最近对企业级应用程序中关键任务边缘计算系统的高调入侵表明，黑客在试图避免检测方面变得越来越聪明和复杂。由于 IT 安全性和可见性工作仍主要集中在应用层堆栈的更高部分，不良行为者正在寻求在固件级别进一步破坏堆栈中的系统。随着这种威胁环境的发展，防御这些入侵变得越来越紧迫，尽管具体如何做到这一点仍然经常被忽视。然而，在为固件入侵提出解决方案之前，了解它们发生的原因和方式以及攻击者的近期和长期目标是很重要的。

面临计算平台的持续威胁环境

企业中的边缘计算平台是网络犯罪分子的主要目标。然而，企业已经意识到他们的漏洞，并引入了一系列安全软件来防止和检测攻击。这些解决方案中有很大一部分仅在堆栈顶部的应用程序级别上运行。聪明的黑客已经意识到，如果他们在固件级别进入应用层下方的系统，他们就可以避免软件和操作系统安全性的检测。
因为破解固件需要更高的难度，所以它不像堆栈中的更高层那样受到良好的监控和防御。固件，甚至更大程度上的硬件，也不像软件那样容易修补或更新，而且成本更高。一旦进入固件，黑客就可以禁用远程固件更新，从而无法远程修复，因此需要能够物理访问固件的技术人员的服务，通常需要完全关闭和现场访问，这对于大规模部署。这个过程意味着修复固件或硬件中的零日攻击可能非常耗时，使有问题的系统比软件漏洞更容易受到攻击。这些因素导致来自国家资助的行为者和规模较小、资源较少但仍然危险的私人团体的固件攻击频率上升。

固件攻击的目标

缺乏成比例的防御和可见性工具、修补难度的增加以及更高价值的数据和损害都导致了黑客固件攻击的激增。美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的 国家漏洞数据库 (NVD) 显示，自 2018 年以来，针对固件的攻击增加了 500%，而来自微软新报告的调查数据显示，83% 的企业 IT 决策者已经将其系统在过去两年中遭受了固件攻击，但只有 29% 的平均安全预算专门用于保护固件级别。这是不可持续的：Gartner 的一份报告预测，“到 2022 年，70% 没有制定固件升级计划的组织将因固件漏洞而遭到破坏。”

“……从软件堆栈中发现固件或硬件恶意软件几乎是不可能的。”
虽然增加固件保护支出对于几乎所有组织来说都是朝着正确方向迈出的明显一步，但有关固件面临的威胁的性质和目标的教育是另一种谨慎的做法。攻击者想做什么？

为了回答第一个问题，黑客在执行固件攻击时会尝试实现几个目标。第一个涉及通过将恶意软件绑定到给定设备或系统的硬件而不是其软件来建立持久性，以便在系统重新启动后幸免于难。在许多情况下，获得持久性的入侵甚至可以在操作系统格式和恢复尝试中存活下来。隐身是下一个目标，因为从软件堆栈中发现固件或硬件恶意软件几乎是不可能的。

从这个位置，黑客基本上已经建立了最终的平台拆迁向量。大多数固件或硬件恶意软件代码与操作系统无关，因此通过隐身和特权保护，攻击者有能力完全破坏平台到需要物理更换的程度。然而，破坏可能不是最终目标，因为攻击者可以利用破坏威胁来强制支付赎金或在暗网上出售数据。近年来发生的几起备受瞩目的入侵事件都采取了这种形式，因为黑客不会试图获取、破坏或利用数据，而是简单地将其发布给公众，就像2018 年喜达屋黑客事件、2019 年 Facebook 黑客事件一样，以及2021 年的 LinkedIn 数据泄露事件。

固件攻击如何工作？

固件攻击可以选择多种向量，因为计算系统中几乎每个组件都依赖固件。系统引导固件是自启动以来加载并保留在内存中的第一件事，在运行期间使用系统管理模式 (SMM) 固件以允许独立的低级操作，基板管理控制器 (BMC) 启用带外服务器管理，和网卡 (RDMA)、USB、HDD 和 SSD 都包含固件。黑客如何突破这些攻击面？通常通过几种方式之一，从软件层向下，从硬件层向上，直接通过网络，或通过物理访问系统。

从软件级别开始的固件攻击可能会通过任何数量的常见策略（如网络钓鱼）进入，并通过利用固件更新代理无法要求签名更新等漏洞向下发展到固件级别。另一种方法是使用像 CHIPSEC 这样的合法审计工具来映射固件问题，然后可以利用这些问题。
从硬件向上走则相反。一个值得注意的变化是在部署前或部署后破坏供应链中的设备。近年来，这种方法获得了动力，因为跟踪整个供应链并在完全安全的范围内验证每个组件极其困难。如果没有足够的跟踪、可见性和验证，漏洞必然会出现。其他硬件方法涉及破坏 USB 设备，然后以物理方式或数字方式将其插入系统端点。一个“邪恶女佣”攻击是另一种战术。此方法需要对设备进行物理访问，以便攻击者可以从软件、固件和硬件级别进行攻击以破坏系统。

另一种策略是在固件组件直接连接到互联网时直接通过系统网络进行攻击，这通常是因为易受攻击的组件被配置为允许带外更新。无论攻击媒介是什么，无论攻击看起来多么简单或复杂，事实是企业级应用程序中边缘计算系统面临的威胁形势是可怕的。物联网基础设施开发人员和 IT 安全人员可能想知道从哪里开始。答案在开机时。

安全必须从硬件信任根开始

为了保护系统免受更加雄心勃勃和更有创意的攻击者的侵害，需要一个信任根 (RoT) 作为一个实体来检查堆栈的每一层，从硬件启动到固件加载、操作系统运行时直到正在运行的应用程序，贯穿整个堆栈。在此协议下，每个硬件和固件组件都必须通过对绝对值得信赖的 RoT 的检查进行身份验证和授权。计算组件以这种方式值得信赖的唯一方法是它是不可变的，这种条件消除了任何类型的软件解决方案作为选项。因此需要硬件解决方案，通常涉及存储与设备所有者直接关联的加密密钥，设备所有者在机器的硅中而不是在隔离实施的软件中提供密钥。
可信平台模块 (TPM) 与计算系统的处理器分离，充当一种黑匣子，攻击者将难以访问甚至查看它，被分配用于保存诸如密钥、凭据和敏感数据等有价值的资产，同时仅拥有低级操作。与容易受到反复试验攻击的基于处理器的系统不同，黑客尝试各种技术来收集有关系统防御的信息，TPM 对潜在入侵者的可见性非常小。然而，TPM 还不够安全，而且已经证明它们使用起来很复杂。

也就是说，隔离实现的想法走在正确的轨道上。专用安全处理器会创建一个无法从 CPU 访问的信任锚。信任链可以从那里扩展。安全防御与攻击者保持隔离，从而为安全应用程序创造架构优势，防止攻击者禁用或逃避防御。通过在硬件中生成密钥和加密数据，黑客无法从软件访问它们。

OCP 标准化和 FPGA 灵活性

开放计算项目提倡在其 RoT 规范的开放标准版本 1.0中使用硬件 RoT ，行业推动者和动摇者认为这对企业数据中心安全以及超大规模企业至关重要。到目前为止，超大规模企业不得不为固件保护构建自己的定制解决方案，但随着 RoT 的标准化，我们现在可以期待这项技术可用于所有数据中心。它甚至可能最终可用于消费类 PC，因为符合 OCP 的 RoT 甚至可以防止涉及物理闪存组件更换的攻击。

这个正式的规范具有双重重要性：除了防止固件持久性攻击外，它还帮助固件开发人员了解如何开发更安全、漏洞更少的固件，尽管这些知识可能难以实施。

在系统硬件或隔离的安全处理器上建立 RoT 的问题在于，按照设计，它们很难访问或影响。这使它们更安全地抵御不良行为者，但在发现新漏洞或需要新功能时使它们不那么灵活。这就是现场可编程门阵列 (FPGA) 可以发挥作用的地方。FPGA 是一种与处理器分离的半导体器件，可在制造后进行配置，这使程序员可以调整其更大系统的组件的结构方式，而不会产生大量的财务或时间负担，否则这些负担是必要的。

Xilinx 是一家知名的 FPGA 制造商，Kameleon 与它合作创建了一个主动安全处理单元 (ProSPU)。该 ProSPU 的工作方式与现有的无源解决方案不同，因为它在根和运行时保护系统，这是由赛灵思 FPGA 芯片实现的功能，这些芯片满足安全启动、远程证明和常见威胁范围的 OCP 标准。

结论

总而言之，企业和工业层面的边缘平台所有者需要意识到他们的系统非常脆弱——尤其是在固件层面。企业不能再依赖传统的保护方法。针对这一级别的攻击在严重性和复杂性方面不断升级，因此需要一个硬件信任根，它可用于验证和授权对任何堆栈级别的访问和更改，并且足够灵活以适应新的漏洞并使安全应用程序能够做他们的工作。该 RoT 需要能够从安全启动扩展到运行时——在不影响性能的情况下检测和预防事件和漏洞。
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