北京航空航天大學(xué)

何立民

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)安全性問(wèn)題

北京航空航天大學(xué)

何立民

傳統(tǒng)電子時(shí)代，電子系統(tǒng)的可靠性與安全性是統(tǒng)一的，可靠即安全。智能電子時(shí)代有了安全性包容設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了不可靠因素下的安全保障設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，幾乎所有嵌入式系統(tǒng)都具有互聯(lián)網(wǎng)接入能力，體系結(jié)構(gòu)從封閉到開(kāi)放，形成了互聯(lián)網(wǎng)中非安全因素對(duì)嵌入式系統(tǒng)的入侵渠道，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)上升到空前高度。

1電子系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)變遷

傳統(tǒng)電子系統(tǒng)是純硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)正常時(shí)可安全使用，系統(tǒng)失效后無(wú)安全可言。傳統(tǒng)電子系統(tǒng)用減少元器件的失效率來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性，這時(shí)的元器件有明顯的可靠性等級(jí)，如軍用級(jí)、工業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)、民用級(jí)等元器件。為了保證軍工產(chǎn)品的可靠性、安全性，軍工類電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，所有的元器件無(wú)一例外地使用軍用級(jí)產(chǎn)品。我們常常會(huì)見(jiàn)到一個(gè)奇特現(xiàn)象，即軍工電子系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，往往不敢采用一些先進(jìn)的元器件，因?yàn)檫@些新型元器件通常沒(méi)有軍用級(jí)產(chǎn)品。

智能電子時(shí)代，由于電子系統(tǒng)無(wú)一例外地引入了微控制器，系統(tǒng)中的許多功能都體現(xiàn)為硬件基礎(chǔ)上的軟件行為。系統(tǒng)的可靠性因素，除了硬件的本質(zhì)可靠性外，主要是由軟件出錯(cuò)概率引發(fā)的多值可靠性。此外，微控制器帶來(lái)的人工智能設(shè)計(jì)，可以主動(dòng)介入系統(tǒng)的可靠性控制設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。

物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代智能電子系統(tǒng)的一種常見(jiàn)形式。在物聯(lián)網(wǎng)中，智能電子系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)終端的形式構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的感知層與控制層?；ヂ?lián)網(wǎng)是本質(zhì)不安全的網(wǎng)絡(luò)體系，各種網(wǎng)絡(luò)罪惡行為威脅網(wǎng)絡(luò)安全。物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流可以輕易地與智能電子系統(tǒng)交互，從而將這些威脅引入智能電子系統(tǒng)。因此，與智能電子系統(tǒng)相比，物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)有突出的安全問(wèn)題，即網(wǎng)絡(luò)攻擊型的致命性安全問(wèn)題。一個(gè)高可靠的智能電子系統(tǒng)接入物聯(lián)網(wǎng)后，有可能遭遇網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊而失效，在一些有安全性要求的物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)中必須有防止惡意攻擊的安全性設(shè)計(jì)。

2高境界的嵌入式系統(tǒng)可靠性

從可靠性、安全性視角來(lái)看，智能電子系統(tǒng)達(dá)到了最高境界。微電子技術(shù)的高本質(zhì)可靠性保障、人工智能可靠性管理設(shè)計(jì)、專家可靠性設(shè)計(jì)的知識(shí)集成、刀槍不入的安全保障這四大因素，保證了智能電子系統(tǒng)有空前的高可靠性與高安全性。

2.1微電子技術(shù)的高本質(zhì)可靠性保障

智能電子系統(tǒng)是在集成電路基礎(chǔ)上構(gòu)建的電子系統(tǒng)。隨著集成度的不斷提高、應(yīng)用系統(tǒng)的模塊化程度不斷提升、半導(dǎo)體工藝不斷進(jìn)步，目前，集成電路已具有超長(zhǎng)壽命。我們發(fā)現(xiàn)，許多廢棄的電子產(chǎn)品上拆下的集成電路芯片，仍可使用。在微電子集成技術(shù)與半導(dǎo)體工藝保證下，智能電子系統(tǒng)是一個(gè)具有高本質(zhì)可靠性的電子系統(tǒng)。

2.2人工智能可靠性管理設(shè)計(jì)

智能電子系統(tǒng)的軟件介入帶來(lái)了可靠性的兩大不利因素：一是，不可避免的軟件出錯(cuò)會(huì)造成系統(tǒng)失誤；二是，增加了軟件運(yùn)行時(shí)間，導(dǎo)致系統(tǒng)可能出現(xiàn)非實(shí)時(shí)響應(yīng)帶來(lái)的可靠性問(wèn)題。值得慶幸的是，智能電子系統(tǒng)可憑借其智能化的微控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性管理，例如開(kāi)機(jī)后的自檢、運(yùn)行中的系統(tǒng)冗余與熱備份、數(shù)據(jù)傳輸中的校驗(yàn)與修復(fù)、防外部干擾的屏蔽與無(wú)害化處理、程序運(yùn)行的監(jiān)視與自恢復(fù)，以及系統(tǒng)失效后的安全性包容等。

由于智能電子系統(tǒng)中增加了軟件運(yùn)行時(shí)間，給系統(tǒng)帶來(lái)了實(shí)時(shí)性問(wèn)題。在許多情況下，不會(huì)造成明顯的系統(tǒng)可靠性問(wèn)題，只反映了系統(tǒng)靈敏性帶來(lái)的不便。但在不少控制類的系統(tǒng)中，有嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求，如交通違章監(jiān)視器的攝像系統(tǒng)，必須保證車輛高速行駛下的抓拍效果。

2.3專家可靠性設(shè)計(jì)的知識(shí)集成

經(jīng)歷多年完善的電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)，積累了眾多的專家知識(shí)、技能與方法(如非線性補(bǔ)償、數(shù)據(jù)校驗(yàn)與修復(fù)、粗大誤差剔除)，以及與可靠性設(shè)計(jì)相關(guān)的各種算法等。早期，這些專家知識(shí)反映在電子工程師的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，后來(lái)，隨著微電子技術(shù)與軟件技術(shù)的發(fā)展，這些專家知識(shí)以不同的方式集成到芯片之中，如集成電路中的數(shù)字電路、模擬電路的知識(shí)集成，數(shù)據(jù)庫(kù)的專家知識(shí)集成，以及操作系統(tǒng)中各種可靠性設(shè)計(jì)專家知識(shí)集成等。系統(tǒng)中，所有這些專家知識(shí)的集成，極大地降低了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)可靠性設(shè)計(jì)的難度。

2.4刀槍不入的安全保障

智能電子系統(tǒng)可靠性最高境界的一個(gè)重要表現(xiàn)是系統(tǒng)軟件的封閉性。系統(tǒng)中的所有軟件都以代碼固化方式存放在程序存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)庫(kù)中的重要數(shù)據(jù)也被存放在只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。外部無(wú)法修改這些代碼與數(shù)據(jù)，從而對(duì)病毒具有天然免疫能力。雖然無(wú)法避免外界電磁干擾對(duì)數(shù)據(jù)流造成的破壞，但可憑借應(yīng)用程序及只讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)修復(fù)。因此，在網(wǎng)絡(luò)病毒對(duì)互聯(lián)網(wǎng)肆意攻擊的年代，幾乎所有的智能化工具及其局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都能刀槍不入。

3本質(zhì)不安全的互聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放的結(jié)構(gòu)體系，決定了它是一個(gè)先天的不安全體系?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)路由傳輸具有不確定性，人人都可自由出入，互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)筑的虛擬世界中法律法規(guī)總也趕不上虛擬事物的七十二變，所有這些因素都決定了互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)本質(zhì)不安全的網(wǎng)絡(luò)體系。以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)不僅繼承了互聯(lián)網(wǎng)的不安全因素，還會(huì)殃及作為網(wǎng)絡(luò)終端的智能電子系統(tǒng)。

3.1路由傳輸不確定性帶來(lái)的安全性問(wèn)題

互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流遵循的是路由傳輸協(xié)議，而數(shù)據(jù)傳輸路徑是隨機(jī)的。在匿名情況下，數(shù)據(jù)接收方很難查找到發(fā)送方的網(wǎng)址，這就為病毒始作俑者、網(wǎng)絡(luò)攻擊者提供了最佳保護(hù)，同時(shí)也給網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控帶來(lái)諸多困難。

3.2人人可自由出入互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的安全性問(wèn)題

互聯(lián)網(wǎng)對(duì)所有人都開(kāi)放，有了網(wǎng)絡(luò)終端，人人都可以無(wú)條件上網(wǎng)。在許多情況下，網(wǎng)絡(luò)登錄可實(shí)行實(shí)名制管理，但眾多的網(wǎng)絡(luò)接入方式無(wú)須實(shí)名，這樣一來(lái)，就給犯罪分子帶來(lái)可乘之機(jī)，因此實(shí)名制防君子難防小人。

3.3虛擬世界提供的非安全性土壤

微處理器的數(shù)字化革命，為人類帶來(lái)了一個(gè)數(shù)字化的虛擬世界。在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上，人們構(gòu)筑了眾多與真實(shí)世界相對(duì)應(yīng)的虛擬事物，如網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上超市、電子商務(wù)、電子交易平臺(tái)、網(wǎng)上票務(wù)系統(tǒng)、電子計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等。與真實(shí)世界透明的交互相比，虛擬世界事物中的交互(交易、計(jì)費(fèi))是不透明的，而且制定規(guī)則的非消費(fèi)方，消費(fèi)方無(wú)法知曉內(nèi)幕，從而導(dǎo)致消費(fèi)的不安全性。

3.4法律法規(guī)滯后帶來(lái)的安全性問(wèn)題

非本質(zhì)安全的互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的諸多安全問(wèn)題，例如網(wǎng)上的計(jì)費(fèi)安全、財(cái)務(wù)安全、交易安全等。始作俑者常常利用漏洞實(shí)施犯罪行為，這些犯罪常常游走在法律的邊緣處。也有些明顯的交易安全事件，如網(wǎng)上機(jī)票票務(wù)系統(tǒng)中的假票事件，雖有法律介入但很難奏效，因?yàn)榉缸锍杀镜?、難發(fā)現(xiàn)，其還可用七十二變快速應(yīng)對(duì)、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，這樣就會(huì)造成法律部門發(fā)現(xiàn)晚、應(yīng)對(duì)遲，待實(shí)施時(shí)對(duì)方已轉(zhuǎn)身規(guī)避，形成了貓捉老鼠的游戲。

4物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的安全性危機(jī)

智能電子時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)電子系統(tǒng)的安全性問(wèn)題是一種外源性因素引發(fā)的安全性危機(jī)。這些安全性危機(jī)有惡意攻擊性危機(jī)、病毒肆虐性危機(jī)、利益驅(qū)駛性危機(jī)，以及網(wǎng)絡(luò)報(bào)復(fù)式危機(jī)等，它們體現(xiàn)了虛擬世界從老虎到蒼蠅的多樣性危機(jī)。

4.1惡意攻擊性危機(jī)

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)最大的安全性向題是網(wǎng)絡(luò)的惡意攻擊?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)攻擊主要在信息領(lǐng)域；物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)攻擊通過(guò)底層嵌入式系統(tǒng)的感知與控制進(jìn)入到經(jīng)濟(jì)、文化、民生等實(shí)體領(lǐng)域。最著名的惡意攻擊事件就是美國(guó)與伊朗的網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)通過(guò)“震網(wǎng)”蠕蟲(chóng)病毒攻擊伊朗核設(shè)施離心機(jī)，伊朗則兩次捕獲美國(guó)無(wú)人機(jī)。這些實(shí)體的惡意攻擊形式可以多樣化，但常常體現(xiàn)為利用嵌入式系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放窗口實(shí)施的惡意攻擊。在汽車電子領(lǐng)域，自動(dòng)駕駛時(shí)代即將來(lái)臨時(shí)，人們最擔(dān)心的不僅是汽車電子系統(tǒng)可靠性帶來(lái)的安全問(wèn)題，還有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)自動(dòng)系統(tǒng)的控制與攻擊，以各種方式制造的車損及車禍現(xiàn)象。

4.2病毒肆虐性危機(jī)

互聯(lián)網(wǎng)中無(wú)處不在的病毒經(jīng)常會(huì)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)終端?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)不對(duì)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放，病毒肆虐的危害僅限于網(wǎng)絡(luò)終端的桌面系統(tǒng)，人們用各種殺毒軟件來(lái)防止病毒的侵害。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，大量的網(wǎng)絡(luò)終端是各種智能化工具(如嵌入式系統(tǒng)的工業(yè)控制機(jī)、生產(chǎn)線、機(jī)器人等)，即使沒(méi)有惡意攻擊，一旦感染病毒，也會(huì)出現(xiàn)重大安全事故。

4.3利益驅(qū)使性危機(jī)

物聯(lián)網(wǎng)的虛擬世界中，有許多商務(wù)平臺(tái)、交易平臺(tái)、服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)構(gòu)建者是運(yùn)營(yíng)商，平臺(tái)的使用者是大量的消費(fèi)者。受利益驅(qū)駛，在平臺(tái)構(gòu)建時(shí)，運(yùn)營(yíng)商有可能植入一些損害消費(fèi)者利益的協(xié)議規(guī)則，利用軟件黑箱運(yùn)行的隱蔽性，廣種薄收地獲取不正當(dāng)?shù)母哳~壟斷利潤(rùn)。更有甚者，以欺騙手段獲取不義之財(cái)，如旅行社票務(wù)系統(tǒng)出售假機(jī)票事件，以及各種花樣繁多的網(wǎng)絡(luò)詐騙。

4.4網(wǎng)絡(luò)報(bào)復(fù)式危機(jī)

收稿日期：(楊迪娜2016-04-25)