嵌入式与物联网设备安全:设计、开发与工程实战电子书

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内容提要

译者序

推荐序

致谢

前言

资源与支持

第一部分 基础知识

第1章 安全开发流程

1.1 关于各种指南的讨论

1.2 产品安全责任

1.3 意识与培训

1.4 资产与保护目标

1.4.1 识别宝贵的资产

1.4.2 相关保护需求

1.5 攻击者、威胁和风险

1.5.1 潜在攻击者

1.5.2 潜在的负面影响

1.5.3 没有风险，就没有优先级

1.6 安全需求和安全架构

1.6.1 风险处理

1.6.2 安全开发原则

1.7 安全实施和安全测试

1.7.1 左移策略

1.7.2 持续测试和分析

1.7.3 攻击者即服务

1.8 漏洞监测和响应

1.8.1 漏洞报告

1.8.2 审查和评估脆弱性报告

1.8.3 修复或解决问题

1.8.4 测试

1.8.5 公开解决方案

1.8.6 避免今后出现问题

1.8.7 建立信任

1.9 总结

第2章 密码学

2.1 柯克霍夫原则

2.2 安全级别

2.3 对称密码

2.3.1 数据加密标准

2.3.2 高级加密标准

2.4 运行模式

2.4.1 电子密码本模式

2.4.2 密文分组链接模式

2.4.3 计数器模式

2.5 哈希函数

2.6 消息认证码

2.7 认证加密

2.7.1 策略和要求

2.7.2 伽罗瓦计数器模式

2.8 非对称密码学

2.9 RSA密码系统

2.9.1 基本RSA数学

2.9.2 真实世界中RSA的使用

2.10 Diffie-Hellman密钥交换

2.10.1 数学之美

2.10.2 中间人攻击

2.11 椭圆曲线密码学

2.11.1 曲线背后的数学

2.11.2 选择的痛苦

2.11.3 ECC的实际应用

2.12 总结

第二部分 设备安全构建模块

第3章 随机数生成器

3.1 对不可预测性的需求

3.2 不可预测性的本质

3.3 真随机数生成器

3.3.1 环形振荡器

3.3.2 熵源的健康状况

3.4 伪随机数生成器

3.5 实用RNG的构建和应用

3.5.1 RNG的选择

3.5.2 错误处理

3.5.3 启动时熵

3.6 案例研究：从硬件到Python的随机数

3.6.1 硬件RNG和熵源

3.6.2 Linux中的硬件RNG集成

3.6.3 Linux RNG架构

3.6.4 Python中的加密安全随机数

3.7 案例研究：随机性快速检查的实用工具

3.7.1 分布分析和模式识别的简单工具

3.7.2 问题1：通过模数限制输出空间

3.7.3 问题2：定制PRNG设计

3.8 总结

第4章 密码实施

4.1 实施背景和要求

4.2 选择加密实现

4.3 AES实现选项

4.3.1 基本架构

4.3.2 优化运行

4.4 RSA和ECDSA的实施特点

4.4.1 RSA优化

4.4.2 ECDSA细节

4.5 案例研究：STM32MP157F器件的加密性能

4.5.1 对称加密的参数选择

4.5.2 SHA-256算法的软件与硬件实现

4.5.3 非对称加密操作的软件性能比较

4.6 总结

第5章 机密数据存储与安全内存

5.1 机密数据

5.2 在嵌入式系统中保护机密的困境

5.3 安全文件系统方案

5.3.1 加密堆叠文件系统

5.3.2 原生文件系统加密

5.3.3 加密块设备

5.3.4 建议方案

5.3.5 口令

5.4 硬件中的安全内存

5.4.1 外部安全存储器模块

5.4.2 片上安全存储系统

5.5 应用代码中的安全

5.6 密码安全存储实践

5.7 案例研究：Linux加密文件容器

5.7.1 加密性能基准测试

5.7.2 容器的创建

5.7.3 效率分析

5.8 读保护机制的低成本解决方案

5.9 总结

第6章 安全设备身份认证

6.1 每个设备都是独一无二的

6.2 识别和标识符

6.2.1 唯一标识符

6.2.2 系统身份

6.3 身份认证和认证器

6.3.1 认证协议

6.3.2 专用认证芯片

6.3.3 多因素身份验证

6.3.4 受信任的第三方

6.3.5 证书和证书授权中心

6.4 身份生命周期管理

6.4.1 身份生成

6.4.2 供应

6.4.3 实时使用

6.4.4 交换或销毁

6.5 案例研究：身份生成及供应

6.5.1 标识符和系统身份

6.5.2 证书签名请求

6.5.3 证书授权中心

6.6 案例研究：生产中的RSA密钥生成

6.7 总结

第7章 通信安全

7.1 全维度防护目标

7.2 传输层安全

7.2.1 TLS的发展历史

7.2.2 TLS基础

7.2.3 TLS 1.3

7.2.4 其他握手选项

7.2.5 加密算法的选择

7.2.6 TLS 1.2

7.2.7 TLS 1.2与TLS 1.3的区别

7.2.8 安全使用

7.2.9 设备和基础设施的要求

7.3 应用示例和软件库

7.4 案例研究：安全的MQTT通信

7.4.1 Mosquitto的安装和配置

7.4.2 首次试运行

7.4.3 使用Wireshark和SSLyze进行通信安全分析

7.5 不使用TLS的安全通信

7.6 安全通信中的冗余

7.7 总结

第三部分 高级设备安全概念

第8章 安全启动与系统完整性

8.1 系统启动的复杂性

8.2 引导保护概念

8.3 经典安全启动链

8.4 实施安全启动的考虑

8.4.1 硬件和软件要求

8.4.2 开发过程

8.4.3 生产和生命周期

8.5 开源许可证与安全启动

8.6 案例研究：STM32MP157F设备上的安全启动过程

8.6.1 启动过程

8.6.2 安全启动从硬件开始

8.6.3 基于BL2 TF-A的安全启动

8.6.4 U-Boot的安全启动功能

8.7 启动过程之外的完整性保护

8.7.1 内核模块验证

8.7.2 文件系统完整性

8.7.3 基于MAC的文件系统保护

8.7.4 只读文件系统

8.7.5 全面的完整性保护

8.8 写保护作为低成本解决方案

8.9 总结

第9章 固件更新安全

9.1 更新的必然性

9.2 安全保障

9.3 更新的分发与部署

9.3.1 本地更新与远程更新

9.3.2 拉取策略与推送策略

9.4 更新的粒度与格式

9.4.1 固件组成部分

9.4.2 更新格式

9.4.3 包管理器的问题

9.5 设备分区策略

9.5.1 更新/恢复分区

9.5.2 A/B系统方法

9.5.3 引导加载程序的更新

9.6 开发、后端与设备的交互

9.7 案例研究：基于SWUpdate的安全固件更新

9.7.1 SD卡布局自定义

9.7.2 SWUpdate的安装与配置

9.7.3 密钥生成

9.7.4 软件集合

9.7.5 生成更新文件的脚本

9.7.6 设备特定定制

9.7.7 更新过程评估

9.8 总结

第10章 鲁棒设备架构

10.1 处于网络压力下的设备

10.1.1 邻近设备故障

10.1.2 协议模糊测试

10.1.3 网络与漏洞扫描

10.1.4 泛洪攻击

10.1.5 鲁棒架构

10.2 设备核心功能

10.2.1 传感器

10.2.2 执行器

10.2.3 控制器

10.3 实时系统

10.3.1 软实时系统

10.3.2 强实时系统

10.3.3 硬实时系统

10.3.4 DoS攻击的影响

10.4 资源耗尽及预防策略

10.5 硬件级实现方案

10.5.1 专用预处理单元

10.5.2 多核架构

10.6 操作系统的职能

10.6.1 操作系统选项

10.6.2 支持实时补丁的Linux操作系统

10.7 应用与协议考量

10.7.1 识别逻辑缺陷

10.7.2 实施输入与发送方验证

10.7.3 分析主动防护措施

10.7.4 引入混沌工程和模糊测试

10.8 案例研究：STM32MP157F设备的鲁棒性选项

10.8.1 基本系统属性

10.8.2 低延迟内核的测量

10.8.3 实时内核性能测试

10.8.4 实时协处理器

10.9 总结

第11章 访问控制与管理

11.1 日常威胁

11.2 访问控制与损害遏制

11.2.1 设计与开发阶段

11.2.2 生产环境注意事项

11.3 自主访问控制

11.3.1 Linux文件系统权限

11.3.2 Linux用户与用户组管理

11.3.3 Linux权限管理

11.3.4 访问控制列表

11.4 案例研究：STM32MP157F-DK2固件的访问控制

11.4.1 Yocto中的用户创建与文件配置

11.4.2 系统文件与预定义用户的探索

11.4.3 SSH守护进程访问控制配置

11.5 强制访问控制

11.5.1 Linux安全模块

11.5.2 SELinux

11.5.3 AppArmor

11.5.4 其他LSM及非LSM的强制访问控制机制

11.6 案例研究：使用AppArmor实现应用限制

11.6.1 AppArmor的安装

11.6.2 应用程序剖析

11.7 总结

第12章 系统监控

12.1 出于正当理由的监控

12.2 监控关键指标

12.2.1 用户交互与访问控制

12.2.2 通信

12.2.3 应用行为

12.2.4 系统行为

12.2.5 基于风险的监控

12.3 设计监控方案

12.3.1 嵌入式系统面临的挑战

12.3.2 设备端日志记录过程的监控

12.3.3 集中式日志分析与治理

12.4 案例研究：STM32MP157F设备事件日志记录

12.4.1 基于journald的用户会话监控

12.4.2 使用auditd进行内核事件监控

12.4.3 服务与应用程序事件日志记录

12.4.4 日志记录到远程服务器

12.5 总结

后记