Por qué la seguridad integral es importante para los sistemas embebidos

Los sistemas embebidos son el motor de gran parte de la tecnología moderna. Desde el control de crucero adaptativo de su coche hasta el wifi de su frigorífico inteligente. Con el aumento de los ciberataques, proteger estos sistemas se ha vuelto fundamental.

Los dispositivos embebidos son objetivos principales para los piratas informáticos, ya que un ataque exitoso puede dar a los intrusos acceso a los datos que estos producen, reciben y procesan. Esto a menudo puede tener graves consecuencias para el sistema general que depende del dispositivo embebido. Por ejemplo, apagar un dispositivo embebido dentro de un caza F-15, que recopila datos de varias cámaras y sensores, puede obstaculizar significativamente las defensas del avión.

Hemos redactado este artículo para cubrir todo lo que necesita para empezar a desarrollar sistemas embebidos seguros. Esto es lo que incluye:

• ¿Qué es la seguridad embebida?
• Desafíos al implementar seguridad embebida.
• ¿Qué hace que un sistema embebido sea "seguro"?
• Por qué la seguridad de extremo a extremo es importante en un ecosistema embebido.
• Algunas herramientas de seguridad embebida.
• ¿Qué les falta a las soluciones embebidas típicas?
• El futuro de la seguridad embebida.

¿Qué es la seguridad embebida?

La seguridad embebida proporciona las herramientas, los procesos y las mejores prácticas para proteger el software y el hardware de los dispositivos embebidos.

Debido a que los módulos de hardware de los sistemas embebidos son pequeños, tienen diversas limitaciones de memoria y almacenamiento. Por lo tanto, incorporar medidas de seguridad en ellos se convierte en un desafío de diseño enorme. Sin embargo, por difícil que sea, es una necesidad imperiosa hoy en día.

Muchos de los dispositivos y máquinas que funcionan con sistemas embebidos también están conectados a Internet. Esto significa que los piratas informáticos pueden obtener acceso no autorizado a ellos y ejecutar cualquier código malicioso.

Un hackeo en un dispositivo embebido a menudo puede extenderse a otros componentes conectados o inutilizar todo el sistema. Por ejemplo, supongamos que un atacante logra tomar el control de un dispositivo embebido que permite a los conductores poner su coche en piloto automático. El hacker podría desviar el coche fuera de la carretera o hacia el tráfico, causando potencialmente daños graves.

Desafíos críticos de seguridad en sistemas embebidos

La seguridad de los sistemas embebidos no recibe la atención que merece. Estas son algunas de las razones:

1. Falta de concienciación de los desarrolladores:

Los desarrolladores suelen desconocer las mejores prácticas para desarrollar dispositivos embebidos seguros. Esto se debe en parte al punto n.º 2 y en parte a que las aplicaciones embebidas son mucho más complicadas que las aplicaciones de software tradicionales. Comprender sus implicaciones de seguridad y escribir código seguro y eficiente para todos los casos de uso, y además en un entorno de microcomputadora restringido, puede ser un desafío.

2. Falta de estandarización:

Existe una falta de estándares de ciberseguridad para los sistemas embebidos, aunque la industria automotriz está tratando de cambiar eso lentamente. En los últimos años, los investigadores han publicado bastantes documentos que abordan las consideraciones de ciberseguridad para vehículos inteligentes. Algunos notables son SAE J3061, "Guía de ciberseguridad para sistemas ciberfísicos de vehículos": y el Reglamento UNECE WP.29 sobre ciberseguridad y procesos de actualización de software.

3. Uso de componentes de terceros

Muchos dispositivos integrados requieren componentes de hardware y software de terceros para funcionar. A menudo, estos componentes se utilizan sin haber sido probados para detectar fallos de seguridad o vulnerabilidades.

4. Software desactualizado

El firmware desactualizado suele estar lleno de errores y vulnerabilidades potencialmente explotables. Aunque puede resultar especialmente difícil actualizar periódicamente el firmware en un dispositivo integrado pequeño, no es algo que se pueda ignorar.

5. Conectividad directa a internet

Muchos sistemas y dispositivos integrados están conectados directamente a internet. Esto significa que carecen de la protección de los firewalls empresariales, capaces de detectar y prevenir ataques de red. Dado que los recursos son limitados, resulta muy difícil implementar niveles rigurosos de seguridad en un entorno tan restringido.

6. Ataques a gran escala

Los dispositivos integrados suelen producirse a gran escala. Esto significa que una sola vulnerabilidad o fallo puede afectar a millones de dispositivos, a veces en todo el mundo. Por lo tanto, contener el impacto de un ataque a un sistema integrado puede suponer un desafío enorme.

¿Qué hace que un sistema integrado sea seguro?

En las siguientes secciones, analizaremos algunas características de software y hardware de los sistemas integrados seguros.

Buenas prácticas de seguridad en hardware

Un sistema integrado seguro cuenta con:

• Un entorno de ejecución confiable

Un entorno de ejecución confiable (TEE, por sus siglas en inglés) permite el aislamiento a nivel de hardware de las operaciones críticas de seguridad. Por ejemplo, la autenticación de usuario puede ejecutarse en un área segregada, lo que permite una mejor protección de la información confidencial.

• Recursos de hardware debidamente particionados

Los diferentes componentes de hardware, como procesadores, caché, memoria e interfaces de red, deben estar debidamente segregados, proporcionando sus funciones de la manera más independiente posible. Esto ayuda a evitar que un error en un componente se propague a otros.

• Protección del espacio ejecutable (ESP)

La protección del espacio ejecutable, o ESP, es la práctica de marcar ciertas regiones de memoria como no ejecutables. Si alguien intenta ejecutar código dentro de estas regiones marcadas, se genera una excepción.

Buenas prácticas de seguridad en software

Se deben tener en cuenta las siguientes prácticas recomendadas al desarrollar software integrado:

• Utilizar arranque seguro:

Cuando un dispositivo embebido arranca, la imagen de arranque se verifica mediante algoritmos criptográficos. Esto garantiza que la secuencia de arranque sea correcta y que el software (firmware y cualquier otro dato relevante) no haya sido manipulado.

• Utilice un sistema operativo de microkernel

Un sistema operativo de microkernel es mucho más pequeño que uno tradicional, ya que contiene un subconjunto de sus funciones. El espacio del kernel es mínimo y gran parte de los servicios de usuario (como la gestión del sistema de archivos, etc.) se mantienen en un espacio separado, conocido como espacio de usuario. Dado que se ejecutan menos código y operaciones en el espacio del kernel, la superficie de ataque se reduce significativamente.

• Utilice aplicaciones de software correctamente empaquetadas

Todas las aplicaciones de software deben ser autónomas y estar correctamente empaquetadas. Por ejemplo, si una aplicación requiere una dependencia de terceros, no debe instalarse de forma global en el sistema operativo, sino que debe formar parte del paquete o contenedor de la aplicación.

• Valide todas las entradas

Cualquier dato recibido de fuentes externas o no confiables debe ser debidamente saneado y validado antes de ser transferido a componentes críticos de software o hardware.

Si una aplicación obtiene datos de una integración de API externa y modifica algún ajuste en función de ellos, los datos recibidos deben validarse rigurosamente antes de aplicar cualquier cambio.

• Proteja los datos en reposo:

Todo el software sensible, los datos, los archivos de configuración, las claves seguras y las contraseñas almacenadas en un dispositivo embebido deben estar protegidos. Esto suele hacerse mediante cifrado. Las claves privadas utilizadas para cifrar los datos deben almacenarse en hardware de seguridad dedicado y diseñado específicamente para este fin.

La pirámide de seguridad: seguridad integral para sistemas embebidos

Atrás quedaron los días en que la seguridad era una ocurrencia tardía o un requisito no funcional. Hoy en día, la seguridad debe ser intrínseca. Los dispositivos deben ser seguros desde su diseño. Por ello, es esencial implementar requisitos de seguridad integral en un entorno embebido. Esto significa pensar en la seguridad al elegir el hardware, al definir la arquitectura del sistema, al diseñar el sistema y, por supuesto, al escribir el código.

Empiece por el hardware

Por muy robusta que sea la seguridad de su software, si el hardware es deficiente, será vulnerable a ataques. Las técnicas de seguridad integradas en el chip permiten un arranque seguro y una gestión eficiente de las funciones criptográficas y los secretos. Algunos componentes de hardware también permiten que el sistema operativo ofrezca diversas funciones de seguridad, como la detección de anomalías en llamadas al sistema, el cifrado del sistema de archivos y políticas de control de acceso.

Un sistema tolerante a fallos

Existen numerosas razones para diseñar un sistema tolerante a fallos, y evitar los ataques de análisis diferencial de fallos es solo una de ellas. En este tipo de ataque, un posible atacante puede utilizar técnicas de inyección de fallos para intentar generar errores en un dispositivo embebido. Sin embargo, existen varias formas de detectar y protegerse contra dichos fallos:

• Replique las operaciones más críticas para que las diferentes salidas puedan compararse en cualquier momento y detectar la inyección de un fallo.
• Falle por defecto: al manejar múltiples condiciones (dentro de una instrucción If o un bloque switch), asegúrese siempre de fallar en el caso predeterminado, es decir, cuando no coincida ninguna otra opción.
• Introduzca un comportamiento aleatorio: añadir pequeños retrasos aleatorios antes de operaciones cruciales garantiza que su tiempo de ejecución nunca sea predecible. Esto es clave en la detección de intrusiones, ya que dificulta enormemente que los atacantes determinen patrones de operación y realicen ataques de temporización.
• Escudos protectores: los fabricantes deben utilizar blindajes para cubrir los componentes más críticos y protegerlos de manipulaciones externas.
• Detecte fluctuaciones anormales: supervise las fluctuaciones anormales de voltaje, corriente u otros valores y genere las excepciones correspondientes.

Proteja su aplicación... y su sistema operativo

Construir la defensa de su dispositivo a nivel de aplicación implica:

• Elegir componentes de software y hardware de terceros que sean fiables, estén probados y puedan actualizarse periódicamente.
• Capacitar a los desarrolladores en las mejores prácticas de seguridad para sistemas embebidos.
• Utilizar un sistema operativo de microkernel para garantizar que el número mínimo de operaciones se ejecute en el espacio del kernel.
• Monitorear y proteger contra ataques de software, incluidos virus, troyanos y malware.
• Eliminar todos los servicios innecesarios. Su firmware solo debe contener lo estrictamente necesario. Por ejemplo, si no necesita transferir archivos o capturar paquetes, puede deshabilitar los protocolos de transferencia de archivos y los paquetes de red como telnet.
• Utilizar protocolos seguros como SFTP, IPsec, SSL, TLS, SSH y DNSSEC.

Herramientas para la seguridad de sistemas embebidos

Esta es una lista no exhaustiva de herramientas que pueden ayudar a proteger los sistemas embebidos:

• Bus blaster: Una plataforma de depuración de alta velocidad que puede interactuar con puertos de depuración de hardware.
• Salae: Decodifica diversos protocolos como Serial, SPI e I2C, entre otros. Puede utilizar analizadores de protocolos creados por la comunidad o desarrollar los suyos propios.
• Hydrabus: Hardware multiherramienta de código abierto que puede utilizarse para depuración, hacking y/o pruebas de penetración en hardware embebido.
• Exploit: Un marco de trabajo de código abierto para pruebas de seguridad y explotación en el Internet de las cosas (IoT).
• FACT (The Firmware Analysis and Comparison Tool): Marco de trabajo utilizado para automatizar el análisis de seguridad del firmware.
• Routersploit: Un marco de trabajo de explotación de código abierto para dispositivos embebidos.
• Firmadyne: Sistema de código abierto para la emulación y el análisis dinámico de firmware embebido basado en Linux.

¿Dónde fallan las soluciones modernas de seguridad embebida?

Aunque existen diversas soluciones disponibles para depurar, explotar y realizar pruebas de penetración en sistemas embebidos, no se están utilizando de forma generalizada. Se pone mucho énfasis en la seguridad física del dispositivo, pero no se realizan suficientes esfuerzos para protegerlo contra ataques de software. Incluso los riesgos y vulnerabilidades de seguridad de aplicaciones más simples y evitables siguen siendo comunes en los dispositivos embebidos modernos.

Una razón importante es la falta de concienciación de los desarrolladores sobre la seguridad embebida. Según una encuesta realizada por Tripwire, el 68% de los profesionales de TI cree que su personal no es lo suficientemente consciente de las posibles vulnerabilidades.

Los desarrolladores desconocen aspectos como: qué protocolos de seguridad elegir, qué marcos de trabajo evitar, qué componentes de hardware segregar, cómo tratar los datos confidenciales y cómo determinar qué algoritmo de cifrado es el más seguro. Esta falta general de conocimientos y el desprecio por las mejores prácticas hacen que las aplicaciones que se ejecutan en dispositivos embebidos sean susceptibles de ser comprometidas.

El futuro de la seguridad embebida

Se está trabajando mucho en el mercado de la seguridad embebida. Los expertos estiman que la tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) del mercado podría alcanzar una cifra del 5,5% durante el periodo 2021-2026. Con el lanzamiento constante de nuevos dispositivos IoT, podemos esperar que se establezcan nuevos estándares de seguridad embebida.

La creciente adopción de dispositivos médicos vestibles también aumentará la demanda de soluciones de seguridad embebida fiables. Para que los dispositivos contengan y procesen datos médicos confidenciales, deben superar ciertas listas de verificación de seguridad, y esperamos que esto impulse a los proveedores e ingenieros a centrarse más en la seguridad.

En el futuro, es posible que contemos con soluciones que permitan la visibilidad, el monitoreo y el control remotos de los principales componentes de software y hardware en los dispositivos embebidos. Esto supondrá un verdadero punto de inflexión en el mundo de la seguridad de los sistemas embebidos.

Al fin y al cabo, las firmas digitales, el cifrado de datos, la incorporación de cortafuegos, la implementación de controles de acceso y la aleatorización de operaciones solo llegan hasta cierto punto. Para crear dispositivos verdaderamente seguros, es necesario formar a los desarrolladores en la escritura de código seguro. Identificar los posibles riesgos de seguridad y mitigarlos durante la fase de diseño de la aplicación contribuye en gran medida a hacer que los sistemas sean intrínsecamente seguros.

Cómo puede ayudar Secure Code Warrior

El producto estrella de Secure Code Warrior, su plataforma de aprendizaje, cuenta con numerosos desafíos interactivos, cursos y evaluaciones que pueden ayudar a formar a los desarrolladores para escribir código C/C++ seguro. El contenido de la plataforma es específico para cada marco de trabajo y muy atractivo. Nuestros desafíos de codificación C/C++:Embed se inspiraron en MISRA C, AUTOSAR C++ (MISRA C++) e IEC.

Los desarrolladores pueden embarcarse en rutas de aprendizaje personalizadas, donde identifican vulnerabilidades específicas de C/C++ y, lo que es más importante, aprenden a corregir esos errores. En este proceso, los desarrolladores pueden realizar un seguimiento de su progreso para identificar sus puntos débiles e incluso disfrutar de competiciones de programación amistosas con sus compañeros. Descubra más sobre cómo ayudamos a las industrias automotriz y de transporte con nuestras soluciones.

¿Quiere descubrir lo interactivos y centrados en sistemas embebidos que son nuestros desafíos? ¡Pruebe algunos desafíos de C/C++:Embed en la plataforma de aprendizaje hoy mismo!