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标题: 嵌入式 Linux 安全简介 [打印本页]
作者: 麻花痒    时间: 2023-10-11 20:43
标题: 嵌入式 Linux 安全简介
1  安全概念

安全就是降低风险。
一方面所有者，即产品或服务的受益者（用户、制造商、企业主等）。所有者希望保护资产，即产品或服务中任何有价值的东西（数据、代码、声誉等）。
另一方面威胁行为者，即能够表现出威胁的人或事物（恶意黑客等），即任何能够以可能造成伤害的方式对资产采取行动的东西。
为了体现威胁，威胁者将通过攻击矢量（威胁者用于访问或渗透目标系统的方法或途径）来探索漏洞（系统中的薄弱环节）。

归根结底，这就是所有者和威胁者之间的猫鼠游戏。所有者会在多大程度上保护资产？威胁者会在多大程度上破坏资产？这实际上取决于资产的价值。事实上，所有者和威胁行动者对价值的认识可能并不相同。
确定资产（及其价值）以降低被入侵的风险，可以通过威胁建模的过程来完成。
2 威胁建模

威胁建模是一个可以识别、列举潜在威胁并确定优先缓解措施的过程。它基本上是一个风险评估过程，在这个过程中，你要评估资产的价值和保护资产的成本。威胁建模的结果就是产品的威胁模型。

在威胁建模过程中，有几种技术和方法可以提供帮助，包括STRIDE、DREAD、VAST、OCTAVE等。
STRIDE 模型是一种非常有用的威胁分类工具。它由微软开发，其名称是六种主要威胁类型的首字母缩写： 欺骗（Spoofing）、篡改（Tampering）、抵赖（Repudiation）、信息泄露（Information disclosure）、拒绝服务（Denial of service）和权限升级（Escalation of privileges）。STRIDE 可用于识别系统资产可能面临的所有威胁。

DREAD方法是一种评估计算机安全威胁风险的工具。其名称是五类安全威胁的首字母缩写： 损害（Damage：攻击的严重程度）、可重现性（Reproducibility：重现攻击的难易程度）、可利用性（Exploitability：发起攻击的工作量）、受影响用户（Affected users：有多少人会受到影响）和可发现性（Discoverability：发现威胁的难易程度）。

STRIDE 模型有助于识别威胁，而 DREAD 方法则有助于对威胁进行排序。对于系统中的每一个威胁，您都要仔细研究每个威胁类别，并将其分为低（1 分）、中（2 分）或高（3 分）。最后，您将得到一份威胁和缓解策略的等级列表。举例说明：

我们可以看到，威胁建模将为我们提供一个非常清晰的视图，说明我们要保护什么、我们计划如何保护以及相关的成本。这是产品威胁模型的一部分，需要在每个开发周期重新评估。因此，威胁模型将提供一份需要优先处理的威胁清单，这样我们就可以集中精力实施缓解措施，提高产品的安全性。
如何保护代码的完整性和真实性？如何确保数据的私密性？在哪里存储加密密钥？如何最大限度地降低应用程序被利用的风险？让我们从安全启动开始，尝试回答所有这些问题以及更多问题！
3 安全启动

如何确保运行的代码是由值得信赖的个人或公司创建的？实施安全启动程序。
安全启动程序的目的是保护代码的完整性和真实性。
安全启动通常基于数字签名的验证。嵌入式 Linux 系统通常有三个主要组件：引导加载程序、内核和根文件系统（rootfs）。所有这些组件都有签名，并在启动过程中对签名进行检查。

让我们看看NXP iMX6 设备上的一个实际例子。
一切都始于SoC内部的ROM代码。在恩智浦iMX6上，有一个名为"High Assurance Boot"（HAB）的硬件组件，它能够验证第一阶段启动加载程序的签名，从而实现安全启动过程。iMX6设备内的高保真启动也可称为"信任根"（Root of Trust），因为如果它被破坏，所有安全启动过程也将受到破坏。
iMX6 SoC内的ROM代码使用HA 组件检查引导加载程序的签名。为此，需要生成一对密钥（公钥和私钥），用私钥签署引导加载程序，并将公钥存储在SoC 内。iMX6使用OTP保险丝来存储密钥。实际上，为了降低成本，SoC中只存储了公钥的哈希值。
引导加载程序启动时（如 U-Boot），必须检查Linux内核的签名。为此，通常使用一种名为FIT映像的映像格式。FIT映像是支持散列和签名的多个二进制文件的容器，通常包含Linux内核映像、设备树文件和初始 ramdisk。生成一对密钥后，我们需要用私钥签署FIT映像中的二进制文件，并配置U-Boot使用公钥检查FIT映像的签名。
内核启动后，将运行内存盘镜像中的启动程序。在挂载之前，ramdisk将具有验证最终根文件系统完整性的逻辑。有几种方法可以实现这一点。一个常见的选择是使用设备映射器真实性（dm-verity）内核模块。dm-verity 内核模块可对块设备进行完整性检查，并要求使用只读 rootfs（squashfs 就是一个很好的解决方案）。如果想要一个可读写的根文件系统，还可以使用IMA或dm-integrity等其他方法。
下面是整个安全启动过程的示意图：

2017年7月17日，多个恩智浦设备（i.MX6、i.MX50、i.MX53、i.MX7、i.MX28 和 Vybrid 系列）的ROM代码中的安全启动漏洞被公开披露。如果你的信任链遭到破坏，一切都会受到影响！因此，我们需要警惕这类漏洞（在这种情况下，它们已被新硅片修复）。
虽然安全启动可以确保真实性和完整性，但它并不能保护设备不被伪造或威胁者从设备中提取代码/数据。因此，如果要保护知识产权或确保数据保密性，就需要使用加密技术。
4 代码和数据加密

您可能希望对嵌入式 Linux 设备中的数据或代码进行加密。
当你需要保护用户的隐私和机密时，数据加密是一种常用的方法。数据是设备执行过程中产生的任何信息，包括数据库、配置文件等。
代码加密取决于具体情况，对整个根文件系统进行加密并不常见。通常情况下，大部分组件都是免费开源软件，因此没什么好隐藏的。此外，还有GPLv3和Tivo化的问题（使用任何GPLv3软件都会迫使你为用户提供一个更新软件的机制，如果你要对软件进行加密，这将会变得更加困难）。更常见的用例是只加密你为设备开发的应用程序。这通常是你的知识产权所在。
Linux中基本上有两种主要的加密方法：全盘加密和基于文件的加密。
全磁盘加密提供块级加密，整个磁盘或磁盘分区都会被加密。为此，我们可以使用Linux内核的设备映射器加密目标dm-crypt。
基于文件的加密提供文件系统级加密，每个目录都可以单独加密，并可选择使用不同的密钥。fscrypt是一些文件系统（如 EXT4、UBIFS 和 F2FS）上可用的API，而 eCryptFS则是一种更通用的解决方案，它是在现有文件系统上堆叠的一层。
5 加密密钥

由于在加密中使用非对称密钥算法速度太慢，因此通常使用对称密钥算法。这意味着加密和解密使用相同的密钥，而且密钥应存在于文件系统中的某个位置，这样才能解密加密的代码/数据。
但我们不能就这样把密钥留在文件系统中，对吗？
有几家公司就是因为没有意识到这一点而付出了代价。例如，下图来自第一代Xbox视频游戏机。安全研究员安德鲁-黄（Andrew "bunnie" Huang）开发了一种专门的FPGA硬件，用于嗅探通信总线，并从设备中提取加密密钥。这只是因为密钥就在那里，以明文形式在通信总线中传输，没有任何保护措施（顺便说一句，Andrew Huang 是一本非常好的硬件黑客书籍《Hacking the Xbox》的作者，你可以在他的网站上免费下载）。

结论是加密代码/数据的保护与解密密钥的保护同样安全！
6 密钥存储技术

在台式机或智能手机上，用于加密文件系统的密钥可以通过交互输入的用户密码（口令）获得。例如，安卓智能手机就是这样工作的。
在嵌入式系统中，我们通常不会在每次启动设备时通过用户交互从密码中获取密钥。因此，密钥应加密存储在文件系统或安全存储器中。为此，我们需要硬件支持。
例如NXP i.MX 处理器有一个唯一的主密钥（NXP预先编程），只有名为CAAM（加密加速器和保证模块）的特殊硬件模块才能访问该密钥。该硬件设备可用于加密密钥并将其存储在文件系统中（这必须在制造过程中完成）。在启动过程中，CAMM模块将用于解密密钥，并恢复用于解密文件系统的普通密钥。由于CAAM模块内的密钥无法访问，因此加密密钥受到了保护。
如果处理器没有安全功能，也可以通过安全元件或TPM设备等外部硬件实现相同的效果。这些外部设备通常提供安全存储，因此可以用来存储主密钥，用于加密/解密文件系统加密密钥。这些设备还提供许多安全功能，如随机数生成、散列计算、加密和签名功能等。
安全元件是一种安全计算系统。它基本上是带有自己的安全应用程序的安全存储（通常使用Java卡实现，但不是必须的）。安全元素的功能非常开放，取决于实现方式，但大多数安全元素都执行公钥密码标准11(PKCS#11)。安全元件的例子有智能卡和SIM卡。
TPM（可信平台模块）是一种规范和国际标准（ISO/IEC 11889）。TPM不是安全元件，但可以在安全元件内实施。它可以在硬件或软件中实现，但大多数是在硬件中实现的。它提供一套由标准定义的有限安全功能，包括安全存储和加密功能。
安全存储的第三种选择是使用可信执行环境。TEE（Trusted Execution Environment）是一种环境，在这种环境中，执行的代码和访问的数据是隔离的，并在保密性（任何人都无法访问数据）和完整性（任何人都无法更改代码及其行为）方面受到保护。我们身边有很多设备都在使用可信执行环境，包括智能手机、机顶盒、游戏机和智能电视。
最后，如果您希望在嵌入式Linux设备中使用加密技术，那么从项目一开始就必须考虑密钥的存储和管理问题。
7 分层安全

到目前为止我们已经讨论了如何通过安全启动和加密来提高嵌入式Linux设备的安全性。但这还不够。我们应该始终分层考虑安全问题，每一层都应用一种缓解技术，在其他层的基础上提高设备的安全性。将多种缓解技术结合起来，攻击者就更难入侵设备。
想想看。您可以通过安全启动和加密来保护您的代码和数据，但如果您运行的应用程序存在可能被利用的漏洞，您的资产仍然会面临风险。如果应用程序存在攻击向量（用户输入、配置文件、网络通信等），漏洞就有可能被利用。特别是在使用C和C++等不安全内存语言编写的程序中，缓冲区溢出等漏洞可能被用于堆栈粉碎和格式字符串等攻击。
8 安全编码

如果应用程序存在攻击向量（用户输入、配置文件、网络通信等），那么漏洞就可能被用来利用系统。
特别是使 C/C++等不安全内存语言编写的程序，缓冲区溢出等漏洞可能被用于堆栈粉碎和格式字符串等攻击。
举个例子，在 Linux 内核（从 2.6.34 版到 5.2.x）中发现了一个缓冲区溢出漏洞，该漏洞存在于vhost功能将virtqueue缓冲区转换为 IOV的方式中。在迁移过程中，拥有特权的客户机用户可以将长度无效的描述符传递给主机，从而利用这一漏洞提高他们在主机上的权限。
  1. diff --git a/drivers/vhost/vhost.c b/drivers/vhost/vhost.c
  2. index 34ea219936e3f..acabf20b069ef 100644
  3. --- a/drivers/vhost/vhost.c
  4. +++ b/drivers/vhost/vhost.c
  5. @@ -2180,7 +2180,7 @@ static int get_indirect(struct vhost_virtqueue *vq,
  6.         /* If this is an input descriptor, increment that count. */
  7.         if (access == VHOST_ACCESS_WO) {
  8.                 *in_num += ret;
  9. -                        if (unlikely(log)) {
  10. +                        if (unlikely(log && ret)) {
  11.                                 log[*log_num].addr = vhost64_to_cpu(vq, desc.addr);
  12.                                 log[*log_num].len = vhost32_to_cpu(vq, desc.len);
  13.                                 ++*log_num;
  14. @@ -2321,7 +2321,7 @@ int vhost_get_vq_desc(struct vhost_virtqueue *vq,
  15.                         /* If this is an input descriptor,
  16.                          * increment that count. */
  17.                         *in_num += ret;
  18. -                        if (unlikely(log)) {
  19. +                        if (unlikely(log && ret)) {
  20.                                 log[*log_num].addr = vhost64_to_cpu(vq, desc.addr);
  21.                                 log[*log_num].len = vhost32_to_cpu(vq, desc.len);
  22.                                 ++*log_num;
复制代码
此漏洞已在CVE-2019-14835中注册，并于2019年得到修复。实际上，虚拟（客户）机中的用户可以利用此漏洞获得主机的 root 访问权限。这个漏洞（还有许多其他漏洞）在Linux内核中存在了好几年！
归根结底，软件总会有漏洞，但我们可以尽量减少它们。为此，我们可以使用静态分析工具。
9 静态分析工具

静态分析工具能够分析源代码（无需运行程序），在运行时发现问题。这些工具可以发现空指针取消引用、内存泄漏、整数溢出、越界访问、初始化前使用等程序错误！
有许多优秀的开源工具（cppcheck、splint、clang 等）和商业选择（Coverity、PC-Lint 等）可用于静态代码分析，从编译器开始，编译器通常有内置的静态分析工具，可在编译代码时生成警告或错误。这就是为什么我们决不能忽视编译器警告的原因，对吗？）
因此，要将应用程序中存在安全漏洞的风险降至最低，第一步就是绝不忽视编译器警告并使用静态分析工具。但有些缺陷很难，有时甚至不可能在源代码层面上识别出来。因此，我们可能需要在应用程序中添加运行时保护。
10 运行时保护

运行时保护可以对应用程序进行动态分析。这意味着您的程序将具有在运行时执行的保护和检查功能。
例如，AddressSanitizer (ASan) 是Google安全研究人员创建的一个非常有趣的工具，用于识别C和C++程序中的内存访问问题。在启用AddressSanitizer的情况下编译C/C++应用程序的源代码时，程序将在运行时被检测，以识别并报告内存访问错误(不适合linux+ARM)。
更多参考： https://sergioprado.blog/finding-memory-bugs-with-addresssanitizer/。
另一个例子是ASLR（地址空间布局随机化），这是一种计算机安全技术，可随机排列进程关键数据区域（文本、堆栈、堆、库等）的地址空间位置。因此，如果你关心嵌入式 Linux 设备的安全性，就应该启用ASLR，至少是在Linux内核中。
Valgrind是另一个非常有用的工具，可以帮助检测内存相关问题，如泄露和数据竞赛。
当然，这其中也有取舍。虽然这些工具可以在运行时识别错误和安全漏洞，但它们可能会影响应用程序的性能，并增加调试系统的难度。
此外，要使用这些工具发现错误，还必须确保存在错误的代码部分能够运行。更好的办法是，应用程序的测试覆盖率应接近100%。模糊测试工具可以帮助实现这一点。
11 模糊测试工具

模糊测试是一种自动化软件测试技术，包括提供无效、意外或随机数据作为程序的输入。
然后监控程序是否出现异常，如崩溃、内置代码断言失败或潜在的内存泄漏。
目前有很多免费的开源模糊测试工具，包括AF（美国模糊测试循环）和 syzkaller（Linux 内核模糊测试工具 https://github.com/google/syzkaller）。
这确实是安全研究人员和威胁行为者用来查找软件安全漏洞的工具。有时，他们甚至自己编写模糊工具，而不是使用流行的框架。这需要付出代价，因为一些安全研究人员通过BugBounty平台发现软件中的漏洞，赚取了数百万美元（https://www.zdnet.com/article/seven-hackers-have-now-made-a-million-dollars-each-from-bug-bounties-says-hackerone/ ）。
12 权限

减少漏洞利用的一种方法是不使用root（超级用户）权限运行程序！你应该利用操作系统的访问控制机制，使用非特权用户运行进程，并在只允许访问运行所需资源的组内运行进程。
这就是所谓的最小权限原则，也是设计安全系统的规则之一。应用程序在运行时，应仅拥有完成工作所需的权限。
13 Linux capabilities

Linux capabilities是一种针对以root权限运行的进程的细粒度访问控制系统。
Linux内核将与超级用户相关的权限划分为不同的单元，称为能力，这些能力可以独立启用或禁用。因此，我们的想法是编写一个能以root 身份运行的程序，但只启用其工作所需的功能。
你可以使用getcap工具列出特定程序运行所需的功能：
  1. $ getcap /usr/bin/ping
  2. /usr/bin/ping = cap_net_raw+ep
复制代码
14 强制访问控制(Mandatory Access Control)

Linux传统上支持全权访问控制（DAC Discretionary Access Control）。DAC 是一种访问控制类型，它根据主体和/或所属组（实际上就是我们习惯的用户和组标志）的身份来限制对对象的访问。
另一种访问控制类型称为强制访问控制（MAC）。MAC 指的是一种访问控制类型，即操作系统限制主体访问对象或对对象执行某种操作的能力。
MAC是通过Linux安全模块（LSM）在内核中实现的，LSM是一个允许Linux内核支持各种计算机安全模型的框架。
实现强制访问控制的两个Linux安全模块是SELinux和AppArmor：
因此，如果需要对进程权限进行精细控制，就应该考虑使用MAC机制。
但有时限制权限并不足以保护系统免受易受攻击应用程序的影响。而沙箱技术可以用来缓解这一问题。
15 应用程序沙箱

沙箱可以将应用程序与系统的其他部分隔离开来。
Linux内核中最古老的沙箱机制可能就是chroot。但就安全性而言，它的作用并不大，因为它只能隔离文件系统。
虚拟化是另一种应用程序沙箱的形式，但成本太高，尤其是在嵌入式系统中。
如今，嵌入式Linux中沙箱应用程序的两种可行解决方案是容器和可信执行环境（TEE）。
参考资料

16 容器

Linux容器是一个最小文件系统，只包含运行特定应用程序或一组应用程序所需的软件组件。容器的运行与系统的其他部分完全隔离，只有内核是共享的。
容器运行时实现利用了 Linux 内核提供的一些功能，包括
有几种工具可用于管理Linux中的容器，包括LXC、Systemd-nspawn、Podman 和Docker。
容器本身并不安全，但如果配置得当，我们可以限制容器内每个进程的权限并控制它们之间的通信，从而减少攻击面并提高系统的安全性。
与安全模块（如AppArmor或SELinux）结合使用，我们可以大大提高系统的安全性。
但在基于容器的系统中，如果内核受到攻击，所有操作系统都将面临风险。在这种情况下，可信执行环境是另一层安全保护，可以帮助防止这种情况的发生。
17 可信执行环境

可信执行环境（TEE Trusted Execution Environment）是一种环境，在这种环境中，执行的代码和访问的数据都是隔离的，并在保密性（任何人都无法访问数据）和完整性（任何人都无法更改代码及其行为）方面受到保护。
在具有TEE的系统中，我们有在富执行环境 (REE Rich Execution Environment) 上运行的不信任应用程序 (UA untrusted applications)，以及在可信执行环境 (TEE) 上运行的可信应用程序 (TA trusted application)。只有在TEE上运行的可信应用程序才能完全访问主处理器、外设和内存。硬件隔离保护 TA 不受在主操作系统（非安全世界）上运行的不信任应用程序的影响。

我们需要硬件支持来实现TEE，这样就能对硬件（总线、外设、内存区域、中断等）进行分区和隔离，防止不受信任的应用程序访问受保护的资源。大多数现代处理器都内置了这一功能（如 ARM 的TrustZone、RISC-V的MultiZone和Intel SGX）。
我们身边有很多设备都在使用可信执行环境，包括智能手机、机顶盒、游戏机和智能电视。有一些商业TEE 实现，如 Kinibi、QSEE 和 iTrustee，也有一些开源实现，如Trusty 和OP-TEE。TEE可以很好地解决沙箱应用程序、存储和管理加密密钥、存储和管理凭证和敏感数据以及保护数字版权信息等问题。
18 更新系统

更新系统应在产品开发的早期阶段就设计好，如有可能，还应具备OTA（空中下载 Over-the-Air）功能。
实施良好的更新系统会给产品开发带来一些真正的挑战，包括通信协议的安全性、更新过程的原子性、断电保护、带宽和存储使用、回滚功能等。
嵌入式 Linux 的更新系统可以采用一些策略，包括
如果要进行 OTA 更新，设备必须有网络连接（Wi-Fi、以太网等）。这意味着网络接口将增加系统的攻击面，您需要增加更多层次的安全保护来抵御攻击。
19 网络安全

这里的规则很简单：尽可能减少攻击面。这并不意味着实施起来很容易。
例如，关闭所有不使用/不需要的 TCP/UDP 端口（nmap 等工具可以提供帮助），禁用所有不使用的协议（如 IPv6、PPP 等），制定防火墙规则以防止入站/出站连接，防止DoS攻击，防止端口扫描等。
如果需要与外部设备通信，一定要使用安全连接（VPN、反向 SSH、TLS、HTTPS 等），远程连接最好使用公钥验证，并禁止以根用户身份登录。
20 小结

我们讨论了一些安全概念、威胁建模、安全启动、代码和数据加密、加密密钥、密钥存储技术、安全编码、静态分析工具、运行时保护、模糊工具、权限、Linux 功能、强制访问控制、沙箱、更新系统和网络安全。

归根结底，没有100%安全的系统。攻击者只需要一个漏洞就能入侵设备。这只是我们希望这一过程有多难、难度有多大的问题。
因此，我们在设计时应考虑到安全性，并注意权衡利弊。系统应该 "足够安全"。我们应遵循良好的安全实践，了解可用的技术和工具，并在需要时加以使用。
让我们确保嵌入式 Linux 设备的安全！

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