TCP/IP是當(dāng)今絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)的核心。它不僅靈活,而且具有強(qiáng)大的功能,很好地滿(mǎn)足了十年來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要。此外,它還易于使用和理解,這促成了聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的爆炸性增長(zhǎng)。現(xiàn)在,自動(dòng)售賣(mài)機(jī)、工業(yè)和樓宇控制設(shè)備以及POS終端等傳統(tǒng)產(chǎn)品都可以通過(guò)以太網(wǎng)和TCP/IP互聯(lián)。

隨著這種趨勢(shì)的蔓延,更多系統(tǒng)正在連接到互聯(lián)網(wǎng)上,相應(yīng)地,對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性的要求也將提高。隨著更多交易轉(zhuǎn)到網(wǎng)絡(luò)上處理,以及公眾對(duì)電子威脅(身份竊取、黑客攻擊和計(jì)算機(jī)病毒)的認(rèn)知程度增加,對(duì)安全性的需求也將增長(zhǎng)。為此,嵌入式系統(tǒng)將越來(lái)越多地采用網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)。但由于需要計(jì)算密集型加密算法和大量的存儲(chǔ)器空間,這些安全技術(shù)會(huì)降低設(shè)備的性能。為了克服這類(lèi)障礙,業(yè)界正在專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件協(xié)議,并開(kāi)發(fā)硬件加速技術(shù),使處理器能快速執(zhí)行這些加密算法。

IP網(wǎng)絡(luò)的公開(kāi)特性和IP分組路由機(jī)制使得TCP/IP網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生安全漏洞。IP分組路由機(jī)制不是為了安全目的而設(shè)計(jì)的,其目標(biāo)旨在盡可能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)路由,并方便日后擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。這些特性允許TCP/IP被迅速采用并廣泛普及。但它們也引發(fā)了安全問(wèn)題:IP的路由過(guò)程會(huì)將數(shù)據(jù)包暴露給沿其路由線(xiàn)路的任何人,使他們看到包的內(nèi)容或源地址及目的地址。此外,由于數(shù)據(jù)包到其目的地的路由線(xiàn)路并不固定,在互聯(lián)網(wǎng)上傳送的包有可能被連接到網(wǎng)絡(luò)上的任何人截取、重新路由或復(fù)制。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="圖1:一個(gè)樓宇安全系統(tǒng)的各單元之間通過(guò)建筑物的以太網(wǎng)LAN進(jìn)行通信,并由IPSec協(xié)議確保安全。">

這些問(wèn)題限制了使用大型IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行敏感的通信。為了解決TCP/IP易受攻擊的問(wèn)題,人們開(kāi)發(fā)了幾種協(xié)議。最常見(jiàn)的是IP安全協(xié)議(IPsec)和安全套接層(SSL),它們已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在個(gè)人電腦、高端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、路由設(shè)備以及其它系統(tǒng)中。

隨著聯(lián)網(wǎng)的嵌入式設(shè)備繼續(xù)增多,我們有必要為這些非傳統(tǒng)的連網(wǎng)系統(tǒng)增加安全功能。對(duì)于制造樓宇控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)視站和POS終端等產(chǎn)品的公司來(lái)說(shuō),TCP/IP的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。它允許用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制這些系統(tǒng),或者從遠(yuǎn)程設(shè)備向它們發(fā)送即時(shí)信息,從而提高這些系統(tǒng)的效率。然而,外部人員也有可能訪問(wèn)這些聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。為了降低風(fēng)險(xiǎn),需要引入IPsec和SSL等原本用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備領(lǐng)域的安全協(xié)議,但它們?cè)谇度胂到y(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。這些協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方式需要為低功耗、存儲(chǔ)器有限的嵌入式設(shè)備而特別設(shè)計(jì)。

為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全方案面臨諸多困難。特別地,兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是性能問(wèn)題和存儲(chǔ)器問(wèn)題。IPsec 和 SSL等網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議涉及復(fù)雜的加密和驗(yàn)證算法,如數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(DES)、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)和安全散列算法(SHA)。這些算法用于保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和機(jī)密性,并確認(rèn)數(shù)據(jù)創(chuàng)建者的身份。但因?yàn)檫@些加密算法需要密集型計(jì)算,它們會(huì)嚴(yán)重影響在低功耗嵌入式處理器上運(yùn)行的應(yīng)用程序的性能。

為了解決性能問(wèn)題,ARC等供應(yīng)商正在將硬件指令集成到他們的嵌入式處理器內(nèi)核中,從而加快算法的執(zhí)行速度。類(lèi)似地,摩托羅拉已經(jīng)發(fā)布新系列的PowerQuicc處理器,它集成了針對(duì)加密和認(rèn)證算法的片上硬件加速單元。

與安全有關(guān)的第二個(gè)問(wèn)題是嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器容量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),嵌入式系統(tǒng)需要添加的軟件越多,它需要的存儲(chǔ)容量就越大。安全軟件最初是為PC和高端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,而不是為低耗能、存儲(chǔ)器有限的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的。對(duì)于嵌入系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者而言,這些軟件的規(guī)模龐大,而且包含太多他們不需要的內(nèi)容。盡管我們有可能把高端安全軟件移植到嵌入式處理器中,并縮減它們的代碼規(guī)模和功能集,但這個(gè)過(guò)程非常耗時(shí)而且難度很大。

因此,用于IPsec和SSL等協(xié)議的軟件棧適時(shí)出現(xiàn)了,它們?cè)O(shè)計(jì)用于把需要使用的存儲(chǔ)器容量維持在最低水平。這種軟件還被設(shè)計(jì)成可擴(kuò)展的,允許開(kāi)發(fā)者為特定應(yīng)用選擇他們需要的功能集,而且根據(jù)應(yīng)用的特定需求,還支持僅限于客戶(hù)端或僅限于服務(wù)器端的設(shè)置。

為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議棧以及集成到嵌入處理器內(nèi)核中的硬件加速單元為嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)能將安全特性引入到聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的環(huán)境。硬件加速器提供了額外的性能來(lái)處理加密算法,從而可以在不顯著影響處理器性能的前提下,使連網(wǎng)性能維持在一個(gè)合理的水平。為嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全協(xié)議棧能滿(mǎn)足嵌入式軟件應(yīng)用的小規(guī)模和可伸縮需求。

以前,嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全同時(shí)維持性能的唯一選擇是使用更快、更昂貴、存儲(chǔ)器容量更大的處理器,盡管這在多數(shù)情況下并不具有可行性。針對(duì)嵌入式處理器的片上硬件加速器和網(wǎng)絡(luò)安全軟件包使得開(kāi)發(fā)者可以為接入邊緣網(wǎng)絡(luò)的嵌入式設(shè)備增加網(wǎng)絡(luò)安全功能。

作者:Graham Morphew