作者：Bhargavi Nisarga，Luis Reynoso

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。這些更新使新的固件映像能夠下載到設(shè)備的內(nèi)存中，為產(chǎn)品制造商提供了一種有效的方式，可以為已經(jīng)在現(xiàn)場部署的產(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連接性的提高，使其成為當(dāng)今互聯(lián)產(chǎn)品最關(guān)鍵的功能之一，只要它們是安全的。

在部署固件更新機制時，物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員通常考慮縮短上市時間并降低產(chǎn)品維護(hù)成本，因為該功能允許他們分階段推出功能，在現(xiàn)場設(shè)備上啟用/禁用特性或功能，在產(chǎn)品發(fā)布后修復(fù)固件錯誤，減少對昂貴技術(shù)支持的需求，并實現(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瑒t此功能可能會被濫用，并且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)品克隆一直到對部署系統(tǒng)的未經(jīng)授權(quán)的控制。例如，成功利用不支持在醫(yī)院藥物泵中驗證新固件映像的真實性的固件更新機制，可能會導(dǎo)致黑客篡改交付給患者的藥物劑量。

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。

產(chǎn)品與初始固件一起部署到現(xiàn)場。

當(dāng)需要固件更新時，產(chǎn)品制造商會創(chuàng)建新的固件映像。

制造商將新的固件映像直接通過不受信任的通信通道發(fā)送給最終用戶/技術(shù)人員或產(chǎn)品。

新固件將加載到現(xiàn)場的設(shè)備上。

潛在的安全威脅在“傳輸”階段通過不受信任的通信通道傳輸時，或者在“固件加載”階段，當(dāng)新固件下載到現(xiàn)場的設(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)。對此資產(chǎn)的威脅包括：

將固件二進(jìn)制映像反向工程成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，其中將產(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，該映像可能對應(yīng)于產(chǎn)品制造商提供的具有已知錯誤或由未經(jīng)授權(quán)方創(chuàng)建的代碼的較舊固件版本，或者不適用于特定設(shè)備的固件（固件降級）。

中斷固件更新過程，使固件僅部分更新，從而導(dǎo)致設(shè)備無法提供服務(wù)。

很明顯，上述威脅可能會對產(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)計人員迫切需要采取措施來提高固件更新機制的整體安全性。

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)的示例表示形式。在這種情況下，新的固件映像從產(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)奖镜鼗驈V域網(wǎng)（LAN /WAN）上的終端節(jié)點，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）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，以及確保在數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)之前保護(hù)固件映像的應(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)的功能和局限性，特別是當(dāng)它們與受限系統(tǒng)的成本、性能或功耗有關(guān)時。作為起點，必須考慮結(jié)合加密算法和協(xié)議級措施的正確組合的有效安全解決方案。

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基元，這些原語處理機密性、完整性和真實性 （CIA） 三元組的一個或多個組件。這些基元是：

加密和解密：加密是將數(shù)據(jù)（明文）轉(zhuǎn)換為隨機和無意義（密文）的過程，而解密則執(zhí)行相反的工作。這些基元提供機密性和真實性，并用于防止固件的逆向工程。

單向功能：諸如哈希之類的函數(shù)是數(shù)學(xué)算法，在一個方向上很容易計算，但在另一個方向上很難計算。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。

消息身份驗證代碼： 與數(shù)字簽名類似，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消息計算的哈希值匹配，則該消息有效。通過這種方式，MAC提供了真實性和完整性。

影響加密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、能耗以及安全社區(qū)（如美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 等組織）對算法的可靠性和接受度。

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，其中較舊的有缺陷的固件映像（加密或未加密）被重新發(fā)送到設(shè)備以將其恢復(fù)到易受攻擊的狀態(tài)。對固件和密鑰進(jìn)行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，固件更新機制需要確保不執(zhí)行不完整或損壞的映像，如有必要，應(yīng)將系統(tǒng)還原為以前使用的有效映像。

用于連接的嵌入式系統(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)存上的一段代碼，能夠重新編程應(yīng)用程序內(nèi)存空間。但是，查找或創(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)可能需要能夠更新加密密鑰，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和提高網(wǎng)絡(luò)安全性。引導(dǎo)加載程序協(xié)議還應(yīng)適應(yīng)驗證固件更新版本和數(shù)據(jù)包跟蹤，以檢查是否接收了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)置了系統(tǒng)的安全級別，還會影響其性能、內(nèi)存占用和功耗。考慮到這一點，AES-CCM代表了嵌入式引導(dǎo)加載程序的最佳解決方案。AES-CCM 是一個基于兩個加密基元構(gòu)建的加密引導(dǎo)加載程序（加密引導(dǎo)加載程序）：用于加密的 AES 計數(shù)器模式 （AES-CTR） 和用于完整性和真實性驗證的密碼塊鏈接消息身份驗證代碼 （CBC-MAC）。由于 AES-CCM 提供的低開銷，它在提高安全性與低內(nèi)存占用量、高吞吐量和高效功耗之間實現(xiàn)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)。該信息與對稱數(shù)據(jù)加密密鑰一起輸入算法，以加密數(shù)據(jù)并生成加密的MAC標(biāo)簽，該標(biāo)簽代表德州儀器的Crypto-Bootloader核心命令的一部分。

選擇實現(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、存儲器保護(hù)單元（MPU）、低功耗外設(shè)和存儲器技術(shù)等功能的MCU，這些器件允許快速讀/寫周期以提高吞吐量。德州儀器 （TI） 的 MSP430FR5969 MCU 就是此類 MCU 的一個例子，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） 模塊可增強對內(nèi)存區(qū)域的保護(hù)和封裝，以及高達(dá) 64 KB 的 FRAM 內(nèi)存，可實現(xiàn)高性能和超低功耗。在 MSP430FR5969 設(shè)備上實現(xiàn)的加密引導(dǎo)加載程序解決方案封裝了此處概述的大多數(shù)安全功能和注意事項。

保護(hù)物聯(lián)網(wǎng)的固件

總之，越來越多的網(wǎng)絡(luò)嵌入式產(chǎn)品正在產(chǎn)生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)其固件更新機制，同時平衡物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的成本、功耗和性能限制。

審核編輯：郭婷