פיתוח פרוטוקולים של אבטחה קלה עבור הנדסה Embedded מערכות הפעלה

מבוא לאבטחת משקל אור עבור מערכות Embedded

מערכות Embedded עכשיו ליצור את עמוד השדרה של הטכנולוגיה המודרנית, כוח כל דבר ממכשירים ביתיים חכמים ובקרים תעשייתיים להשתלתים רפואיים וכלי רכב אוטונומיים.כפי שמערכות אלה הופכות יותר מקושרות, פני השטח של ההתקפה שלהם מתרחבים, מה שהופך את האבטחה לדאגה הנדסית קריטית.עם זאת, פרוטוקולים אבטחה מסורתיים המיועדים לטבלאות ומשרתים הם לעתים קרובות כבדים מדי עבור סביבות מוקלטות משאבים.

(ה) המטרה העיקרית של ביטחון קל משקל היא לספק את ה-FLT:0.25, 000:2integrityFLT 3: ו-FLT:4authenticationFLT:5 בעוד צמצום חישובי, טביעת רגל זיכרון, צריכת חשמל, וכבדות.

הבנת מערכות הפעלה Embedded

מערכת הפעלה מוטבעת (EOS) היא שכבת תוכנה מיוחדת שמנהלת משאבי חומרה במכשירים עם כוח עיבוד מוגבל, זיכרון ותקציבי אנרגיה.בניגוד מערכות הפעלה למטרות כלליות (למשל, Windows, Linux), EOS נועד להתנהגות בזמן אמת רדיאלית, שימוש במשאב נמוך ואמינות גבוהה.

מאפיינים מרכזיים של מערכות משובצות כוללים:

• (FLT:0) יכולות בזמן אמתיות של LT:1 - מערכות משובצות רבות חייבות לעמוד בלוח זמנים קפדני של תזמון; פעולות אבטחה חייבות לא להציג עיכובים בלתי צפויים.
• (ב) ,0) זיכרון זכר סמיליטר 1 (FLT:1) - זיכרון RAM ומחסן פלאש נמדדים לעתים קרובות בקילוביס או כמה מגהביטים.
• (ב) ,0) צריכת חשמל של חשמל לוטו 1 (FLT:1) - מכשירים המופעלים על ידי סוללה דורשים פרוטוקולים אבטחה שאינם מנקים אנרגיה במהירות.
• (FLT:0) ביצועי CPU ממולאים 1 (FLT:1) - מיקרובקרים עשויים לרוץ במהירות מתחת ל -100 מהרץ ללא האצה לחומרה עבור פעולות קריפטוגרפיים.

מגבלות אלה משפיעות ישירות על עיצוב פרוטוקולי אבטחה, מה שחייב מהנדסים לאשר את יעילותם על תכונות כגון סודיות קדימה או רשתות תעודה מורכבות.

דרישות אבטחה עבור מערכות Embedded

לפני תכנון פרוטוקול קל משקל, חיוני להגדיר את מטרות הביטחון.ה-CIA הקלאסי (קונפלינציה, יושרה, זמינות) חל, אך עם קצבאות ספציפיות בהקשרים משובצים:

• (ב) ,0) ,Confidentialentialentialentialof 1 (למשל, הגנה על נתונים רגישים (למשל, רשומות בריאות המטופל, פקודות בקרה תעשייתיות) מפלט.
• (ב) ,0) אינטגריטיות FLT:1 - הבטחת כי לא שינוי בלתי מורשה מתרחש במהלך שידור או אחסון (למשל, עדכוני קושחה).
• (ב) ,0) , AuthenticationFLT:1 - לבדוק את זהותם של גורמי תקשורת למנוע אי-ציות או התקפות חוזרות.
• (FLT:0)AvailabilityFLT:1 - שמירה על פעילות מערכת אפילו תחת התקפות הכחשת שירות; פרוטוקולים קלים יכולים לעזור על ידי צמצום עיבוד יתר על פני השטח.

בנוסף, מערכות משובצות לעיתים קרובות מתמודדות עם איומים ייחודיים כגון התקפות שיבוש פיזיות, התקפות מצד, וחיי חיי מכשירים ארוכים (חקיינים) פרוטוקול חייב להיות חזק נגד התקפות מבוססות רשת ופיזיות תוך שמירה על גבולות משאבים.

אתגרים בפיתוח פרוטוקולי אבטחה קלים

יצירת פרוטוקולים אבטחה יעילים וקלים היא בעייתית עם אתגרים.הנקודות הבאות מפורטות על המגבלות המפורטות במאמר המקורי:

כוח עיבוד מוגבל וזיכרון

רוב המיקרובקרים משובצים חסרים את מחזורי CPU ו- RAM הדרושים לפעילות קריפטוגרפית סטנדרטית.לדוגמה, אימות חתימה RSA-2048 מלא יכול לקחת מאות אלפי שניות על כוח נמוך ARM Cortex-M0, תוך שימוש בזיכרון משמעותי עבור גדלים מרכזיים גדולים. בדומה, TLS 1.3 לחיצה דורש חילופי הודעות מרובות ו buffers גדולים, אשר עשוי לעלות על פרוטוקולי זיכרון זמין ולכן יש להשתמש באלגוריתמים קטנים (R-A-20) במקום אלגוריתמים.

דרישות בזמן אמת

מערכות משובצות רבות שולטות בתהליכים פיזיים - בתוך מכונית, עושה תרופות במשאבת אינפוזיה, או ויסות כוח ברשת חכמה. פעולות אבטחה המציגות משתנים או נטיות גבוהות יכול לגרום מועדים פספס וכשלונות קטסטרופליים.פרוטוקולים חייבים להיות מעוצבים עם זמני ביצוע צפויים, לעתים קרובות באמצעות טבלאות precomputed או האצה כדי להבטיח ביצועים בזמן אמת.

כוח מוביל

מכשירים מבוססי סוללות IoT עשויים להיות צריכים לפעול במשך שנים על תא מטבע.כל פעולה קריפטוגרפית צורכת אנרגיה - העברת הודעות גדולות, ביצוע פעולות יקרות-ציבורי-קי, או שמירה על פרוטוקולי מעקב מאובטחים מתמידים, מפחיתה את מספר ההודעות ותומכים בקריפטוגרפיה סימטרית (למשל, AES-128) על פעולות סימטריות שמנקות את הסוללה מהר יותר.

צורך ב-Minimal Latency

יישומים כגון ניתוח מרחוק או אוטומציה תעשייתית דורשים שקיפות מקצה לקצה במכלות הספרות הבודדות.ראש פרוטוקול אבטחה - ראשי תיבות של חבילות, סיבובי לחיצות יד ועיכובים הצפנה - יש למזער. לדוגמה, DTLS 1.3 מורידה נסיעות עגולות מ 2 עד 1 בהשוואה לגרסאות קודמות, שיפור קריטי עבור מערכות חסכוניות.

אסטרטגיות לקביעת פרוטוקולים של אבטחה קלילה

מהנדסים יכולים להשתמש בכמה אסטרטגיות מוכחות כדי ליצור פרוטוקולים העומדים במגבלות משובצות ללא הקרבת אבטחה.אסטרטגיות אלה כרוכות לעתים קרובות בהתקפות סחר שחייבות להיות מוערכות על בסיס פרופיל הסיכון ויכולות החומרה של היישום.

שימוש ב-Lightweight Cryptographic Algorithms

(הבחירה של אלגוריתם החלפה מרכזית ומפתח יש את ההשפעה הגדולה ביותר על יעילות פרוטוקולים.המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) יש פרויקט מבוזר משקל:0 Light Weight Cryptography ProjectFLT:1 שמדכא אלגוריתמים כמו FLT:2AsconFLT 3 (לצורך הצפנה אישית) ו-FLT-4LTFal:5i, אך הוא בעל ביצועים קלים יותר עבור CLT2, אך הוא בדרך כלל מספק הצפנה ציבורית אחת, אך ורק לאחר מכן, אך ורק לאחר מכן הוא מספק הצפנה אחת, אך ורק לאחר מכן הוא מספק הצפנה אחת, אך ורק יותר מהיר יותר, עבור חומרה-ALT-ALT-ALT-F3, אם כי הוא מספק הצפנה אחת, אם כי הוא מספק הצפנה אחת, אם כי הוא יעיל יותר מהיר יותר, אם כי הוא יעיל של חומרה-F3, אם כי הוא מספק ביצועים של CMFLIFLIF3, עבור ביצועים טובים, אך ורק עבור ביצועים טובים יותר, אך ורק לאחר מכן, עבור CMFLIFLT-FLIFLIFLIFLIFLIFLICli-FLI-ALT-FLICli CLT-FLICLT-ALT-ALT-A

מפתח חלופי Mechanisms

מפתחות משותפים (PSK) הם האפשרות הקלה הפשוטה ביותר - מחלף מחוץ לפס, הם נמנעים מהעלות החישובית של דיפי-הלמן או RSA. עם זאת, PSK חסר סודיות קדימה, כך עבור אבטחה גבוהה יותר, Ephemeral ECDH (ECHE) חילופי מפתח עם גדלים קטנים יותר (למשל, Curve25519) הוא מעדיף פרוטוקולים כמו MQ-T.

« « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « « «

ה-TLS 1.3 1-RTT Handhake (טיול עגול אחד) כבר מותאם בהשוואה לגרסאות ישנות יותר, אבל כמה פרוטוקולים משובצים מתקדמים יותר באמצעות מצב 0-RTT. ב 0-RTT, הלקוח שולח נתונים מוצפנים מיד באמצעות מפתח ישיבה חרוט בעבר.זה מצמצם את הגמישות אבל דורש הגנה חוזרת זהירה. עבור CoAP, DTLS 1.3 species פרופיל מופחת ולהפחית אופציונלית.

המונחים: Hardware Acceleration

מיקרו-בקרים מודרניים רבים כוללים מאיצים קריפטוגרפיים - מודולים חומרה מחוסנים עבור AES, SHA-256, ואפילו ECC או RSA. פיזור פעולות אבטחה למנועי אלה מפחית באופן דרסטי עומס CPU וצריכת חשמל. מעצבי פרוטוקול צריכים להבטיח ממשקי התוכנה שלהם עם האצה חומרה שבה זמין ומפלת חזרה ליישום רק כאשר יש צורך.

פרוטוקול הטמעת

מעבר להצפנה, הפרוטוקול עצמו יכול להיות קל משקל.טכניקות כוללות שימוש בקידודי הודעות קומפקטיות (למשל, CBOR במקום JSON), צמצום ראש מעל הראש, וערכת נתונים אימות.

דוגמאות לפרוטוקולים של אבטחה קלילה

מספר פרוטוקולים תוכננו במיוחד או מותאמים לסביבות מוטבעות ו-IoT.הדוגמאות הבאות ממחישות כיצד אסטרטגיות לעיל מוחלות בפועל.

פרוטוקול אור משקל (LEAP)

LEAP הוא פרוטוקול מפותח של סיסקו המשמש במקור ברשתות אלחוטיות.הוא משתמש ב- MS-CHAPv2 עבור אימות הדדי, אך בשל חולשות ידועות הוא לא מומלץ עבור עיצובים חדשים.עם זאת, הפילוסופיה הקללה שלו - אימות עגול ללא קריפטוגרפיה ציבורית-קית - בהשראת פרוטוקולים מאוחרים כגון EAP-TLS עם תעודות ECC.

אליפטי קרב Cryptography (ECC) פרוטוקולים המבוססים על פרוטוקולים

פתרונות אבטחה משובצים רבים משתמשים כעת ב- ECC לצורך החלפת מפתח וחתימות דיגיטליות.לדוגמה, הגרסאות המבוססות על ה-FLT:0ECC של TLS 1.303IRLT:1 באמצעות Curve25519 ו- Ed25519 משיגות אבטחה גבוהה עם מכשירים מינימליים על פני השטח באופן דומה, ההצפנה של FLT:2MQTT-SNFLT 3 (Sensor Network) מגדירהרשת מאובטחת ומאובטחת באמצעות סימטרית במיוחד עבור סימטרית.

MQTT עם TLS 1.3 הרחבה של משקל אור

פרוטוקול MQTT משמש נרחב ב-IoT לפרסום / הודעות ספירה.כאשר בשילוב עם TLS 1.3 במצב PSK, לחיצת היד דורשת רק נסיעה עגולה אחת, וחידוש הפגישה משתמש 0-RTT עבור קשרים הבאים. גופם סטנדרטי ממליץ להשתמש ב-FLT:0MTT מעל TLSFLT:1 עם סוויטות ciphers נבחרו בקפידה כמו TLS A A R 256 256 256 256S256 ל-256 ל-256.

ההרחבה: DTLS 1.3

פרוטוקול יישום Consמוגבל (CoAP) מיועד להורדת כוח, רשתות אובדן.זה בדרך כלל פועל על DTLS (Datagram TLS) כדי לספק אבטחה. DTLS 1.3 מקטין את לחיצת הידיים מעל הראש ומציג מזהה חיבור כדי למנוע כותרות גדולות.עבור מכשירים מוגבלים, פרופיל DTLS המוגדר ב RFC 9147 מאפשר שימוש של מפתחות מראש ותעודות דחוסות, מה שהופך את KBstfed (אפילו 10.

Zigbee ו Z-WAVE

פרוטוקולים אלה כוללים שכבות אבטחה קלות משקל. Zigbee משתמש מפתח רשת מבוזר במהלך הצטרפות ותומך APS (Application Support Sublayer) הצפנה באמצעות AES-128. Z-Wave משתמש בגישה סימטרית-key דומה עם S2 אבטחה, המספק הצפנה אותנטית באמצעות AES-128 במצב CCM.

המונחים

בחירת פרוטוקול היא רק חצי הקרב; יישום נכון על חומרה מוטבעת דורש הנדסה זהירה. להלן הם שיקולים מרכזיים בעת פריסת פרוטוקולי אבטחה קלים.

איזון אבטחה וביצועים

מהנדסים חייבים לבצע הערכת סיכון כדי לקבוע את רמת האבטחה המתאימה.עבור מכשירים עם מגבלות קשות ביותר, פרוטוקול פשוט יותר עם מפתח 128 סיביות עשוי להיות מקובל אם התקפות פיזיות לא סבירות. לעומת זאת, נכסים בעלי ערך גבוה כמו מכשירים רפואיים או בקרים ברשת חכמה עשויים להצדיק מעט גבוה יותר עבור תכונות כמו סודיות קדימה ואימות מבוסס תעודה.כל אפשרויות ההצפנה צריכות לעקוב אחר שיטות הטובות ביותר הנוכחיות - ללא אלגוריתמים מחוספסים כמו RC,4-1, או DES.

חומרה ושילוב תוכנה

כדי למקסם את היעילות, פרוטוקול האבטחה צריך לשלב בשיתוף פעולה הדוק עם ערימה רשת של מערכת ההפעלה המוטבעת וניהול כוח.לדוגמה, ב-Zphyr RTOS, מערכת המשנה תומכת DTLS באופן מקומי באמצעות ספריית mbedTLS, אשר ניתן להגדיר כדי להשתמש מאיץ חומרה קריפטו.

בדיקות והסמכת

אבטחה קלה לא מתכוונת לאבטחת lax.פרוטוקולים חייבים להיבדק נגד התקפות ידועות - החל מגבר-בתוך-הצד, ערוץ-ערוצי-ערוצי - תוך שימוש בניתוח סטטי ובסחר דינמי.תחומים רבים (רפואיים, רכב, תעשייתי) דורשים הסמכה כנגד סטנדרטים כגון IEC 62443 או ISO 27001 אלגוריתמים קלים עדיין נמצאים תחת הערכה של NIST; מהנדסים צריכים לפקח על ה-F:0Falcinicists להורדת אור קריפטוגרפיים בעתיד.

ניהול Key Lifecycle

אחד החלקים הקשים ביותר של אבטחה משובצת הוא ניהול מפתח.פרוטוקולים קלים לעתים קרובות להשתמש מפתח טרום שיתוף כי הם מוצצים במהלך הייצור.עם זאת, הבטחת מפתח מתן וביטול הם מאתגרים.תקני מתפתחות כמו FIDO2 עבור מכשיר IoT בדיקות ומודולים אבטחת חומרה (HSMs) משולבים מיקרובקרים (למשל, TrustZone, Secures) יכולים לעזור למנוע מפתחות מאובטחים ללא נפיחות.

כיוונים עתידיים

מחקר לפרוטוקולים של אבטחה קלה מתפתח במהירות. מגמות מספריות יעצבו את הדור הבא של אבטחה משובצת.

Machine Learning for Anomaly Detection

פרוטוקולים עצמם יכולים להיות מוגדלים עם מודלים של למידת מכונה שפועלים על-ידי device כדי לזהות דפוסים יוצאי דופן (למשל, תזמון לחיצות יד חריג, רצפי הודעות חשודות) כי מיפוי ML הוא כבד חישובי, רשתות עצביות קלות משקל (TinyML) נועדו לרוץ על מיקרו-בקרים.מודלים אלה יכולים להשלים הצפנה קלה על ידי הוספת שכבה נוספת של אבטחה התנהגותית ללא פני יתר.

פוסט-קוטן Cryptography עבור Embedded Systems

מחשבים קוונטיים מאיימים על ההצפנה הציבורית הנוכחית (ECC, RSA) תואמים אלגוריתמים לאחר-quantum יעילים מספיק לשימוש מוטבע. Algorithms כמו FLT:0FALCONFLT:1 ו-FLT:2CSTALS-DilithiumFLT 3 יש גדלים חתימים (למשל, 1.3 KB2C) אך ורק לאחר מכן הם עשויים להיות יותר מ-K2KIODIODIOLERIOLERIODIODIODIUMFLT 3.

תכונות אבטחה מבוססות חומרה

מודולים אבטחת חומרה משולבים (HSMs) ו ⁇ מאובטחים הופכים סטנדרטיים ב SoCs עבור IoT. TrustZone-M על ARM Cortex-M33, למשל, מספק סביבות הוצאה מבודדות עבור מפתחות קריפטוגרפיים ופרוטוקולים המדינה. תמיכה זו מאפשרת פרוטוקולים להיות פשוטים יותר בתוכנה, כי פונקציות אבטחה רבות מוזנחות.

מסגרות סטנדרטיות עבור יישומים דיים

הנוף המפרק של שיחות אבטחה מוטבעות למסגרות סטנדרטיות שניתן להתאים לפרופילי משאבים ספציפיים.מיזמים כגון FLT:0IEEE 1451.0FLT:1 , 1 אינטגרטור חכם ו-FLT:2IETF Cosecurity מגמגפיים של אבטחה קופה 3 במטרה לספק מחדש בלוקים ביטחוניים.

מסקנה

פיתוח פרוטוקולי אבטחה קלים עבור מערכות הפעלה משובצות הוא משמעת הנדסית מורכבת אך חיונית.כפי שאינטרנט הדברים ממשיך לגדול, הביקוש למכשירים מאובטחים, יעילים, ומשתנים מחדש יגדל רק.על ידי הבנת המגבלות הייחודיות של חומרה מוטבעת - עיבוד מוגבל, זיכרון, כוח ואמת-זמן-זמן- בזמן אמת - גורמים יכולים לבחור ועיצובים המספקים אבטחה חזקה ללא שילוב אסטרטגיות ביצועים המתוארות במאמר זה - מבטים, לחץ דם יעיל, תוך שימוש יעיל, עם דרישות אבטחה מהירות גבוהה יותר, תוך שימוש בחומרה, תוך שימוש בחומרה יעילה, באמצעות חישובית אבטחה יעילה, תוך שימושית אבטחה מהירה יותר, תוך שימושית אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה מהירה יותר, תוך כדי חישובית אבטחה מהירה יותר, ופרוטוקולים, תוך כדי שיפור יעיל, מערכת אבטחה יעילה, תוך כדי שיפור יעיל, מערכת אבטחה יעילה, מערכת אבטחה מהירה יותר, באמצעות חישובית אבטחה מהירה יותר, באמצעות חישובית אבטחה מהירה יותר, באמצעות חישובית אבטחה יעילה, מערכת אבטחה מהירה יותר, באמצעות חישובית, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה יעילה, מערכת אבטחה יעילה, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה מהירה יותר, מערכת אבטחה

בסופו של דבר, המטרה אינה לבנות את הפרוטוקול הבטוח ביותר במונחים מוחלטים, אלא לבנות את הפרוטוקול הבטוח ביותר שמערכת משובצת נתונה יכולה להרשות לעצמה לרוץ.השגת איזון זה דורש שותפות עמוקה בין מעצבי פרוטוקול, מפתחי מערכת ההפעלה ומהנדסי חומרה - המבטיחים שביטחון קל משקל הופך לתכונה סטנדרטית של כל מכשיר מחובר.