物聯網（IoT）僵尸網絡（botnet）的興起已經成為智能家庭，智慧城市和工業網絡化等新興產業的安全威脅。僵尸網絡的分布式拒絕服務（DDoS）攻擊已有時日，而且針對物聯網的僵尸網絡亦非新事。

但直至最近，人們才認識到物聯網僵尸網絡破壞的嚴重性，安全缺陷可能導致物聯網嵌入式系統在同時聯網時全盤崩潰。本文從物聯網設備安全漏洞的角度研究僵尸網絡，指明安全設備防范僵尸網絡的關鍵。

僵尸網絡及其潛在威脅

僵尸網絡是指被特定惡意軟件感染的互聯設備所構成的網絡，它允許黑客獲取遠程控制權并協調進行DDoS攻擊僵尸網絡病毒，亦稱僵尸大軍（zombie armies），也可以用于垃圾郵件轟炸，盜取敏感密鑰，傳播勒索軟件等。

物聯網中的僵尸網絡病毒不同于Windows平臺上的普通僵尸網絡病毒，它產生于脆弱的物聯網設備，并且可以通過龐大的物聯網系統感染海量設備。此外，普通僵尸網絡病毒往往用于發送垃圾郵件，而物聯網僵尸網絡病毒可以通過影響物聯網設備周圍的物理環境來造成更大的危害。

例如，一種物聯網病毒可以侵入交通燈系統，破壞智慧城市的基礎設施，從而引發整座城市的混亂，。同樣，黑客也可以通過病毒提高智能家庭的溫度，或是增加油汽供給。

兩者的另一顯著區別在于，個人電腦與服務器的連接受到殺毒軟件和防火墻等的安全保護，而物聯網設備往往沒有這些安全機制，從而成為僵尸網絡病毒的理想目標。

2016年，業界預測物聯網僵尸網絡將成為網絡安全的第一威脅，但IT安全界則認定這些威脅非常有限，不必在意僵尸物聯網所帶來的安全威脅。然而不久后出現了一種工具箱，能使僵尸網絡病毒利用無安全措施的物聯網設備漏洞，進行攻擊。2016年十月的Mirai僵尸網絡攻擊事件成為了一個重要的轉折點。

Mirai和另一種僵尸網絡Bashlight，可以利用網絡攝像頭和數字視頻錄像機上安裝的精簡Linux系統中的漏洞，指揮設備在服務器中下載惡意軟件。

之后，它們通過不斷掃描缺省或硬編碼的用戶名和密碼，向周圍的其他“肉雞”設備散播這一惡意軟件。DDoS 攻擊便是通過這一方式感染大量互聯設備的。在Mirai僵尸網絡攻擊事件中，有超過15萬臺網絡攝像機被Mirai僵尸網絡感染。

僵尸網絡暴露嵌入式系統設計缺陷

當下，物聯網設備數量龐大且在持續增長，而Mirai為無防護物聯網設備的安全行敲響了警鐘。加德納公司預測，到2020年，將有超過208億的設備連接到物聯網中。Mirai揭示了黑客控制“肉雞”并將其并入僵尸網絡的機制。僵尸物聯網在強調了嵌入式安全重要性的同時，也暴露嵌入式系統設計中主要缺陷：

?物聯網設備精簡化和低功耗的追求不可避免地降低了嵌入式安全等級

?物聯網設備電池容量和存儲空間僅夠完成最基本的功能，安全性的考慮被排在兩者之后

?緊迫的設計時間和上市壓力導致摒棄了安全模塊的設計

?許多物聯網設備通過復用軟硬件模塊來簡化設計、降低成本，但這會導致不同類別的物聯網設備憑據被公開

?物聯網設備上的操作系統缺乏透明性和便捷接口，這給病毒監測帶來困難。物聯網設備的病毒監控和監測往往基于網頁瀏覽器或智能手機的APP等的復雜接口，而不能直接訪問操作系統本身

?大多數嵌入式設備的操作系統采用各種版本的Linux系統。這些系統只有合理地打補丁、配置和加固才能保證安全。而黑客們已經在著力破解路由器和機頂盒上的Linux系統漏洞

僵尸物聯網已經波及到網絡攝像頭、Wi-fi路由器、網絡攝像機和機頂盒等設備并被用于散布DDoS攻擊網絡游戲的服務器。黑客還曾嘗試利用僵尸物聯網侵入德國電信公司的路由器，但最終未能成功。

接下來會是什么？智能冰箱，電燈，智能鎖，還是智能汽車？如果僵尸網絡被散布者釋放到銀行，醫院和智慧城市的基礎設施中，可能會造成更大規模的破壞。

健壯的多層次安全保護是關鍵

那么，我們該如何構建健壯的安全系統來防范這一“萬能牌”呢？我們如何確保從傳感器到物聯網節點一直到云等各層次的安全性以確保多層次物聯網接入點的可靠性？嵌入式系統安全的根本在于：

?開發嵌入式系統中多層次安全保護機制，涵蓋安全節點，存儲，網絡和整個物聯網生態

?設計可靠的嵌入式硬件

多層次安全保護

如圖1所示，嵌入式系統設計中的多層次安全保護機制，涵蓋了安全節點，存儲，網絡和整個物聯網生態。

圖1 在以互聯網為中心的嵌入式系統中建立多層安全保護，來抵御僵尸物聯網病毒等威脅（來源Microchip）

這些對抗僵尸物聯網病毒的最佳措施被納入產品開發周期中的安全框架中：

節點

在基于硬件的可信任框架下采用安全啟動以確保物聯網設備在確知的安全狀態下運行的同時，其內容依然保密。安全啟動作為嵌入式設備安全的基石，是防范僵尸網絡病毒等安全缺口的第一道防線

更新固件。黑客能使用空中下載(OTA)升級來發布其惡意病毒。因此，應采用身份認證來確保物聯網設備僅從授權系統中檢索升級代碼

網絡

僅在使用防火墻的環境下連接物聯網設備。防火墻會檢查輸入數據并通過數據的行為，簽名，IP歷史以及物聯網終端信息的一致性交叉詢問來識別威脅

使用DDoS攻擊防護服務以及采用健壯內容發布網絡的工具做為最初的防御措施

確保物聯網設備間及其與云服務等系統的可靠連接，使用基于傳輸層安全（TLS）等安全協議的加密鏈路

固化開放安全套接字層（OpenSSL）等TLS實現棧，通過創建額外的硬件安全層來消除軟件的漏洞

安全存儲

物聯網系統需要牢靠的身份認證來確定和核實節點和設備的身份。人們往往將安全等同與加密，但在應對諸如僵尸網絡病毒之類的網絡威脅方面，身份認證才是物聯網安全領域的中流砥柱

設計安全的嵌入式硬件

嵌入式安全應用于互聯設備的前提從一開始就被忽略了。嵌入式安全應該從設計具有完整安全解決方案的防篡改硬件開始，而不僅僅依靠一堆補丁和系統修復。

傳統的硬件安全包括多個方面

一個硬件安全模塊（HSM），這需要一個數據庫來存儲，保護和管理密鑰。這需要對硬件基礎和硬件邏輯進行前期投資

一個可信任平臺模塊（TPM），它將加密密鑰整合進設備的硬件中，但這不符合低價物聯網應用的定位

一個安全堆棧，建立在MPU或MCU的頂層。但這一設計需要花費大量的CPU運行周期來加速應用和固件的身份認證。由于基于中央MPU或MCU的安全硬件帶來許多計算密集的操作(如身份認證)，這會加重整個系統的負擔，降低系統性能，因此成果有限

基于以上原因，傳統的硬件安全解決方案不能有效的應用于嵌入式系統中。取而代之的是使用專用安全處理器的嵌入式系統硬件設計，專用處理器中的硬件密鑰存儲和加密加速技術可以彌補軟件的漏洞。同時，專用處理器更容易固化一些知名的TLS實現棧（如OpenSSL等），使得物聯網節點能自動完成與云服務器通信的身份認證。

首先，通過I^2 C接口將低耗的安全協處理器與主機（MPU或MCU）連接，方便安全啟動系統防御流氓固件的攻擊。Maxim的MAXREFDES143 Reference Design 就是物聯網嵌入式安全設計的典范。其通過身份認證和告知網頁服務器來保護工業傳感器節點。其特別采用DeepCover 安全認證（帶單線 SHA-256 和 512-Bit 用戶 EEPROM），支持從傳感器到網頁服務器數據的所有身份認證。

這些加密元素（圖2）——更小的MCU，都配備了硬件加密加速器，以執行強大的身份驗證，從而保護私鑰，證書和其他敏感的安全數據，防止僵尸網絡入侵。 此外，傳統的TLS標準在軟件上實現身份認證和密鑰存儲，在軟件上實現并無必要，加密部件通過消除以軟件為中心的安全實現復雜性，簡化了與亞馬遜網頁服務（AWS）等云服務的相互認證。

圖2 Microchip ATECC508A等安全MCU提供了節點身份認證功能，限制了僵尸網絡的攻擊（來源：Microchip）

結論

物聯網產業作為互聯網嵌入式電子產業的延伸，正處于關鍵的十字路口。目前，物聯網僵尸病毒主要針對網頁和應用服務器，但他們遠比我們當前所見具有更強大的破壞力。例如，它們可能通過干擾智能監視系統來影響建筑物的物理尺寸，或者通過擾亂交通系統引發混亂。

重新開發安全的物聯網嵌入式設備為時已晚，特別是已有數千萬個“肉雞”設備已經投入市場，且數量日益增加。物聯網愛好者們剛剛瞥見網絡互聯的潛在威脅，物聯網便已成規模，采取行動，重新審視嵌入式安全刻不容緩。