洞見 - Computer Security and Privacy - # 物聯網安全、記憶體安全、無線閘道、韌體分析、安全設計

物聯網的記憶體安全：評估記憶體保護方案對無線閘道安全性的影響

Q: 除了 CHERI 和 ARM-MTE 之外，還有哪些其他新興技術可以有效提高物聯網設備的記憶體安全性？

除了 CHERI 和 ARM-MTE，以下是一些可以有效提高物聯網設備記憶體安全性的新興技術： 記憶體安全程式語言 (Memory-safe programming languages): 像 Rust、Swift 和 Go 等語言在設計上就考慮到了記憶體安全，它們在編譯時強制執行嚴格的規則，以防止常見的記憶體相關錯誤，例如緩衝區溢位和使用後釋放。 優點: 從根本上防止大量記憶體安全漏洞，減少對執行時檢查的依賴，提高效能。 缺點: 需要重寫現有程式碼，學習曲線較陡，生態系統可能不如 C/C++ 成熟。 硬體輔助的地址空間佈局隨機化 (ASLR): ASLR 是一種通過隨機化程式碼和資料在記憶體中的位置來增加攻擊者利用漏洞難度的技術。一些新的微控制器架構開始提供硬體輔助的 ASLR，使其在資源受限的物聯網設備上更實用。 優點: 增加攻擊者預測目標地址的難度，提高攻擊成本。 缺點: 不能完全阻止攻擊，對某些類型的攻擊（例如跳轉導向程式設計 (ROP)）效果有限。 資訊流追蹤 (Information Flow Tracking): 資訊流追蹤技術可以追蹤資料在程式中的流動，並根據預先定義的策略限制資料的訪問和修改。這可以防止惡意程式碼竊取或篡改敏感資料。 優點: 提供細粒度的安全控制，可以防止某些類型的邏輯攻擊。 缺點: 執行時開銷較大，需要特殊的硬體或軟體支援。 基於虛擬化的安全隔離 (Virtualization-based security isolation): 通過將不同的應用程式或服務隔離在獨立的虛擬環境中，可以限制攻擊者在成功入侵一個組件後對整個系統的影響。 優點: 提供強大的隔離性，限制攻擊的傳播範圍。 缺點: 需要額外的資源來運行虛擬環境，可能影響效能。 選擇合適的技術方案需要根據具體的應用場景、資源限制和安全需求進行綜合考慮。

Q: 僅僅依靠技術解決方案就足夠了嗎？如何解決物聯網安全中的人為因素和管理缺陷？

僅僅依靠技術解決方案不足以完全解決物聯網安全問題。人為因素和管理缺陷同樣是造成物聯網安全漏洞的重要原因，需要採取綜合措施來應對： 安全意識培訓: 提高開發者、管理員和用戶的安全意識至關重要。他們需要了解常見的物聯網安全威脅、攻擊手段以及如何採取適當的安全措施來防範攻擊。 安全開發生命週期 (SDL): 在物聯網設備的整個生命週期中，從設計、開發、測試、部署到維護，都需要將安全考慮進去。例如，進行威脅建模、程式碼審查、安全測試和漏洞修復等。 安全配置管理: 許多物聯網設備使用預設的密碼或配置，這使得它們很容易受到攻擊。因此，需要強制更改預設密碼，使用強密碼，並定期更新韌體和軟體。 設備身份驗證和授權: 確保只有授權的設備和用戶才能訪問物聯網網路和資料。可以使用各種身份驗證和授權機制，例如基於證書的身份驗證、雙因素身份驗證和基於角色的訪問控制。 安全通訊: 使用加密技術保護物聯網設備之間以及設備與後端系統之間的通訊安全。例如，使用 TLS/SSL 協議保護網路流量，使用 VPN 建立安全連接等。 安全審計和監控: 建立安全審計和監控機制，以便及時發現和應對安全事件。例如，記錄設備和用戶活動，監控網路流量，以及使用入侵檢測和防禦系統等。 總之，物聯網安全是一個系統工程，需要技術和管理措施雙管齊下，才能有效降低安全風險。

Q: 如果物聯網設備能夠預測和應對網路威脅，而不是僅僅依靠被動防禦，那麼物聯網安全的未來會是什麼樣子？

如果物聯網設備能夠預測和應對網路威脅，那麼物聯網安全的未來將會迎來一個全新的局面，其特點是： 主動防禦 (Proactive Defense): 物聯網設備將不再是被動地等待攻擊，而是能夠主動識別潛在威脅並採取措施阻止攻擊。例如，通過機器學習分析網路流量和設備行為，預測攻擊行為並提前採取應對措施，如動態調整防火牆規則、隔離可疑設備等。 自適應安全 (Adaptive Security): 物聯網設備將根據不斷變化的威脅環境自動調整其安全策略和防禦機制。例如，根據新的漏洞資訊自動更新安全策略，根據攻擊模式動態調整入侵檢測規則等。 協同防禦 (Collaborative Defense): 物聯網設備將不再是孤立的個體，而是能夠相互協作，共享威脅情報和防禦策略。例如，通過區塊鏈技術構建去中心化的威脅情報共享平台，讓設備之間可以安全地交換威脅資訊，共同抵禦攻擊。 自我修復 (Self-healing): 物聯網設備將具備一定的自我修復能力，能夠在遭受攻擊後自動恢復到安全狀態。例如，在檢測到惡意軟體感染後自動清除惡意程式碼，在系統崩潰後自動安全地重新啟動等。 這樣的物聯網安全未來將更加智能化、自動化和高效化，能夠更好地應對日益複雜的網路威脅，為物聯網的發展保駕護航。

核心概念

物聯網無線閘道容易受到記憶體安全漏洞的攻擊，而採用安全設計 (SbD) 記憶體保護方案，例如 CHERI 或 ARM-MTE，可以顯著提高其安全性。

摘要

研究論文摘要

書目資訊

Safronov, V., Bostan, I., Allott, N., & Martin, A. (2024). How Memory-Safe is IoT? Assessing the Impact of Memory-Protection Solutions for Securing Wireless Gateways. arXiv preprint arXiv:2411.01377v1.

研究目標

本研究旨在探討物聯網領域中記憶體安全性的現狀，並評估記憶體保護方案對無線閘道安全性的影響。

研究方法

研究人員分析了 6,335 個現代無線閘道的韌體映像，並從中隨機抽取 502 個進行深入分析。他們使用軟體物料清單生成與分析平台 (SBOM-GAP) 來識別和分類韌體中的漏洞，並根據其與記憶體的相關性進行分類。

主要發現

記憶體漏洞佔無線閘道威脅的大多數。
部署 SbD 解決方案可以消除 74% 的已知 CVE，將平均路由器韌體的安全性提高 3.8 倍。
不同 SbD 記憶體保護技術（如 CHERI、ARM-MTE 和 Rust）在安全性、成本和效能方面各有優缺點。

主要結論

記憶體安全是物聯網安全的一個關鍵問題，特別是在安全攸關的應用中。採用 SbD 記憶體保護方案對於提高物聯網設備的安全性至關重要。

研究意義

本研究量化了記憶體漏洞對無線閘道安全的影響，並證明了 SbD 記憶體保護方案在提高物聯網設備安全性方面的有效性。

局限性和未來研究方向

未來研究可以進一步探討不同 SbD 記憶體保護技術在特定物聯網應用場景中的效能和成本效益，並開發更全面和自動化的記憶體安全解決方案。

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統計資料

目前全球部署了數十億台物聯網設備，預計未來幾年將增加數十億台。
研究人員分析了 6,335 個無線閘道韌體映像，並從中隨機抽取 502 個進行深入分析。
分析結果顯示，記憶體漏洞佔無線閘道威脅的大多數。
部署 SbD 解決方案可以消除 74% 的已知 CVE。
SbD 解決方案可以將平均路由器韌體的安全性提高 3.8 倍。

引述

"The rapid rise of IoT devices and applications is revolutionising various industries."
"A large number of cyberthreats can be triggered by memory-based vulnerabilities, resulting in broad and intricate attack chains."
"Our findings show that memory vulnerabilities constitute the majority of IoT gateway threats, underscoring the necessity for SbD solutions."
"Deploying SbD solutions in wireless gateways can eliminate 74% of known CVEs, increasing the security of average router firmware by a factor of 3.8."

從以下內容提煉的關鍵洞見

How Memory-Safe is IoT? Assessing the Impact of Memory-Protection Solutions for Securing Wireless Gateways

by Vadim Safron... 於 arxiv.org 11-05-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.01377.pdf

How Memory-Safe is IoT? Assessing the Impact of Memory-Protection Solutions for Securing Wireless Gateways

深入探究

除了 CHERI 和 ARM-MTE 之外，還有哪些其他新興技術可以有效提高物聯網設備的記憶體安全性？

除了 CHERI 和 ARM-MTE，以下是一些可以有效提高物聯網設備記憶體安全性的新興技術：

記憶體安全程式語言 (Memory-safe programming languages):  像 Rust、Swift 和 Go 等語言在設計上就考慮到了記憶體安全，它們在編譯時強制執行嚴格的規則，以防止常見的記憶體相關錯誤，例如緩衝區溢位和使用後釋放。

優點:  從根本上防止大量記憶體安全漏洞，減少對執行時檢查的依賴，提高效能。
缺點:  需要重寫現有程式碼，學習曲線較陡，生態系統可能不如 C/C++ 成熟。

硬體輔助的地址空間佈局隨機化 (ASLR):  ASLR 是一種通過隨機化程式碼和資料在記憶體中的位置來增加攻擊者利用漏洞難度的技術。一些新的微控制器架構開始提供硬體輔助的 ASLR，使其在資源受限的物聯網設備上更實用。

優點:  增加攻擊者預測目標地址的難度，提高攻擊成本。
缺點:  不能完全阻止攻擊，對某些類型的攻擊（例如跳轉導向程式設計 (ROP)）效果有限。

資訊流追蹤 (Information Flow Tracking):  資訊流追蹤技術可以追蹤資料在程式中的流動，並根據預先定義的策略限制資料的訪問和修改。這可以防止惡意程式碼竊取或篡改敏感資料。

優點:  提供細粒度的安全控制，可以防止某些類型的邏輯攻擊。
缺點:  執行時開銷較大，需要特殊的硬體或軟體支援。

基於虛擬化的安全隔離 (Virtualization-based security isolation):  通過將不同的應用程式或服務隔離在獨立的虛擬環境中，可以限制攻擊者在成功入侵一個組件後對整個系統的影響。

優點:  提供強大的隔離性，限制攻擊的傳播範圍。
缺點:  需要額外的資源來運行虛擬環境，可能影響效能。
選擇合適的技術方案需要根據具體的應用場景、資源限制和安全需求進行綜合考慮。

僅僅依靠技術解決方案就足夠了嗎？如何解決物聯網安全中的人為因素和管理缺陷？

僅僅依靠技術解決方案不足以完全解決物聯網安全問題。人為因素和管理缺陷同樣是造成物聯網安全漏洞的重要原因，需要採取綜合措施來應對：

安全意識培訓:  提高開發者、管理員和用戶的安全意識至關重要。他們需要了解常見的物聯網安全威脅、攻擊手段以及如何採取適當的安全措施來防範攻擊。
安全開發生命週期 (SDL):  在物聯網設備的整個生命週期中，從設計、開發、測試、部署到維護，都需要將安全考慮進去。例如，進行威脅建模、程式碼審查、安全測試和漏洞修復等。
安全配置管理:  許多物聯網設備使用預設的密碼或配置，這使得它們很容易受到攻擊。因此，需要強制更改預設密碼，使用強密碼，並定期更新韌體和軟體。
設備身份驗證和授權:  確保只有授權的設備和用戶才能訪問物聯網網路和資料。可以使用各種身份驗證和授權機制，例如基於證書的身份驗證、雙因素身份驗證和基於角色的訪問控制。
安全通訊:  使用加密技術保護物聯網設備之間以及設備與後端系統之間的通訊安全。例如，使用 TLS/SSL 協議保護網路流量，使用 VPN 建立安全連接等。
安全審計和監控:  建立安全審計和監控機制，以便及時發現和應對安全事件。例如，記錄設備和用戶活動，監控網路流量，以及使用入侵檢測和防禦系統等。
總之，物聯網安全是一個系統工程，需要技術和管理措施雙管齊下，才能有效降低安全風險。

如果物聯網設備能夠預測和應對網路威脅，而不是僅僅依靠被動防禦，那麼物聯網安全的未來會是什麼樣子？

如果物聯網設備能夠預測和應對網路威脅，那麼物聯網安全的未來將會迎來一個全新的局面，其特點是：

主動防禦 (Proactive Defense): 物聯網設備將不再是被動地等待攻擊，而是能夠主動識別潛在威脅並採取措施阻止攻擊。例如，通過機器學習分析網路流量和設備行為，預測攻擊行為並提前採取應對措施，如動態調整防火牆規則、隔離可疑設備等。
自適應安全 (Adaptive Security): 物聯網設備將根據不斷變化的威脅環境自動調整其安全策略和防禦機制。例如，根據新的漏洞資訊自動更新安全策略，根據攻擊模式動態調整入侵檢測規則等。
協同防禦 (Collaborative Defense): 物聯網設備將不再是孤立的個體，而是能夠相互協作，共享威脅情報和防禦策略。例如，通過區塊鏈技術構建去中心化的威脅情報共享平台，讓設備之間可以安全地交換威脅資訊，共同抵禦攻擊。
自我修復 (Self-healing): 物聯網設備將具備一定的自我修復能力，能夠在遭受攻擊後自動恢復到安全狀態。例如，在檢測到惡意軟體感染後自動清除惡意程式碼，在系統崩潰後自動安全地重新啟動等。
這樣的物聯網安全未來將更加智能化、自動化和高效化，能夠更好地應對日益複雜的網路威脅，為物聯網的發展保駕護航。