基于MCU、MPU或FPGA的嵌入式M2M系统安全解决方案

基于使用机器到机器（M2M）等协议的联网设备不断普及的发展趋势，网络（特别是无线网络）的安全性越来越受人们的关注。外面的世界危险无处不在，仍有许多人想要破坏建立这些连接所需的社会性和关键性基础设施。

针对基于MCU、MPU或FPGA的嵌入式无线或有线M2M系统，特别是在当今普遍联网但易受攻击的世界中，良好的安全性要求采取以下这些全部使用了标准加密算法的措施：

使用TLS的网络通信安全

使用IPSec的虚拟专用网安全（VPN）

使用SSH的安全登录和系统交互

使用SFTP的安全文件传送

安全的电子邮件--加密的电子邮件和安全的邮件服务器链路

安全的网站服务器--https

安全的管理--SNMP v3

使用加密和检查过的映像进行安全启动

本文简要讨论了上述各项安全措施应用到M2M的情况以及总的系统级考虑因素。M2M系统要求高度的安全性来保护信息和系统。没有这种无缝的集成和测试，就会存在安全漏洞，系统很容易受到攻击，并可能发生可怕的后果。

使用TLS进行网络通信

在M2M系统中，不管是哪种无线类型，所有无线链路都会使用某种加密技术来保护无线传输的数据。在一个节点内或两个有线节点之间，负荷数据以明码的方式存在于有线/无线混合系统中。一种方法是使用传输层安全（TLS）协议。TLS作为网络中两个节点之间的端到端加密技术，可确保数据不管走哪条路径总是安全的。

如图1所示，TLS很容易配置和使用，正是这个原因，TLS是人们非常青睐的一种通信安全方法。TLS的典型实现遵照的是针对应用程序可移植性开发的事实上的openSSL接口标准。这种应用程序编程接口（API）是套接字（socket）接口中的表示层，可为应用程序提供安全性。


图1：TLS可保证端到端通信的安全。

在套接字通信之上提供TLS层可以为安全应用提供安全的套接字通信，而直接使用套接字的通信是不安全的，因为所有数据都是明码传输。

使用IPSec协议的虚拟专用网（VPN）

许多时候，网络中两个节点之间的所有通信都要求是安全的。在这种情况下，可以建立虚拟专用网（VPN）（图2）。这种协议深入TCP/IP实现内部，对两个节点间传输的所有数据包进行加密。因为IPSec是作为网络层的一部分，因此节点之间的所有套接字调用都会自动加密。


图2：在两个节点之间使用VPN和IPSec可以确保节点之间所有通信业务的安全。

有人可能会问，既然如此，为什么我们还要使用其它方法，用这一种方法不就可以了吗？原因有两个。第一个原因很好理解：VPN的建立相当麻烦，会遇到很多问题。正是这个原因使得它的使用面不如想像的那么广。

第二个原因是最好的安全性需要建立在各层中。通过提供各个安全层，被攻破的难度就要大得多。这与打开多重锁着的门才能进入金库是一个道理--每个层都增加了入侵难度。基于这个理由，最好采用更多的安全措施，而不仅是VPN.

安全壳

为了登录并在远程系统上工作，小型系统上经常使用telnet.现在通过增加额外的闪存空间，你可以运行安全壳（SSH）（图3）。SSH就像是一种安全的telnet，但并不是运行在TLS之上的telnet.SSH有它自己的协议。它通过在MCU上运行的SSH服务器提供安全壳访问。


图3：SSH代替Telnet提供节点间的安全通信。MCU产品只提供SSH服务器，该服务器。

安全文件传送

只是因为在使用文件传送协议（FTP）时使用了登录身份和口令，许多人就认为这是安全的传送。事实上，即使是口令在网络上也是明码传送的。更好的方法是使用安全文件传送协议（SFTP）。SFTP并不是在TLS上运行的FTP.而是如图4所示那样，是另外一种用于加密文件传送的特殊协议。


图4：SFTP是一种新的协议，支持文件传送时的加密和认证通信，可替代所有数据都是明码传送的FTP

安全的电子邮件

邮件服务器之间的业务通常用TLS加以保护。但TLS只能保证只有授权和认证的用户才能使用服务器，而监视网络业务的任何人都无法阅读邮件。基于这个理由，如果你使用SMTP协议从基于MCU的M2M传感设备安全地发送通知，你也需要TLS（图5）。


图5：使用TLS的SMTP传输可以确保只有授权用户才能使用电子邮件服务器，并加密发送数据。如果消息在发送前得到了加密和签名，那么这些消息就能被拥有正确消息密钥的人加以鉴权，确保其私密性。

当然，在服务器上使用的安全性并不能应用于任何给定节点中的消息内容。因此消息需要签名和加密才能确保自身的安全性。

安全的网站服务器访问

为了安全地进行网站页面访问和数据传送，可以使用HTTP Secure（HTTPS）。采用任何M2M配置的网站服务器（图6）都要求支持HTTPS.HTTPS是联合运用TLS以及HTTP协议实现的。网站服务器本身可以通过HTTPS获得加密的数据包进行处理，并提供传送之前加密的解过密的网页。


图6：浏览器具有足够的智能使用TLS上的http进行连接，从而支持安全的网站访问。http服务器也接受TLS上的请求，以便提供安全的网页访问和更新。

安全管理

为了管理远程设备，我们经常使用安全网络管理协议（SNMP）。SNMP提供了查看设备内部细节、重新配置设备、执行各种命令、读取数据、读取记录和设置变量的一种方式。为了做到这一点，要求使用最新的安全版本（SNMP v3）（图7）。许多实现人员试图使用较早版本的SNMP，但这些版本都是不安全的。


图7：客户端和服务器都要求支持SNMPv3才能实现安全的管理。如果服务器只支持SNMPv1和2c，是无法实现加密或认证的。为了提供完整的安全性，加密和认证都是必须的。