你的智能座駕、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正被黑客窺探： 如何破解嵌入式設(shè)備安全危局

前陣子，英飛凌公司（Infineon）正式收購(gòu)賽普拉斯（Cypress）的新聞刷屏了朋友圈。

日前，2020年6月17日英飛凌宣布推出Semper Secure，進(jìn)一步拓展其屢獲認(rèn)可的Semper NOR閃存系列，而這得益于收購(gòu)賽普拉斯的存儲(chǔ)技術(shù)及產(chǎn)品線。

那么這款產(chǎn)品有什么特點(diǎn)？官方的文件顯示，這款產(chǎn)品是世界上最安全的NOR閃存，另外還兼具易用性和可靠性。為何要在安全上大作文章？這其實(shí)來(lái)源于與日俱增的黑客入侵事件……

據(jù)Gartner咨詢公司的預(yù)計(jì)，到2023年，將有超過(guò)750,000輛擁有自動(dòng)駕駛功能的汽車進(jìn)入市場(chǎng)。隨著越來(lái)越多的汽車實(shí)現(xiàn)互聯(lián)并具備自動(dòng)駕駛功能，不法分子對(duì)道路上的汽車進(jìn)行操控攻擊的可能性逐漸提高，這類擔(dān)憂可能與日俱增。

現(xiàn)如今，特斯拉、蔚來(lái)、威馬、小鵬均已搭載L2-L3級(jí)別的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，自動(dòng)駕駛正在駛?cè)隠4、L5時(shí)代。另?yè)?jù)，HIS分析師預(yù)測(cè)，在2035年，全球?qū)?huì)有2100萬(wàn)輛帶有L5級(jí)別自動(dòng)駕駛的車輛。Uswitch透露，在英國(guó)注冊(cè)的新車中，有超過(guò)67%是智能汽車，預(yù)計(jì)到2026年這一比例將上升到100%，到2035年這一市場(chǎng)價(jià)值高達(dá)520億英鎊 (571億美元）。

那么，整車將有多少功能？自動(dòng)泊車、碰撞警告、主動(dòng)剎車、ACC自適應(yīng)巡航、VSA車聯(lián)網(wǎng)檢查、ISA電子警察系統(tǒng)、TMC實(shí)時(shí)交通系統(tǒng)、360環(huán)視、并線輔助、LDWS車道偏移警告系統(tǒng)、HMW車距檢測(cè)及警告、FCWS前車防撞預(yù)警系統(tǒng)、PED行人檢測(cè)、車道保持系統(tǒng)……

數(shù)據(jù)顯示，2010年汽車軟件代碼行數(shù)只有1000萬(wàn)，而到2016年擁有了約1.5億，整整增長(zhǎng)了15倍。根據(jù)研究，互聯(lián)汽車每小時(shí)產(chǎn)生的個(gè)人數(shù)據(jù)高達(dá)25GB，包括司機(jī)、車輛和乘客的數(shù)據(jù)。這在自動(dòng)駕駛功能愈加豐富的如今只會(huì)更加迅猛地增長(zhǎng)。

而就在2015年，黑客在一起知名事件中通過(guò)信息娛樂(lè)系統(tǒng)控制了一輛SUV。先是干擾該車的音頻和空調(diào)系統(tǒng)，接著讓車輛停在圣路易斯高速公路繁忙的車流中。黑客隨后證明他們還能更高一籌，包括關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)并讓制動(dòng)失效。

他們“實(shí)驗(yàn)”的攻入點(diǎn)是該車連接到互聯(lián)網(wǎng)的娛樂(lè)系統(tǒng)，在這里黑客重新編寫(xiě)固件并將他們的代碼植入相鄰芯片。重新編程后的芯片能夠通過(guò)內(nèi)部的CAN總線車身網(wǎng)絡(luò)將命令發(fā)送到汽車的其余部分。

圖1：黑客正在盯著你的智能座駕

特斯拉作為自動(dòng)駕駛的先驅(qū)，也經(jīng)常被資深黑客當(dāng)做試驗(yàn)的材料。2016年，騰訊科恩實(shí)驗(yàn)室以遠(yuǎn)程無(wú)物理接觸的方式入侵特斯拉汽車，對(duì)剎車系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向燈、座椅位置以及門鎖系統(tǒng)進(jìn)行了控制。最終導(dǎo)致了在靜態(tài)時(shí)汽車可遠(yuǎn)程解鎖、打開(kāi)車窗，動(dòng)態(tài)時(shí)可遠(yuǎn)程啟動(dòng)雨刷、打開(kāi)后備箱、遠(yuǎn)程剎車等。

2018年，一位特斯拉Model 3車主自己入侵了自己的汽車。這位車主自從發(fā)現(xiàn)可以入侵Model 3車型的工具箱界面獲取相關(guān)參數(shù)信息后，便打開(kāi)了新世界，不僅獲取關(guān)鍵參數(shù)和性能信息，還分析了系列的關(guān)鍵信息。

2020年，McAfee高級(jí)威脅研究團(tuán)隊(duì)（McAfee Advanced Threat Research）一群黑客在實(shí)驗(yàn)中修改了限速標(biāo)志，成功騙過(guò)了特斯拉第一代自動(dòng)駕駛系統(tǒng)Autopilot，讓其將車速?gòu)?5 mph加速到了85 mph，如果是行駛中發(fā)生這種事，后果可想而知。

伴隨著自動(dòng)駕駛的高速發(fā)展之下，安全問(wèn)題并不能忽視。一方面，自動(dòng)駕駛的自動(dòng)程度越來(lái)越高，主動(dòng)干預(yù)的功能越來(lái)越多，直接威脅著人身安全；另一方面，單一化的安全防護(hù)并不能夠滿足現(xiàn)如今的系統(tǒng)，免于侵害需要一個(gè)非常完整的閉環(huán)安全系統(tǒng)。

自動(dòng)駕駛因?yàn)橹苯佑绊懼{駛員和乘客的生命安全，因此被廣為關(guān)注，然而有代碼的地方就會(huì)有黑客攻擊的可能性。這包括汽車、智能工廠、醫(yī)院設(shè)備和便攜式醫(yī)療產(chǎn)品在內(nèi)的互聯(lián)設(shè)備都存在大量易受網(wǎng)絡(luò)攻擊的薄弱環(huán)節(jié)，其中包括軟件更新、數(shù)據(jù)下載和云連接。

根據(jù)Trend Micro的未來(lái)威脅研究小組(Forward-Looking Threat Research Team)近期開(kāi)展的多項(xiàng)測(cè)試，研究人員證實(shí)，通過(guò)修改工廠機(jī)器人的設(shè)置，進(jìn)而控制機(jī)器人，損壞其部件或傷害在其附近工作的人員是多么輕而易舉。此外，研究還發(fā)現(xiàn)了數(shù)萬(wàn)種存在被黑風(fēng)險(xiǎn)的工業(yè)設(shè)備，這些工業(yè)設(shè)備駐留在公共IP地址上。

對(duì)智能工廠的攻擊不僅會(huì)影響生產(chǎn)，給企業(yè)造成重大財(cái)務(wù)損失，而且還會(huì)危及生命。Verizon開(kāi)展的研究表明，制造業(yè)中86%的攻擊有明確目標(biāo)，接近半數(shù)涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)竊取。

 圖2：有代碼的地方就有黑客攻擊

有醫(yī)院最近發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常使用的麻醉機(jī)和呼吸機(jī)存在安全漏洞，黑客可以利用它調(diào)整特定命令，包括機(jī)器內(nèi)的氣體成分。據(jù)美國(guó)科技類博客Techcrunch的報(bào)道，黑客可通過(guò)醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)這些工具，修改機(jī)器的協(xié)議，并在無(wú)需認(rèn)證的情況下執(zhí)行命令。這些示例說(shuō)明互聯(lián)設(shè)備很容易受到攻擊，因此我們必須強(qiáng)化信息安全。

近期，一家大型便攜式醫(yī)療設(shè)備制造商召回了一個(gè)系列的胰島素泵，這是因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了潛在漏洞，黑客可以通過(guò)射頻信號(hào)修改設(shè)備的設(shè)置。胰島素劑量的增加或減少可能會(huì)給使用該設(shè)備的患者造成威脅生命的血糖水平變化。

為了從法律上盡可能阻止這樣的黑客攻擊，美國(guó)加州在2018年通過(guò)了SB-327法案。該法案名為“物聯(lián)網(wǎng)安全法”，是美國(guó)首個(gè)要求在銷售的所有互聯(lián)設(shè)備中內(nèi)置某種安全保護(hù)機(jī)制的法案。安全閃存是幫助制造商滿足這一嚴(yán)格要求的途徑之一。

除了法律，很多公司也開(kāi)發(fā)了許多安全套件，包括Arm公司也開(kāi)啟了PSA Certified?的物聯(lián)網(wǎng)安全設(shè)備認(rèn)證項(xiàng)目，可想而知市場(chǎng)對(duì)于安全性的重視程度。也許設(shè)備安全運(yùn)行的時(shí)刻，黑客正在時(shí)刻窺探著你的設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)性能，甚至隨時(shí)準(zhǔn)備撬動(dòng)它！

根據(jù)英飛凌的解答，閃存器件是黑客的主要攻擊目標(biāo)之一，這是因?yàn)槠渲写鎯?chǔ)著啟動(dòng)代碼、安全密鑰以及其他用于保持系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

一般來(lái)說(shuō)，用在智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或自動(dòng)駕駛的設(shè)備中的非易失性存儲(chǔ)器件，NAND Flash和NOR Flash是人們最耳熟能詳?shù)膬煽町a(chǎn)品，一般來(lái)說(shuō)NAND Flash多用于服務(wù)器、云端等容量需求極大的場(chǎng)景，NOR Flash則依靠其自身讀寫(xiě)速度的優(yōu)勢(shì)占據(jù)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設(shè)備的市場(chǎng)。

從存儲(chǔ)器市場(chǎng)來(lái)看，NOR Flash在起初只是一個(gè)旁支，然而隨著5G、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛的日漸興起，走勢(shì)逐漸飆高。

據(jù)悉，汽車ADAS中，約有82%的汽車攝像頭都要憑借NOR Flash啟動(dòng)，畢竟NOR Flash讀寫(xiě)速度更快，沒(méi)有延遲感的開(kāi)關(guān)機(jī)才能給用戶更好的體驗(yàn)。更何況，嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備一般來(lái)說(shuō)，對(duì)存儲(chǔ)空間要求僅需幾兆到幾百兆之間，因此無(wú)論從體積還是從延遲上考慮，NOR Flash都是更好的選擇。

另外，在高可靠非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)上，業(yè)界也曾考慮過(guò)采用RRAM和MRAM等選項(xiàng)，但因?yàn)閿?shù)據(jù)完整性、成本、工藝問(wèn)題而無(wú)法滿足規(guī)模量產(chǎn)的要求。盡管RRAM和MRAM除了單純的非易失存儲(chǔ)功能，還兼具了易失存儲(chǔ)功能，但在很多情況下，十幾倍的單價(jià)存儲(chǔ)密度還是很難讓車廠接受的。

雖然閃存看似很簡(jiǎn)單，但攻破手段卻出奇的多，防不勝防。一般來(lái)說(shuō)，有冒充攻擊、侵入、重放通訊、窺探攻擊、竊取安全密鑰、旁路攻擊、克隆幾種手段。

圖3：攻破閃存的途徑

Semper Secure閃存就是使用NOR Flash的一款產(chǎn)品，共有128 MB、256 MB、512 MB三種型號(hào)供選擇，性能上則是200 MHz DDR，在xSPI標(biāo)準(zhǔn)下讀取帶寬達(dá)400 MB/s；在QSPI標(biāo)準(zhǔn)下讀取帶寬為102 MB/s，166 MHz SDR/102MHz DDR。

需要注意的是，Semper Secure的參數(shù)上有三大關(guān)鍵點(diǎn)：

1、安全性：Semper Secure與一般NOR Flash的最大區(qū)別就是集成了加密模塊，因此可以從內(nèi)部確保信息的安全性和可靠性。很多情況下，很多系統(tǒng)只有功能安全這一單一功能，往往來(lái)說(shuō)僅擁有這一功能是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

從內(nèi)部架構(gòu)來(lái)看，采用45nm MirrorBit技術(shù)，分為安全區(qū)域、功能安全、可靠性、性能四個(gè)大塊?？偟膩?lái)說(shuō)，Semper Secure使用的是硬件加速加密引擎提供硬件信任根，實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)、安全存儲(chǔ)和安全的遠(yuǎn)程升級(jí)

通過(guò)提供安全區(qū)域，同時(shí)采用可配置訪問(wèn)控制，并內(nèi)置針對(duì)旁路攻擊的防護(hù)，該技術(shù)也有助于處理安全認(rèn)證和加密存儲(chǔ)通訊。此外，它采用靈活的存儲(chǔ)器內(nèi)計(jì)算架構(gòu)并結(jié)合先進(jìn)的加密算法，能夠適應(yīng)時(shí)刻變化的安全需求，確保使用該技術(shù)的產(chǎn)品不僅現(xiàn)在具有安全性，而且還能在無(wú)需重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件的情況下滿足未來(lái)需求。 

圖4：Semper Secure原理圖，圖示為內(nèi)置于外部NOR閃存器件中的多層信息安全

在安全功能上，擁有存儲(chǔ)區(qū)域與存取管理器、安全啟動(dòng)與唯一器件秘鑰標(biāo)識(shí)（UDS）、對(duì)稱/非對(duì)稱秘鑰配置、秘鑰管理、非易失的防回滾計(jì)數(shù)器、防止旁路攻擊(SCA)、加密引擎與真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器(TRNG)、通訊加密、診斷、安全啟動(dòng)(Safe Boot?)、接口通訊CRC與數(shù)據(jù)CRC、錯(cuò)誤校正碼、EnduraFlex?、串行存儲(chǔ)器控制器。

在協(xié)同工作上，Secure Secure閃存為安全密鑰、證書(shū)、密碼哈希值、應(yīng)用專用數(shù)據(jù)、配置數(shù)據(jù)和生物計(jì)量傳感器數(shù)據(jù)提供了硬件保護(hù)安全存儲(chǔ)。使用QSPI和xSPI等標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議，就能與主控協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高要求互聯(lián)應(yīng)用中所需的安全級(jí)別，同時(shí)全面兼容現(xiàn)有的主控存儲(chǔ)器控制器。Secure Secure閃存能夠確保系統(tǒng)的安全啟動(dòng)、記錄關(guān)鍵信息，并將工作存儲(chǔ)器擴(kuò)展用于必備功能。

圖5：外部NOR閃存與主控處理器協(xié)同工作，為高要求應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高水平安全

因?yàn)樵趦?nèi)部早已內(nèi)置了各種安全功能，因此在選NOR Flash時(shí)，也無(wú)需額外再配置其他安全模塊了，在成本方面也擁有著極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

2、車規(guī)級(jí)：從參數(shù)來(lái)看產(chǎn)品的工作溫度在-40oC至+125oC，并且通過(guò)了AEC-Q100汽車級(jí)認(rèn)證（支持PPAP）。眾所周知，車載工作環(huán)境一般較為惡劣，對(duì)溫度要求一般都比較高。除了環(huán)境溫度以外，一般車規(guī)級(jí)器件還要求振動(dòng)、沖擊、可靠性、生命周期、制造工藝等。

3、快速性：汽車應(yīng)用必須能在加電后的100ms內(nèi)回應(yīng)CAN消息，否則會(huì)危及駕駛員的安全。安全閃存在10ms內(nèi)完成主控MCU認(rèn)證并啟動(dòng)代碼執(zhí)行，確保安全啟動(dòng)。

之前文章也講述了NOR Flash在讀取速度上的優(yōu)勢(shì)，值得一提的是，這款產(chǎn)品則支持x8串行 NOR 閃存的 JEDEC eXpanded SPI（xSPI） 標(biāo)準(zhǔn)，還支持高達(dá)400 MBps的讀取帶寬。因此，在速度方面有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。

尤其是安全性方面仍然還是這款產(chǎn)品的主打節(jié)奏，Objective Analysis 總裁 Jim Handy 表示：“當(dāng)閃存置于主處理器之外時(shí)，保證嵌入式系統(tǒng)的安全性就變得尤為重要。針對(duì)閃存無(wú)法嵌入 MCU 的情況，英飛凌推出的安全閃存解決方案是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的架構(gòu)。它具備更好的通用性，可供設(shè)計(jì)工程師們選擇。”

英飛凌科技公司存儲(chǔ)解決方案負(fù)責(zé)人 Sam Geha 表示：“對(duì)于注重信息保護(hù)和系統(tǒng)完整性的客戶而言，安全的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。隨著越來(lái)越多的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過(guò)外置閃存來(lái)保護(hù)代碼和數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)設(shè)備亟需進(jìn)一步提升加密安全性。我們新推出的 Semper Secure NOR 閃存架構(gòu)在功能安全性極高的 Semper 產(chǎn)品系列基礎(chǔ)上新增了信息安全子系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)端到端的持續(xù)保護(hù)，有效保證系統(tǒng)不受損害?！?/span>

現(xiàn)如今，很多廠商都“從硬變軟”，逐漸確保開(kāi)發(fā)者的極致開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。當(dāng)然這款產(chǎn)品依然具有許多方便快捷的套件和模型供使用者高效設(shè)計(jì)。

從Semper解決方案開(kāi)發(fā)套件（S-SDK）上來(lái)看，使用的是C模型和wolfSSL安全庫(kù)，因此入門幾乎沒(méi)什么門檻，畢竟C語(yǔ)言幾乎是嵌入式工程師的必備了。在操作過(guò)程中，S-SDK中擁有新手套件、存儲(chǔ)器模塊、加密算法驗(yàn)證模塊有助于簡(jiǎn)化評(píng)估操作，確保兼容性。 

圖6：Semper SDK為開(kāi)發(fā)者帶來(lái)極大的效率

除了示例代碼、閃存存儲(chǔ)器模型和評(píng)估套件簡(jiǎn)化學(xué)習(xí)過(guò)程以外， Semper還提供可用于量產(chǎn)并符合MISRA-C標(biāo)準(zhǔn)的主控驅(qū)動(dòng)程序，更加使得開(kāi)發(fā)效率提升。

據(jù)了解，英飛凌的256 Mb Semper Secure NOR閃存器件已經(jīng)向部分客戶提供樣品，預(yù)計(jì)將在2021年第二季度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。