現(xiàn)場固件更新是基于微控制器（基于 MCU）的應(yīng)用中越來越受歡迎的功能。這些更新可以將新的固件映像下載到設(shè)備的內(nèi)存中，從而為產(chǎn)品制造商提供一種有效的方式來為已經(jīng)部署在現(xiàn)場的產(chǎn)品提供服務(wù)和支持。物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 時代正在推動嵌入式世界的連接性增加，這使其成為當(dāng)今連接產(chǎn)品最重要的功能之一，只要它們是安全的。

物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員在部署固件更新機(jī)制時通常會考慮更快的上市時間和更低的產(chǎn)品維護(hù)成本，因為該功能允許他們分階段推出功能、啟用/禁用現(xiàn)場設(shè)備上的特性或功能、修復(fù)固件錯誤后產(chǎn)品已發(fā)布，減少對昂貴技術(shù)支持的需求，并實(shí)現(xiàn)更好的整體最終用戶體驗。但是，如果沒有適當(dāng)?shù)陌踩胧斯δ芸赡軙粸E用，成功利用的后果可能是災(zāi)難性的，從知識產(chǎn)權(quán) （IP） 盜竊和產(chǎn)品克隆一直到對已部署系統(tǒng)的未經(jīng)授權(quán)控制。例如，

固件更新及其漏洞

圖 1 顯示了一個典型的固件更新過程。這些步驟包括：

產(chǎn)品制造商在受信任的環(huán)境中創(chuàng)建初始固件映像并將其加載到設(shè)備中。

該產(chǎn)品與初始固件一起部署到現(xiàn)場。

當(dāng)需要更新固件時，產(chǎn)品制造商會創(chuàng)建一個新的固件映像。

制造商通過不受信任的通信渠道將新固件映像直接發(fā)送給最終用戶/技術(shù)人員或產(chǎn)品。

新固件被加載到現(xiàn)場的設(shè)備上。

在“傳輸”階段，當(dāng)新固件通過不受信任的通信通道傳輸時，或在“固件加載”階段，當(dāng)新固件被下載到現(xiàn)場設(shè)備上時，潛在的安全威脅是顯而易見的。

正在下載到設(shè)備的新固件映像對應(yīng)于產(chǎn)品制造商的 IP 和目標(biāo)資產(chǎn)。對該資產(chǎn)的威脅包括：

將固件二進(jìn)制映像逆向工程為匯編或更高級別的工程語言，以分析其功能和內(nèi)容。

產(chǎn)品克隆，將來自產(chǎn)品制造商的固件映像加載到未經(jīng)授權(quán)的設(shè)備上。

更改產(chǎn)品制造商分發(fā)的固件。

將未經(jīng)授權(quán)的固件映像加載到設(shè)備上，這可能對應(yīng)于產(chǎn)品制造商提供的具有已知錯誤或未經(jīng)授權(quán)方創(chuàng)建的代碼的較舊固件版本，或不適合特定設(shè)備的固件（固件降級）。

中斷固件更新過程，使得固件僅部分更新，導(dǎo)致設(shè)備無法服務(wù)。

顯然，上述威脅可能對產(chǎn)品制造商、服務(wù)提供商和最終用戶造成災(zāi)難性后果，因此表明嵌入式設(shè)計人員迫切需要考慮采取措施提高固件更新機(jī)制的整體安全性。

設(shè)計工程師的安全固件更新注意事項

圖 2 顯示了網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)的示例表示。在這種情況下，新固件映像從產(chǎn)品制造商（例如，新功能推出或固件錯誤修復(fù)）或服務(wù)提供商（例如，啟用/禁用產(chǎn)品中的功能或服務(wù)）傳輸?shù)阶詈缶钟蚓W(wǎng)或廣域網(wǎng) （LAN/WAN） 上的節(jié)點(diǎn)，并且可能涉及來自最終用戶應(yīng)用程序的身份驗證（例如，通過移動設(shè)備和 Web 應(yīng)用程序）以執(zhí)行固件更新。

【圖2 | 安全固件更新包括由用于網(wǎng)絡(luò)通信的接口協(xié)議規(guī)定的安全措施，以及確保固件映像在數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前得到保護(hù)的應(yīng)用程序級安全性。］

為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計固件更新功能的嵌入式系統(tǒng)工程師不僅需要了解需要保護(hù)的資產(chǎn)和潛在威脅，還需要了解其系統(tǒng)的功能和限制，尤其是與成本、性能或功耗有關(guān)的系統(tǒng)受約束的系統(tǒng)。作為起點(diǎn)，必須考慮一種有效的安全解決方案，該解決方案將密碼算法和協(xié)議級措施的正確組合結(jié)合在一起。

加密算法提供了一種保護(hù)內(nèi)容隱私的方法，同時確保其真實(shí)性和完整性。并非所有加密算法都是相同的，但它們基于四個加密原語，這些原語處理機(jī)密性、完整性和真實(shí)性 （CIA） 三元組的一個或多個組件。這些原語是：

加密和解密：加密是將數(shù)據(jù)（明文）轉(zhuǎn)換為隨機(jī)且無意義的東西（密文）的過程，而解密則執(zhí)行相反的工作。這些原語提供機(jī)密性和真實(shí)性，并用于防止固件的逆向工程。

單向函數(shù)：諸如哈希之類的函數(shù)是一種數(shù)學(xué)算法，在一個方向上很容易計算，但在另一個方向上卻很難。它們用于獲取數(shù)字“指紋”，以確保固件在傳輸?shù)浆F(xiàn)場之前的完整性。

數(shù)字簽名：用于檢測消息在簽名后是否被更改，從而不僅提供完整性，還提供身份驗證。這些使用公鑰加密來生成只能使用制造商的公鑰正確解密的簽名。

消息驗證碼 （MAC）：類似于數(shù)字簽名，只是它使用對稱密鑰來加密和解密制造商生成的哈希。如果接收方解密的哈希值與為該消息計算的哈希值匹配，則該消息是有效的。通過這種方式，MAC 提供了真實(shí)性和完整性。

影響密碼算法選擇的一些因素包括性能要求、系統(tǒng)的安全需求、內(nèi)存占用、能源消耗以及安全社區(qū)（例如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology）等組織對算法的可靠性和接受程度。 NIST））。

除了加密算法之外，還應(yīng)考慮針對固件降級等威脅的協(xié)議級措施。如前所述，固件降級是一種攻擊，其中將舊的有缺陷的固件映像（加密或未加密）重新發(fā)送到設(shè)備以將其恢復(fù)到易受攻擊的狀態(tài)。固件和密鑰的版本檢查可以確保在更新期間僅對新版本進(jìn)行編程。

攻擊者還可以使用多種方法（斷電、物理連接故障、傳輸過程中的位翻轉(zhuǎn)等）中斷固件更新過程。這可能導(dǎo)致設(shè)備執(zhí)行不完整或無效的固件映像，使其無用或處于受損狀態(tài)。為了解決這種情況，固件更新機(jī)制需要確保不執(zhí)行不完整或損壞的映像，并在必要時將系統(tǒng)恢復(fù)為有效的、以前使用過的映像。

用于連接嵌入式系統(tǒng)的加密引導(dǎo)加載程序

固件更新通常由設(shè)備引導(dǎo)加載程序處理。引導(dǎo)加載程序是駐留在設(shè)備內(nèi)存中的一段代碼，能夠?qū)?yīng)用程序內(nèi)存空間進(jìn)行重新編程。然而，尋找或創(chuàng)建具有網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)所需安全性的嵌入式引導(dǎo)加載程序可能具有挑戰(zhàn)性。例如，系統(tǒng)可能需要更新加密密鑰的能力，因此加密功能和引導(dǎo)加載程序協(xié)議應(yīng)支持在固件更新過程中升級密鑰并提高網(wǎng)絡(luò)安全性。引導(dǎo)加載程序協(xié)議還應(yīng)支持驗證固件更新版本和數(shù)據(jù)包跟蹤，以檢查是否接收到特定固件更新映像的所有數(shù)據(jù)包。

如前所述，加密算法的選擇至關(guān)重要，因為它不僅設(shè)置系統(tǒng)的安全級別，而且還影響其性能、內(nèi)存占用和功耗。考慮到這一點(diǎn)，AES-CCM 代表了嵌入式引導(dǎo)加載程序的最佳解決方案。AES-CCM 是一種基于兩個加密原語的加密引導(dǎo)加載程序 （Crypto-Bootloader）：用于加密的 AES 計數(shù)器模式 （AES-CTR） 和用于完整性和真實(shí)性驗證的密碼塊鏈接消息驗證碼 （CBC-MAC）。由于 AES-CCM 提供的低開銷，它在提高安全性和低內(nèi)存占用、高吞吐量和高效功耗之間提供了完美平衡（圖 3）。

【圖3 | AES-CCM 算法用于加密固件數(shù)據(jù)，例如固件版本號、數(shù)據(jù)包編號和數(shù)據(jù)包總數(shù)。此信息與對稱數(shù)據(jù)加密密鑰一起輸入算法，以加密數(shù)據(jù)并生成加密 MAC 標(biāo)簽，該標(biāo)簽代表德州儀器 Crypto-Bootloader 核心命令的一部分。］

選擇實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)加載程序的 MCU 也不容忽視。設(shè)計人員應(yīng)考慮具有硬件加密引擎、內(nèi)存保護(hù)單元 （MPU）、低功耗外設(shè)和內(nèi)存技術(shù)等功能的 MCU，這些技術(shù)允許快速讀/寫周期以提高吞吐量。德州儀器 （Texas Instruments）的MSP430FR5969 MCU就是此類 MCU 的一個示例，它集成了 AES-256 協(xié)處理器以加速加密算法、MPU 和 MPU-IP 封裝 （MPU-IPE） 模塊，以增強(qiáng)對存儲器區(qū)域的保護(hù)和封裝，如以及高達(dá) 64 KB 的 FRAM 內(nèi)存，可實(shí)現(xiàn)高性能和超低功耗。在 MSP430FR5969 器件上實(shí)施的 Crypto-Bootloader 解決方案封裝了此處概述的大部分安全功能和注意事項。

保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)固件

總之，越來越多的網(wǎng)絡(luò)嵌入式產(chǎn)品正在創(chuàng)造潛在的高級安全威脅，使現(xiàn)場固件更新更容易受到遠(yuǎn)程攻擊和利用。因此，嵌入式設(shè)計人員必須考慮通過提供適當(dāng)安全級別的解決方案來保護(hù)其固件更新機(jī)制，同時平衡物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的成本、功耗和性能限制。

作者：Bhargavi Nisarga ，Luis Reynoso

審核編輯：郭婷