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2018/12/13
IoT需要可升級的安全性
安全防護歷經DES、AES、DPA的改朝換代，原本高價的DPA工具也已淪為300美金即能取得的工具，甚至進階的後處理算法在網絡上就有免費資源。這也意味著，黑客的駭入門坎降低，故透過軟件更新方式，讓物聯網安全隨駭客能力同步升級已為大勢所趨。
物聯網(IoT)使人們能透過大規模部署來優化和改善現代生活的大多數層面。隨著數以億計的物聯網裝置帶動數億美元的經濟價值，物聯網的巨大潛力也引來了惡意的敵人與攻擊者。如果要讓物聯網裝置達到安全並反制攻擊，就必須確保物聯網所有的終端節點都可升級。物聯網裝置的壽命長，加上敵人所使用的知識和工具進步迅速，使裝置無從設計成在任何安全等級上都一輩子保持充分安全。因此，裝置如果要保持安全，就必須確保安全性可透過軟件更新來升級。本文即將從安全性如何隨著時間而改變的歷史著眼，來思考安全更新對物聯網裝置的設計有何影響。
安全性通常是以二分法的方式來看待：裝置、服務或系統是安全或是不安全？但使用者該問的問題是，是在哪方面安全？在現實中，安全性有不同的等級，而且就攻擊者而言，只有當安全等級比攻擊者的本領要高時，裝置才能算是安全。
此外，攻擊者的本領一般都是非靜態，因此安全等級會隨著時間而改變。攻擊者的本領提升可能會以多種不同的方式呈現，從發掘和/或發布問題與弱點，到更廣泛的可用設備和工具。
關於安全等級是如何隨著時間而演進，本文將回顧幾個例子，並從對稱式加密算法開始。 1977年時，數據加密標準(DES)算法獲得確立為標準對稱式密碼。 DES用的是56位的密鑰長度，所以只要既有的運算能力提高，標準就容易遭到暴力攻擊法破解。 1997年時，算法經證明花了56小時就遭到暴力攻擊法破解。 DES明確遭到破解後，三重DES便獲得確立為標準安全對稱式密碼，基本上就是以不同的密鑰把DES執行三次。關於DES的安全等級，有人推測假如政府在1977年時就已經能破解密碼，那DES絕對抵抗不了國家級的攻擊。不過從2000年代初期以來，由於運算能力唾手可得，DES連業餘玩家的個人計算機都擋不住。
DES/AES/DPA不敷使用 安全等級步步提升
從2001年起，進階加密標準(AES)便取代了DES。但連AES都無法保證絕對安全。即使算法無法輕易遭到破解，在實行時也經常可能遭駭。例如試想不同的差分能量分析(DPA)攻擊，它是用電路在執行加密時的耗能或電磁幅射來獲知密碼密鑰。特別是DPA會去掌握為數眾多的耗能踪跡，再靠分析來揭露密鑰。 DPA是在1998年所提出，自此以後，Cryptographic Research此類的公司(現在的Rambus)便開始販賣工具來執行DPA攻擊，只不過工具的售價是業餘玩家和大部分的研究人員所負擔不起。如今執行進階DPA攻擊的硬件工具花不到300美元就能入手，進階的後處理算法則是在網絡上就有免費的可用。如此一來，從事DPA攻擊的能力便從國家級和有錢的敵人轉移到了幾乎是任何黑客身上。
接下來針對物聯網裝置的長使用壽命來討論這些歷史教訓。物聯網裝置一般的生命期端賴應用而定，20年在產業應用上算是很普遍，也是本文在這段討論中所採用的時間長度。例如在1998年推出的裝置曾經只容易遭到國家級的攻擊；如今它則必須能承受擁有300美元的工具、一些閒暇時間和咖啡的業餘玩家所發起的DPA攻擊。要預測一票敵人的未來本領就算不是不可能，也是難上加難，尤其是時間週期為20年。
要反擊未來的攻擊態勢，唯一合理的方式就是讓裝置的安全性隨著敵人的本領而演進。這必須使物聯網的安全性可在軟件上升級。有的功能當然有賴於硬件支持，而無法透過軟件更新來修正。不過，當另一個選擇是派員處理時，在軟件上所能解決的事就不容小覷。
對各位的物聯網產品來說，這意謂著什麼？首先，產品需要能以安全的方式來接收軟件更新。本文將探討軟件更新安全的兩個層面：技術觀點，也就是對裝置和軟件的要求，以及程序觀點，尤其是發佈軟件更新的授權和控管。
就技術觀之，安全的更新牽涉到驗證、檢查完整性，以及可能要為裝置的軟件加密。處理這類安全性更新的軟件是開機程序，而且基於這些特性，它一般都被稱為安全開機程序。連同相應的密碼密鑰，安全開機程序本身構成了系統的信任根，而且一般都不可升級。因此，開機程序和密鑰必須擺在不可修改的內存中，像是一次性可編程(OTP)內存或只讀存儲器(ROM)。這種程序代碼的任何弱點都等同於硬件問題，並且無法在現場補救。
靠著裝置僅有的公鑰，驗證和檢查完整性應該是用非對稱加密來進行。裝置的簽章檢查密鑰並不是非保護不可。由於保護所佈建裝置的密鑰比保護控管裝置擁有者的密鑰更困難(或者至少應該是如此)， 所以讓許多裝置使用相同的開機程序密鑰也無妨。最後，由於裝置可包含及使用公鑰，所以系統可以扺禦DPA的攻擊。
軟件加密顯神通 防盜拷設計有妙方
把在物聯網裝置上運作的軟件加密有兩個好處。第一，它可同時針對競爭對手和仿冒來保護許多廠商所認定的智慧財產(IP)。第二，加密可防止敵人去分析軟件的弱點。不過，加密新軟件以進行安全開機的確會牽涉到裝置的密鑰，而保護現場裝置的密鑰正變得日益困難。在此同時，較新的裝置則已提高對DPA攻擊的抵抗力。再者，對DPA攻擊的常見反制措施是限制密碼操作的次數，使它無從取得充分的資料來洩漏密鑰。即使密鑰保護起來很難，而且具備動機的敵人八成還是能夠擷取，但它的確可提高門坎，使攻擊者在施展身手時難度大增。因此，安全開機始終是會涉及軟件加密。
安全更新的另一個後果是，物聯網裝置未來可能會需要更多的內存。基於諸多原因，這會是複雜的取捨。首先，軟件往往會擴展至裝置的可用內存。所以裝置如果要有較大的內存，軟件團隊就必須有紀律地替未來的更新預留空間。另一個複雜之處則是備用內存的未來價值對比裝置的初始成本。內存較多往往會使裝置的成本提高。從裝置製造業者和消費者的觀點來看，這個成本都必須合理。遺憾的是，市佔率的激烈競爭使許多裝置製造業者都趨於短視，他們有時候會把成本看得比未來的安全性要重。
最後，很重要的是，安全性更新要有配送計劃。就大部分的裝置而言，這些更新都是利用裝置既有的網絡聯機。但在某些情況下，這必須增添或利用到實體接口，好比說隨身碟(也就是Sneakernet)。同樣很重要的是，要考慮到裝置可能會有防火牆，或是在某些情況下無法連上因特網。
安全更新一旦在技術觀點上有可能，問題就會變成誰有權簽署及發佈軟件更新。物聯網裝置日益常見的是，軟件完全由裝置製造業者擁有和管理。這代表裝置製造業者應該要有經過驗證的既定程序，以便從內部來保護簽署密鑰，尤其是誰能發布更新。這不見得要和客戶或終端使用者的授權相結合。以某些裝置來說，終端使用者必須主動下載更新和應用，或者起碼要啟動更新程序。在某些例子中，更新則是全自動。
所佈建物聯網裝置的壽命長，加上敵人的工具和知識大幅擴增，使裝置無從打造成在任何安全等級上都永遠保持安全。因此，如果要讓物聯網裝置在整個實際生命期都保持安全，就一定要確保這些裝置的安全性可透過軟件更新來升級。但由於更新機制也是攻擊點，所以一定要在物聯網產品的可編程裝置里布建安全開機程序，並把開機程序密鑰保管好。物聯網廠商應該可望從IC供貨商手上獲得安全開機程序的功能。再者，物聯網廠商必須將發出更新的傳送機制和程序能預先規畫好。所幸安全開機程序隨手可得，而且相關裝置已連上了因特網。善用安全更新不需花太多工夫，因此沒有不作為的理由。
Source: Silicon Labs, Lance Looper
