嵌入式系統的網絡安全防護要點
時間：2025-06-19 來源：華清遠見
摘要
嵌入式系統廣泛應用于物聯網、工業控制、智能家居、醫療設備等關鍵領域，其網絡安全直接關系到設備可靠性與用戶數據隱私。本文將從嵌入式系統自身特點出發，梳理常見網絡安全威脅，并分別從硬件層面、固件與軟件層面、通信協議層面、系統部署與運維層面進行詳細闡述。通過層層防護、全生命周期管控，幫助工程師與開發者構建更加安全的嵌入式解決方案。
1. 嵌入式系統網絡安全為何如此關鍵
1.1 應用場景日益多樣且敏感
嵌入式設備已經不再局限于單一的家電或通訊模塊，而是深入到工業自動化生產線、智慧交通、醫療監護、工業機器人、無人機以及金融終端等高度專業化、對安全性要求極高的領域。一次微小的安全漏洞，可能導致工廠生產停擺、自動駕駛車輛誤操作、醫院生命支持設備出現故障，甚至帶來嚴重的人身安全風險或經濟損失。
1.2 嵌入式系統自身特點帶來的防護難點
資源受限
大多數嵌入式平臺僅有幾百 KB 至幾 MB 的內存、有限的存儲空間和較低的 CPU 頻率，常見的防火墻、殺毒軟件或入侵檢測系統無法直接移植，需要針對嵌入式環境進行輕量化改造。
多種硬件架構并存
從純 MCU（Microcontroller Unit）到具備 Linux 或 RTOS（Real-Time Operating System）內核的復雜 SoC（System on Chip），不同架構的芯片在底層啟動流程、加密模塊支持、調試接口管理等方面存在巨大差異，導致安全方案的可復用性和一致性難以保證。
部署環境多樣且分布廣泛
嵌入式設備往往部署在無人值守、遠程或半公開的場所，例如室外物聯網傳感器、物流倉儲中的自動化設備等，物理防護難度大，一旦設備被非法獲取，攻擊者就可以通過多種手段發起深度攻擊。
生命周期長但更新難度大
嵌入式硬件從研發到退出市場往往跨越數年甚至十年以上，而廠商往往在產品設計之初并未充分考慮“安全更新”能力。一旦設備投入到真實環境后，很難再向大量已經部署的裝置推送修復補丁，使得漏洞長期存在并持續被利用。
2. 嵌入式系統網絡安全常見威脅
在制定防護策略之前，需要首先了解嵌入式設備最容易受到的攻擊手段和薄弱環節。下面列舉幾類常見威脅及其背后的核心原因。
2.1 固件篡改與后門植入
威脅描述
嵌入式設備的主控程序（固件）通常存儲在閃存芯片中。如果攻擊者能夠繞過啟動鏈驗證或破解固件簽名，就有可能直接將惡意固件寫入設備。一旦啟動后門固件就會在系統底層悄然運行，攔截或篡改設備與云平臺、其他節點之間的數據流，甚至持續向關鍵系統滲透。
核心原因
廠商在設計階段未啟用硬件安全啟動（Secure Boot）或加密加載機制。
固件簽名與驗證機制不完善，私鑰管理松散。
產品出廠后缺乏持續的固件更新與補丁推送能力。
2.2 通信鏈路被動竊聽與主動篡改
威脅描述
嵌入式設備常以 Wi-Fi、藍牙、Zigbee、LoRa、NB-IoT 等無線方式連接網絡或與云端交互。當通信內容以明文形式傳輸，或者加密算法和密鑰管理不當，就會被中間人（MITM）動手動腳。攻擊者可截獲傳感器數據、下發偽造命令，導致異常操作或信息泄露。
核心原因
由于 MCU 資源有限，開發者在選型時忽略了高效的加密算法，往往采用簡單 MD5、DES 或弱口令加密。
初次配網時使用明文廣播 SSID、密碼或未及時關閉調試模式中的明文日志。
欠缺證書機制或 PKI 基礎設施，導致設備之間相互認證困難。
2.3 調試接口與底層訪問漏洞
威脅描述
JTAG、SWD、UART、SPI 等調試或串口接口在開發調試過程中非常方便，但如果在量產或部署時沒有關閉或加固，就會成為攻擊者直接接觸芯片內部、讀取密鑰或繞過系統安全機制的入口。物理接觸后，可一步步獲得設備控制權。
核心原因
在開發過程中默認開放所有調試接口，缺乏嚴格的量產安全策略。
廠商對硬件安全加固成本考慮不足，沒有對調試口進行硬件屏蔽、密碼保護或拆卸檢測設計。
部分設備從設計到出貨周期過短，沒來得及做安全回顧與漏洞修復。
2.4 固件與應用級漏洞
威脅描述
嵌入式設備運行的操作系統（如 Linux、RTOS）和應用程序若存在緩沖區溢出、命令注入、路徑遍歷等漏洞，就可能被遠程攻擊者利用。一個細微的輸入校驗錯誤，就可能導致遠程任意代碼執行、拒絕服務（DoS）或權限提升，嚴重時可在設備中植入僵尸網絡程序。
核心原因
嵌入式開發人員重功能實現、輕安全編碼，對邊界檢查、輸入過濾缺乏完整的意識。
部分第三方庫或中間件未經安全審計就直接移植，隱藏未知風險。
OTA 更新機制不完善，一旦發現漏洞難以及時下發安全補丁。
2.5 側信道與硬件攻擊
威脅描述
側信道攻擊（Side-channel Attack）通過功耗分析、電磁泄露、時序差異等手段，反向推測嵌入式芯片內部執行邏輯，以竊取密鑰或私有數據。更直接的硬件攻擊（如故意短路、硬件篡改）也可能破壞安全模塊，導致內部加密機制失效。
核心原因
部分低成本 MCU/SoC 本身不具備抗側信道設計或硬件加密模塊。
設計階段沒有考慮屏蔽、去耦或隨機化措施，導致芯片運行時信號泄露較為明顯。
產品生命周期長、部署環境開放，容易被有動機的攻擊者物理拆解與分析。
3. 硬件層面的安全防護要點
硬件是嵌入式系統的第一道防線，若從源頭上沒有做好安全加固，后續任何軟件措施都可能形同虛設。以下是硬件層面應重點關注的幾個方面。
3.1 啟用安全啟動（Secure Boot）
原理概述
安全啟動是一種鏈式信任機制：芯片上電后首先運行 ROM 中的引導程序（Boot ROM），它負責校驗下一階段的 Bootloader 是否經過廠商私鑰簽名；只有通過驗證，才會將控制權交給 Bootloader，然后 Bootloader 繼續校驗主固件。如此層層簽名與校驗，確保設備只能加載官方、未被篡改的固件。
實施要點
私鑰管理：廠家在生產階段需在安全環境中生成密鑰對，嚴格保管私鑰，并將公鑰燒錄到芯片的只讀存儲區或安全存儲模塊。
簽名工具鏈：建立標準化的簽名流程，包括交叉編譯器、簽名腳本、版本控制，避免人工操作錯誤。
生產測試流程：在量產時確保 Boot ROM、Bootloader、主固件都按照既定簽名策略進行校驗，并對不合格品及時剔除。
3.2 硬件加密模塊與密鑰隔離
原理概述
現代 SoC 通常具備硬件加密加速器（AES、RSA、ECC 等）、隨機數發生器（TRNG）和安全存儲單元（Secure Element 或 TEE）。通過將敏感密鑰存儲在硬件隔離區，并在硬件模塊內完成加解密運算，杜絕私有密鑰被軟件層面提取。
實施要點
選型評估：在芯片選型階段就要關注是否具備硬件安全模塊，如 ARM TrustZone、Secure Element、硬件隨機數發生器等，以及它們的抗側信道能力。
隔離設計：合理規劃 SoC 內的安全域，將固件簽名驗證、密鑰存儲放入受硬件保護的區域，外部應用只能通過受控 API 訪問。
生命周期管理：定期更換密鑰、支持遠程密鑰更新，同時具備本地擦除功能，一旦設備被判定為泄露或被盜，可遠程觸發清除或自毀程序。
3.3 關閉或加固調試/編程接口
原理概述
調試接口（如 JTAG、SWD、UART）本質上是開發過程中觀察設備內部狀態與加載代碼的渠道。若在出廠后沒有完全關閉或進行密碼保護，就可能被攻擊者輕易利用。
實施要點
量產階段禁用：在 Final Production 之前，通過設置芯片控制寄存器或在 PCB 設計時物理屏蔽，徹底關閉調試口。
密碼保護與有限訪問：如果需要保留調試口用于后期維護，可使用芯片提供的密碼保護功能，確保未經授權的人員無法通過調試器直接進入芯片內部。
物理封裝保護：對于高安全場景，可以在外殼上增加封條，一旦拆解即觸發安全警報，也可在 PCB 層面做“拆解檢測”設計，觸發后自動擦除敏感信息。
3.4 針對側信道攻擊的硬件防御
原理概述
側信道攻擊通過對芯片運行時的功耗、電磁、時序等信息進行分析，推測設備內部執行的算法或正在使用的密鑰。防御策略主要包括隨機化運算時序、屏蔽物理信號以及加入干擾。
實施要點
去耦與濾波設計：在芯片周圍布局足夠的去耦電容，降低功耗突變；增加 EMI（電磁干擾）濾波元件，減弱芯片電磁信號泄露。
隨機化時序或掩碼：在加密運算中加入隨機延遲或隨機掩碼，擾亂旁路攻擊者對功耗與時序波形的準確分析。
硬件屏蔽罩：針對高價值場景，可在關鍵芯片周圍添加金屬屏蔽罩，阻隔電磁信號泄露，并配合封裝膠進行封裝。
4. 固件與軟件層面的安全加固
硬件只提供了安全模塊與隔離環境，但最終的安全效果取決于固件與軟件層面的實現。以下幾部分內容需要全程貫穿在開發、測試與發布的每個階段。
4.1 安全編碼規范與靜態分析
原理概述
嵌入式系統中常用 C/C++、匯編等語言開發，若編碼不規范，極易引發緩沖區溢出、空指針解引用、堆棧溢出等漏洞。靜態分析工具可以在編譯前掃描源代碼，及時發現常見的編碼錯誤與潛在安全風險。
實施要點
建立安全編碼規范：參考 MISRA-C、CERT-C 等行業標準，明確內存分配、指針使用、字符串操作等方面必須遵循的規范。
集成靜態分析工具：將 Coverity、Cppcheck、Flawfinder 等開源或商業工具集成到編譯流程，設置必要的閾值，對高風險警告絕不放行。
代碼審查與培訓：定期組織代碼審查會議，由資深開發或安全專家對關鍵模塊進行走查，并對團隊成員進行安全編碼培訓，提升整體安全意識。
4.2 動態測試與模糊測試（Fuzzing）
原理概述
靜態分析雖可發現多種編程漏洞，但對于運行時邏輯缺陷、接口解析漏洞等效果有限。模糊測試通過向處理函數發送隨機、畸形或惡意構造的數據，模擬攻擊場景，觀察系統崩潰、異常處理機制，從而暴露嚴重漏洞。
實施要點
選取測試目標模塊：對于嵌入式設備而言，模糊測試重點應放在通信協議解析（如 MQTT、CoAP、HTTP）、文件系統接口、中斷處理函數等關鍵路徑。
搭建自動化測試環境：采用 LibFuzzer、AFL、Peach Fuzzer 等工具，對可在 PC 上運行的相關算法庫或模擬環境代碼先行進行模糊，這樣既降低了測試成本，也能捕獲早期漏洞。
結合硬件在環測試（HIL）：針對真正運行在 MCU/SoC 上的固件，設計專門的 HIL 測試板，通過 JTAG/SWD 與 PC 建立通信通道，實現對固件的動態監控與異常捕獲。
4.3 完善固件更新與補丁機制
原理概述
一旦發現安全漏洞，及時更新固件至關重要。但嵌入式系統常因網絡不穩定、帶寬受限或功耗考量，不能直接全文更新；同時還要保證在更新過程中不會被中間人篡改或設備陷入不可用狀態。
實施要點
固件簽名與校驗：每次下發固件前，都需要使用私鑰進行數字簽名，并在設備端通過公鑰進行驗證，確保下載的固件完整且來源可信。
差分更新與斷點續傳：將固件拆分為多個差分包，只更新修改的部分，減少下載大小；引入斷點續傳功能，當網絡中斷時可從斷點繼續，避免下載失敗導致設備損壞。
回滾與雙分區設計：將閃存劃分為 A/B 兩個分區，當前運行分區（A）與備用分區（B）交替使用。在更新前寫入備用分區并驗證通過后，再切換啟動；若更新失敗，可自動回滾到原有分區，保證設備隨時可用。
4.4 應用層安全策略與訪問控制
原理概述
即便操作系統本身已打補丁、基礎庫也盡量少用存在漏洞的版本，應用層面若沒有做好授權與身份驗證，同樣可能被輕易繞過。通過細致的訪問控制列表（ACL）、最小權限原則以及輸入輸出邊界檢查，才能進一步提高安全性。
實施要點
身份驗證與會話管理：對于具備人機交互界面的嵌入式設備（如智能網關、工業人機界面），要采用雙因素或基于證書的驗證；會話超時后強制登出，防止長時間忘記登出被他人操作。
最小權限原則：將各個功能模塊劃分不同權限等級，重要操作（如固件升級、系統參數修改）需要更高權限甚至二次確認。
輸入/輸出邊界檢查：所有外部數據都必須經過嚴格校驗，例如字符編碼合法性、數據長度、非法字符過濾；對文件路徑、網絡地址等都要進行白名單或正則表達式校驗，防止路徑遍歷與注入攻擊。
5. 通信協議與網絡層面的安全設計
嵌入式設備往往需要與云平臺或其他節點進行雙向通信，通信鏈路的安全直接決定了設備是否會成為攻擊者的突破口。以下介紹幾個關鍵方面。
5.1 端到端加密與安全協議選擇
原理概述
端到端加密（E2EE）能夠確保只有通信兩端可見明文內容。常見方案包括使用 TLS/SSL、DTLS（針對 UDP 場景）以及輕量級加密協議（如 TinyTLS、wolfSSL、mbedTLS）。基于公鑰/私鑰的非對稱加密，用于身份驗證與密鑰交換；對稱加密則用于高效的數據傳輸。
實施要點
證書簽發與管理：自行搭建輕量級 CA 環境，為每臺設備生成唯一證書；在設備首次啟動時自動完成私鑰生成與 CSR（證書簽名請求）上傳。
TLS/DTLS 參數優化：針對嵌入式場景優化握手流程，啟用 ECDHE-ECDSA 算法套件，平衡安全性與性能；必要時可采用預共享密鑰（PSK）方式減少握手開銷。
密鑰輪換與時效管理：定期輪換對稱密鑰和證書，并在空閑時間段自動刷新，防止長期使用單一密鑰被側信道或破解。
5.2 設備身份認證與訪問控制
原理概述
單純依賴 IP+端口的安全邊界在物聯網場景中常常不夠可靠。通過硬件唯一標識（如芯片 ID、MAC 地址）結合數字證書或預共享密鑰（PSK），可以確保只有經過授權的設備才能連接到云平臺或局域網中的其他設備。
實施要點
雙向 TLS 驗證：客戶端與服務器都需提供證書并相互驗證，避免未授權終端接入。
訪問控制列表（ACL）策略：在網關或中心服務器對不同設備進行細粒度授權，限制其可訪問的資源與操作；例如溫濕度傳感器只能上報數據、智能開關只能接受本地局域網內的控制命令。
身份異常檢測：在云端搭建設備身份管理系統，一旦檢測到相同設備 ID 在不同地理位置短時間重復登錄或出現非法證書登錄，即觸發告警并暫停該設備服務。
5.3 最小化開放端口與服務
原理概述
類 Unix 的嵌入式 Linux 平臺容易運行多種網絡服務，如 SSH、Telnet、HTTP 服務器、FTP 等。每新增一項服務，就會增加潛在的攻擊面。精簡系統只保留最必要的功能與端口，是降低被掃描與入侵風險的基礎做法。
實施要點
定制緊湊型操作系統：通過 Yocto、Buildroot 等工具構建只包含必要組件的系統鏡像，將多余的模塊和服務剔除。
定期端口掃描與安全審計：在部署前和上線后都要使用 nmap 等工具進行端口掃描，確認開放端口符合設計預期；對潛在高危服務（如 Telnet）一律摒棄。
輕量級防火墻策略：在內核中啟用 nftables/iptables，只允許特定 IP 段或認證設備訪問關鍵端口，禁止一切不明流量。
6. 部署與運維階段的安全保障
設備上架到生產網絡后，還需要持續監控與管理，確保在發現風險時能夠快速響應、定位并修復。以下關注運維階段的幾項要點。
6.1 安全日志與集中審計
原理概述
嵌入式設備本身的存儲空間有限，但關鍵操作（如登錄、固件升級、網絡異常）產生的日志需要保留并定期上傳至云端或集中日志服務器（如 ELK、Splunk）進行分析。通過日志審計可以及時發現異常行為，提前預警安全事件。
實施要點
日志采集策略：在設備端配置環形日志緩沖區，只保留最近若干條日志；當日志條數或體積達到閾值時，自動觸發上傳或覆蓋最老日志。
日志傳輸加密與壓縮：由于網絡帶寬有限，先對日志內容進行壓縮，再使用 TLS/DTLS 或自定義輕量協議加密后傳輸，防止傳輸過程中被截獲篡改。
集中審計與告警：在云端部署日志分析引擎，對日志進行實時索引、一致性校驗，并配置告警規則（如短時間內多次登錄失敗、未經授權的配置修改），一旦觸發立即通知運維人員。
6.2 遠程管理與設備健康監測
原理概述
嵌入式設備分布廣泛，人工巡檢成本高，并且一旦出現問題往往難及早發現。通過遠程管理平臺對設備狀態進行心跳檢測、資源監測、固件版本監控，可在異常出現時及時定位并響應。
實施要點
心跳與健康檢查：設備定期向云端上報心跳包，包含 CPU/內存使用率、溫度、電量等關鍵指標，當指標異常或心跳中斷時觸發告警。
遠程命令與交互：通過加密通道發送遠程命令，如配置修改、日志下載、系統重啟、故障診斷等操作，并要求操作需雙人確認或二次驗證，防止單點誤操作。
設備分級管理：按照設備重要性或場景不同，將其劃分為生產環境、測試環境、開發環境等不同權限等級，避免生產設備與測試設備通道互通導致風險擴散。
6.3 零信任與網絡微分段
原理概述
傳統的網絡邊界安全思路在物聯網時代不再適用，零信任（Zero Trust）強調“永不信任、始終驗證”，要求對每次訪問都做嚴格驗證與最小權限控制。微分段（Micro-Segmentation）進一步將網絡劃分為更細的安全區域，避免單一設備被攻破后導致整網癱瘓。
實施要點
動態訪問策略：結合設備身份、訪問內容、時段、地理位置等多維度策略，實時評估訪問請求是否可信，并動態下發訪問策略。
網關或邊緣防火墻部署：在網絡邊緣或關鍵鏈路處部署輕量級邊緣防火墻，針對不同分組進行策略隔離，限制不必要的設備之間的直接訪問。
定期權限審核：對所有設備、服務賬號進行定期梳理與審計，及時剔除已退役設備、長期無活動設備或過期證書，避免被攻擊者趁機利用。
7. 全生命周期安全管理與最佳實踐
嵌入式系統安全并非只在設計和發布時做好，而是需要貫穿需求、設計、開發、測試、部署、運維、退役整個生命周期。以下是幾條通用的最佳實踐，可以幫助團隊構建持續有效的安全體系。
7.1 安全需求梳理與威脅建模
在項目初期，與產品、硬件、軟件團隊一起梳理場景與威脅，對潛在攻擊方式進行建模（如 STRIDE、DREAD），形成清晰的安全需求文檔。
在需求評審階段，引入安全專家，共同制定“安全里程碑”，如硬件安全模塊選型、Bootloader 簽名支持、通信加密機制等。
7.2 安全培訓與意識建設
定期組織全員安全培訓，包括硬件安全、嵌入式安全編碼規范、常見漏洞及防御手段等，確保每個成員都具備基本安全意識
模擬真實攻擊場景（如紅隊滲透演練、物理側信道演示），讓團隊直觀感受安全威脅，從而更主動地在設計與開發中防患未然。
7.3 持續監控與安全運營
建立專門的安全運營團隊（Security Operations Center，SOC），負責全天候監控日志、安全告警與威脅情報，及時響應各類安全事件。
定期檢查固件與軟件組件的版本，對已知 CVE（Common Vulnerabilities and Exposures）進行梳理與補丁更新，確保系統不被已知漏洞所侵害。
7.4 第三方安全評估與滲透測試
在關鍵項目或大規模商用前，委托第三方安全團隊進行專業評估，模擬真實攻擊場景，找出潛在漏洞與弱點，并根據評估報告及時修復。
在產品退役或換代時，確保原有設備被安全銷毀或隔離，防止過期設備被惡意回收并進行反向工程。
7.5 文檔化與知識沉淀
對每一次安全設計決策、漏洞修復過程、應急響應措施都要進行文檔化，形成可復用的案例庫與經驗庫。
通過定期“攻防對抗”總結會、技術分享會，將團隊經驗沉淀下來，建立安全最佳實踐手冊，為后續項目提供參考。
8. 總結
嵌入式系統網絡安全既是一門深奧的學問，也是一項需要跨硬件、軟件、網絡和運維多學科協同的系統工程。硬件安全啟動、加密模塊與密鑰管理、調試接口加固等從底層保障了設備根基；安全編碼、靜態分析、模糊測試與 OTA 更新等軟件層面措施進一步完善；通信協議加密、身份認證、網絡分段與零信任思路確保數據在傳輸途徑中的安全；部署與運維階段的日志審計、遠程管理與持續監控，則使得設備在真實場景中具備快速響應與風險自愈能力。只有將這些防護要點融入到嵌入式產品的全生命周期中，才能真正構建起堅不可摧的安全壁壘。
面對日益復雜的網絡威脅，嵌入式開發者與工程師需要不斷提升安全意識，持續關注最新攻擊手法與防御技術。本文所列舉的要點，是基于當前主流實踐與思路整理而成，可作為入門參考和思路引導。在具體落地過程中，需要結合項目自身的資源限制、應用場景與風險評估結果，進行取舍與優化，最終形成一套既高效又可靠的安全解決方案，為技術應用與用戶體驗保駕護航。
