(shè)備或危害人員，同時(shí)允許數(shù)據(jù)或功率傳送?2。

?優(yōu)勢?：

?安全性?：通過將系統(tǒng)劃分為不同的安全域，每個(gè)域都有自己的權(quán)限和內(nèi)存訪問限制，可以有效防止一個(gè)模塊的故障或攻擊影響到整個(gè)系統(tǒng)。

?穩(wěn)定性?：隔離設(shè)計(jì)可以減少系統(tǒng)間的相互影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

?靈活性?：基于硬件的隔離提供了更高的靈活性和可控性，使得系統(tǒng)在不同環(huán)境下都能保持穩(wěn)定運(yùn)行?12。

談到安全性，應(yīng)該在開發(fā)人員腦海中回蕩的關(guān)鍵概念是安全性始于隔離。開發(fā)人員需要將他們的應(yīng)用程序隔離到不同的域中，每個(gè)域都有自己的權(quán)限并且只能訪問特定的內(nèi)存區(qū)域。在傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)中，許多應(yīng)用程序的架構(gòu)使得任何軟件模塊或組件都可以訪問整個(gè)內(nèi)存映射。如果黑客能夠訪問內(nèi)存中的單個(gè)模塊，他們就可以毫不費(fèi)力地完全擁有該系統(tǒng)。

隔離背后的想法是將應(yīng)用程序分解為單獨(dú)的安全域。如果黑客能夠訪問內(nèi)存中的一個(gè)區(qū)域，他們將無法訪問其他內(nèi)存區(qū)域。如果他們想要訪問，他們必須投入更多的時(shí)間和精力來弄清楚如何突破隔離屏障。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)隔離的最好方法是實(shí)現(xiàn)基于硬件的隔離，它有幾種不同的形式，應(yīng)該一起使用。

隔離工具 #1 – 處理器架構(gòu)

首先，對于安全性至關(guān)重要的應(yīng)用程序，嵌入式開發(fā)人員應(yīng)該使用具有基于硬件隔離的微控制器將應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境分成兩個(gè)不同的環(huán)境; 安全和非安全環(huán)境。 安全區(qū)域處理對保護(hù)設(shè)備至關(guān)重要的外圍設(shè)備、內(nèi)存和功能。 非安全環(huán)境是傳統(tǒng)的、豐富的執(zhí)行環(huán)境。 在現(xiàn)代微控制器中，這種隔離通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，一種是使用賽普拉斯 PSoC 64 等多核處理器，另一種是使用 Arm 的 TrustZone 等單核隔離技術(shù)。

多核微控制器通過具有一個(gè)專用于安全處理環(huán)境和一個(gè)專用于非安全處理環(huán)境的微控制器內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)基于硬件的隔離。另一方面，TrustZone 只是一個(gè)在安全處理環(huán)境和非安全處理環(huán)境之間切換的單核，TrustZone 確實(shí)需要幾個(gè)時(shí)鐘周期來在環(huán)境之間切換，但允許開發(fā)人員使用單個(gè)內(nèi)核。

1 引言

Internet的迅猛發(fā)展使信息共享的程度進(jìn)一步提高，因而信息安全的問題也日益突出，這時(shí)唯一的解決方法只能是主動解決信息安全和網(wǎng)絡(luò)安全問題。目前國內(nèi)外采用最多的、最普遍的網(wǎng)絡(luò)安全措施是使用防火墻類軟件，但是防火墻類軟件本身存在兩大先天缺陷：其一是防火墻隔離的網(wǎng)絡(luò)還是基于TCP/IP協(xié)議來進(jìn)行信息交換的，而TCP/IP 協(xié)議存在漏洞，它無法防止協(xié)議本身的漏洞;其二是防火墻的運(yùn)行離不開操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)和防火墻軟件都存在漏洞，因而不能阻止由這些漏洞而引起的網(wǎng)絡(luò)安全問題[1]。因此，開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)是必要的。本文在對已有的防火墻技術(shù)及物理隔離技術(shù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了帶緩沖區(qū)的雙通道實(shí)時(shí)開關(guān)技術(shù)，通過該技術(shù)所設(shè)計(jì)出的網(wǎng)絡(luò)隔離器能滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)本文提出了一種物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)的技術(shù)構(gòu)思，該方案使得網(wǎng)絡(luò)隔離器有很好的安全性能。

2 物理隔離技術(shù)原理

2.1 簡介

物理隔離是指內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)不得直接或間接地連接外部網(wǎng)絡(luò)即互聯(lián)網(wǎng)[2]。物理隔離技術(shù)通過中斷內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接，不支持TCP/IP 協(xié)議，不依賴于操作系統(tǒng)，解決了目前網(wǎng)絡(luò)安全存在的根本性問題，即由于操作系統(tǒng)漏洞和TCP/IP 協(xié)議漏洞所帶來的安全問題，有效地防止了惡意代碼、病毒以及網(wǎng)絡(luò)入侵的發(fā)生，滿足了網(wǎng)絡(luò)安全的機(jī)密性、完整性、可用性、可控性和可審查性要求。

2.2 物理隔離技術(shù)

目前，國內(nèi)外普遍采用的物理隔離技術(shù)有: 單硬盤物理隔離卡和雙主板物理隔離技術(shù)。

2.2.1 單硬盤物理隔離卡

這種技術(shù)是將計(jì)算機(jī)的單個(gè)硬盤從物理層上分割為公共和安全兩個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)各自安裝一套操作系統(tǒng)。在操作中，用戶工作在安全狀態(tài)和公共狀態(tài)兩個(gè)互相排斥的操作系統(tǒng)環(huán)境下，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)的安全隔離。這種技術(shù)的缺點(diǎn)是不能傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.2.2 雙主板物理隔離技術(shù)

兩塊主板之間通過非網(wǎng)絡(luò)方式的一個(gè)雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，雙端口RAM 分為兩個(gè)區(qū)，第一個(gè)區(qū)是內(nèi)網(wǎng)客戶端向外網(wǎng)服務(wù)器單向傳輸數(shù)據(jù)的通道。第二個(gè)區(qū)是外網(wǎng)客戶端向內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器單向傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的通道。在平時(shí)內(nèi)外網(wǎng)是斷開的，雙端口RAM處于斷開狀態(tài)。當(dāng)有數(shù)據(jù)要傳輸時(shí)，內(nèi)外網(wǎng)才通過雙端口RAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

3 網(wǎng)絡(luò)隔離器技術(shù)原理

目前網(wǎng)絡(luò)隔離器的實(shí)時(shí)開關(guān)實(shí)現(xiàn)方式主要有基于SCSI 的開關(guān)技術(shù)和基于總線的開關(guān)技術(shù)兩種。

基于總線的實(shí)時(shí)開關(guān)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)隔離器采用雙端口靜態(tài)存儲器(Dual Port SRAM)配合基于獨(dú)立的ARM的控制電路，雙端口各自通過開關(guān)與獨(dú)立的計(jì)算機(jī)主機(jī)連接,如圖1所示。ARM作為獨(dú)立的控制電路保證雙端口靜態(tài)存儲器的每一端口上存在一個(gè)開關(guān)，且兩個(gè)開關(guān)不能同時(shí)閉合即K1×K2=0。

基于SCSI 開關(guān)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)隔離器和圖1相似，只是數(shù)據(jù)通道換為SCSI 硬盤接口，而存儲介質(zhì)使用的是SCSI 硬盤，控制單元使用專門設(shè)計(jì)的硬件電路板實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換原理如下：以數(shù)據(jù)由外部網(wǎng)到內(nèi)部網(wǎng)的傳遞為例，首先外部主機(jī)將由外部網(wǎng)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP 協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議的剝離，將其還原為原始數(shù)據(jù)，同時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性和安全性的審查;審查通過后，將安全的數(shù)據(jù)傳遞給交換設(shè)備，然后內(nèi)部主機(jī)接收到這批數(shù)據(jù)，在對它們進(jìn)行TCP/IP協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議的封裝后，把它們發(fā)送到內(nèi)部網(wǎng)。反之亦然。

以內(nèi)網(wǎng)接收電子郵件為例，當(dāng)外網(wǎng)需要有數(shù)據(jù)到達(dá)內(nèi)網(wǎng)的時(shí)候，外部的服務(wù)器立即發(fā)起對隔離設(shè)備的非TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)連接，隔離設(shè)備將所有的協(xié)議剝離，將原始的數(shù)據(jù)寫入存儲介質(zhì)。根據(jù)不同的應(yīng)用，可能有必要對數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性和安全性檢查，如防病毒和惡意代碼等。

一旦數(shù)據(jù)完全寫入隔離設(shè)備的存儲介質(zhì)，隔離設(shè)備立即中斷與外網(wǎng)的連接。轉(zhuǎn)而發(fā)起對內(nèi)網(wǎng)的非TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)連接。隔離設(shè)備將存儲介質(zhì)內(nèi)的數(shù)據(jù)推向內(nèi)網(wǎng)。內(nèi)網(wǎng)收到數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行TCP/IP 的封裝和應(yīng)用協(xié)議的封裝，并交給應(yīng)用系統(tǒng)。

這個(gè)時(shí)候內(nèi)網(wǎng)電子郵件系統(tǒng)就收到了外網(wǎng)的電子郵件系統(tǒng)通過隔離設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的電子郵件。在控制臺收到完整的交換信號之后，隔離設(shè)備立即切斷隔離設(shè)備于內(nèi)網(wǎng)的直接連接。

如果這時(shí)，內(nèi)網(wǎng)有電子郵件要發(fā)出，隔離設(shè)備收到內(nèi)網(wǎng)建立連接的請求之后，建立與內(nèi)網(wǎng)之間的非TCP/IP 協(xié)議的數(shù)據(jù)連接。隔離設(shè)備剝離所有的TCP/IP 協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議，得到原始的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入隔離設(shè)備的存儲介質(zhì)。必要的話，對其進(jìn)行防病毒處理和防惡意代碼檢查。然后中斷與內(nèi)網(wǎng)的直接連接。控制臺收到信息處理完畢后，立即中斷隔離設(shè)備與外網(wǎng)的連接，恢復(fù)到完全隔離狀態(tài)。

每一次數(shù)據(jù)交換，隔離設(shè)備經(jīng)歷了數(shù)據(jù)的接受，存儲和轉(zhuǎn)發(fā)三個(gè)過程。由于這些規(guī)則都是在內(nèi)存和內(nèi)核里完成的，因此速度上有保證，可以達(dá)到100%的總線處理能力[4]。

4 隔離硬件的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)隔離器中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的過程是通過對隔離硬件上的存儲芯片的讀寫來完成的。存儲芯片作為內(nèi)外網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換存儲區(qū)，其訪問設(shè)計(jì)方案決定了網(wǎng)絡(luò)隔離器的數(shù)據(jù)交換速度。為了滿足數(shù)據(jù)交換速度的要求，采用了帶緩沖區(qū)的雙通道實(shí)時(shí)開關(guān)技術(shù)。

雙端口靜態(tài)存儲器劃分為兩個(gè)存儲區(qū)域A、B。

外部主機(jī)通過K1只能向A中寫入數(shù)據(jù)或從B中讀出數(shù)據(jù)，而內(nèi)部主機(jī)通過K2 只能從A 中讀出數(shù)據(jù)或向B 中寫入數(shù)據(jù)，K1 和K2 的約束為K1a×K2c=0 且K1b×K2d=0。如此一來就將雙向數(shù)據(jù)通道變?yōu)榱藘蓚€(gè)單向的數(shù)據(jù)通道。這樣的設(shè)計(jì)使得在原有設(shè)計(jì)中內(nèi)外部處理單元一方對隔離硬件進(jìn)行讀寫操作，而另一方就無法訪問隔離硬件的情況有所改善，它允許雙方同時(shí)進(jìn)入讀讀或?qū)憣懙臓顟B(tài)。但是在這種結(jié)構(gòu)中，存在著這樣的讀寫沖突問題，例如當(dāng)外部主機(jī)通過K1 向A 寫入數(shù)據(jù)時(shí)，內(nèi)部主機(jī)無法從A 中讀出數(shù)據(jù)，或者當(dāng)內(nèi)部主機(jī)從A 中讀出數(shù)據(jù)時(shí)，外部主機(jī) 不能向A 寫入數(shù)據(jù)，對B 的操作也存在類似的情況。因此提出了帶緩沖區(qū)的雙通道實(shí)時(shí)開關(guān)技術(shù)。

將A、B 存儲區(qū)域劃分為N 個(gè)相等的小塊存儲區(qū)ai、bi(1≤i≤N)，K1 和K2 的約束為K1ai×K2ai=0且K1bi×K2bi=0。

這樣的改進(jìn)使得當(dāng)內(nèi)外部主機(jī)中的一方對ai 或bi 進(jìn)行訪問時(shí)，另一方仍可以對aj或bj(i≠j)進(jìn)行訪問，減少了發(fā)生讀寫沖突的幾率，提高了數(shù)據(jù)通道的效率，從而實(shí)現(xiàn)了提高內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)的交換速度的目的。

5 物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)方案的設(shè)計(jì)

物理隔離環(huán)境下數(shù)據(jù)安全轉(zhuǎn)發(fā)方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要在內(nèi)外網(wǎng)隔離的前提下實(shí)現(xiàn)安全、動態(tài)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。

數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)發(fā)的構(gòu)架由外網(wǎng)處理單元、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)、內(nèi)網(wǎng)處理單元、物理隔離模塊、通斷控制電路等功能部分組成。其中:

(1) 外網(wǎng)處理單元負(fù)責(zé)對外網(wǎng)數(shù)據(jù)的確定、采集工作,由內(nèi)網(wǎng)用戶需求而定,例如指定訪問目標(biāo)的網(wǎng)站等。

(2) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)負(fù)責(zé)內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)的暫存、轉(zhuǎn)發(fā)工作。在數(shù)據(jù)交換的過程中,內(nèi)網(wǎng)處理單元把數(shù)據(jù)導(dǎo)出到內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)或者外網(wǎng)處理單元把數(shù)據(jù)導(dǎo)入到外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū),而內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)與外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)是否有數(shù)據(jù)交換由隔離硬件根據(jù)用戶的轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限決定。用戶沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的權(quán)限時(shí),外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)與內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)是完全隔斷的。

(3) 內(nèi)網(wǎng)處理單元按照預(yù)先設(shè)定的安全策略對數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描分析、篩選過濾、病毒檢測等處理。來自于外網(wǎng)數(shù)據(jù)或發(fā)往外網(wǎng)的數(shù)據(jù),如果違反既定安全規(guī)則就被阻止進(jìn)出。

(4) 物理隔離硬件實(shí)現(xiàn)在物理傳導(dǎo)上使內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)隔斷，在物理上隔斷內(nèi)部網(wǎng)與外部網(wǎng)。物理隔離硬件被設(shè)置在最低的物理層上,內(nèi)外網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)由物理隔離硬件操縱通斷控制電路來執(zhí)行,在同一時(shí)段內(nèi),物理隔離硬件只能接受來自內(nèi)網(wǎng)處理單元或者外網(wǎng)處理單元轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的請求,不能同時(shí)接收來自內(nèi)網(wǎng)處理單元和外網(wǎng)處理單元轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的請求,使內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)和外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)雙向進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作。而且它的失效只會影響內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換的性能,而不會影響內(nèi)網(wǎng)的安全性。

(5) 通斷控制電路負(fù)責(zé)控制內(nèi)網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)與外網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)的線路連接,同時(shí)控制對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)區(qū)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)或清除。通常,只有授予數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限的用戶和角色,在通過物理隔離硬件檢查后認(rèn)定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)限與對象列表中的權(quán)限相符的情況下,通斷控制電路才會連通內(nèi)外轉(zhuǎn)發(fā)區(qū),并按其數(shù)據(jù)流向?qū)嵤?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作。