27、科技设备安全与应用开发全解析

科技设备安全与应用开发全解析

1. 常见设备的使用与安全

• 智能设备
  • 带摄像头设备 ：放置带摄像头的设备时需留意位置。若使用类似设备，可通过语音指令“Alexa，关闭摄像头”来关闭摄像头。同时，为避免误触发或他人控制，可更改唤醒词。
  • 可穿戴技术 ：近年来，可穿戴技术的应用不断增加，如监测健康和运动表现、在手表上收发短信和接听电话等。部分设备（如Fitbit）采用加密技术，但使用蓝牙的设备存在安全隐患。
• 传感器 ：传感器可用于检测运动、系统故障预警或测量占用情况，它能检测运动和电力使用情况。
• 设施自动化 ：企业可利用物联网设备管理和保障环境安全，如智能建筑系统。然而，这些联网设备可能遭受网络攻击，攻击者可能篡改系统数据、发动拒绝服务攻击、进行选择性转发、窃听或实施中间人攻击。
• 实时操作系统（RTOS） ：RTOS比桌面或服务器更可靠，常用于实时应用，能即时处理数据，避免缓冲和缓冲区溢出。若任务未在规定时间内完成则会失败，常用于军事系统或生产中的机器人控制。
• 多功能打印机（MFPs） ：MFPs集打印、扫描、传真或复印等至少两种功能于一体。其弱点在于都有网络接口，易受攻击，因此必须更改默认设置和密码。
• 监控系统 ：监控系统可通过智能手机检查摄像头、与摄像头中的人对话、自动化控制灯光和设置警报。如今的监控系统多为联网设备，用于商业或家庭安全，其录像可作为法律证据。但它们可能遭受网络攻击，攻击者可能窃取其中信息，所以需立即更改默认用户名和密码。例如，在工作时收到监控系统警报，可查看门口情况、喊话并向警方发送录像；警方处理骚乱时，可利用车载摄像头实时记录并将画面传回控制中心。
• 片上系统（SoC） ：SoC是将计算机功能集成在微芯片上的集成电路，常用于生命支持设备。
• 暖通空调（HVAC） ：HVAC对数据中心的服务器机房和服务器农场至关重要，通过冷热通道调节温度，确保IT系统的可用性。若温度过高，关键系统可能故障，安全团队可根据HVAC系统使用记录判断办公室是否有人。

2. 专业设备介绍

• 医疗设备 ：包括医院用于测量患者输液量的输液设备，以及救护车上的除颤器等生命支持系统。除颤器安装有SoC，可指导使用，检测到脉搏时不会放电。
• 豪华车辆 ：部分豪华车辆配备嵌入式系统，可在车内创建无线热点，方便乘客上网；还有自动泊车功能。目前，谷歌等厂商正在进行自动驾驶汽车的试验。
• 无人机 ：近年来，无人机（UAV）备受关注。军事上可用于危险区域的监视，还可配备武器进行攻击。
• 智能电表 ：能显示用电量或燃气量，有助于降低能源费用。

3. 嵌入式系统

• Raspberry Pi ：信用卡大小的计算机，可运行Python或Scratch等编程语言，可连接显示器或计算机。
• 现场可编程门阵列（FPGA） ：接近自制芯片的设备，将代码存储在多个硬件块中，硬件块包含寄存器和逻辑单元。FPGA无预设功能，无处理器，灵活性高，每个块可编程执行单一功能，速度快，可用于构建超级计算机。例如，若自制微控制器处理能力不足难以更改，而在FPGA中构建处理器，有足够资源时可提升处理能力并实现特定功能。
• Arduino ：开源可编程微处理器/微控制器，可通过USB编程，能读取传感器输入、控制LED、发布在线内容或驱动电机等，可由9伏电池供电，用于控制电子元件。Arduino有扩展板，可添加无线或蓝牙功能以构建机器人。

4. 工业控制系统

• SCADA系统 ：自动化控制系统，用于水、石油、天然气精炼或工业制造设施等多阶段生产环境。其安全至关重要，需通过网络防火墙防止未经授权的访问，使用NIPS作为额外防护层，必要时可使用VLAN进行内部分段。例如，伊朗的铀浓缩设施曾遭受Stuxnet病毒攻击。
• 工业控制系统（ICS） ：涵盖多种用于工业过程控制的控制系统和仪器，用于水、电信、医疗、化工、制药、供水和处理等领域。

5. 通信方式

通信方式	特点	适用场景	问题
蜂窝网络	平板电脑和手机使用3G、4G或5G直接连接运营商，加密传输	无需额外设备的移动连接	附近无基站时无法工作
窄带	短距离无线应用	安全射频识别（RFID）或无钥匙车辆进入系统	距离受限
基带无线电	用于音频信号的射频传输	卡车司机通信	/
用户识别模块（SIM）卡	存储信息，实现与电信运营商的连接	移动设备通信	/
Zigbee	与微控制器和无线电集成，低功耗、低成本	智能家居系统	/

以下是通信方式选择的流程图：

graph LR
    A[选择通信方式] --> B{是否需要长距离连接}
    B -->|是| C[蜂窝网络]
    B -->|否| D{是否用于音频通信}
    D -->|是| E[基带无线电]
    D -->|否| F{是否用于安全系统}
    F -->|是| G[窄带]
    F -->|否| H{是否追求低功耗低成本}
    H -->|是| I[Zigbee]
    H -->|否| J[其他]

6. 嵌入式设备的限制

• 网络 ：嵌入式系统可扩展性差，部分只能通过Wi-Fi或蓝牙通信，且通信距离短，数据传输困难。
• 加密 ：公钥基础设施（PKI）至少需要32位处理器，而嵌入式设备多为8位或16位，认证时开销大且速度慢。
• 硬件升级/补丁 ：多数嵌入式设备无法进行硬件升级，部分设备无打补丁能力，甚至厂商不提供补丁。
• 范围 ：许多嵌入式系统通信范围短，难以扩展。
• 成本 ：嵌入式系统多为定制产品，新产品价格超出普通用户承受范围。
• 隐含信任 ：购买嵌入式系统时，需依赖产品宣传的功能，但可能难以进行故障排除。

7. 软件开发模型

软件开发主要有两种生命周期模型：
- 瀑布模型 ：一种较旧的模型，每个阶段完成后才进入下一阶段，呈级联式推进。
- 敏捷模型 ：较新、更快且更灵活，类似于Scrum。多个开发阶段可同时进行，以客户为中心，项目的每个部分称为一个“冲刺”，所有冲刺完成则项目结束。

8. 安全应用开发要点

在将应用投入生产环境前，需确保其安全性，以下是相关要点：
- 软件多样性 ：编译器将代码转换为二进制机器语言。软件多样性指开发者用编译器混淆代码，使攻击者难以逆向工程，从而发现代码漏洞。创建应用程序编程接口（API）时，混淆API方法可增加攻击难度。
- 弹性 ：根据需求增加资源的过程。云服务采用按需付费模式，可随时增加资源。
- 可扩展性 ：应用能在成本增加很少或不增加的情况下，接纳比原计划更多的用户。
- 环境 ：应用开发需经历多个环境阶段：
1. 开发 ：使用最安全的编程语言，可能有多个开发者参与。通过版本号跟踪应用的不同版本。
2. 测试 ：开发者将工作集成到单个应用中，软件测试人员确保程序功能符合规格。可聘请安全编码自由职业者进行回归测试，此时不考虑对生产环境的影响。
3. 预发布 ：在沙盒环境中用真实数据测试新应用，确保最终用户认为其符合用途，所有所需报告都可用。此阶段应用被认定为符合要求。
4. 生产 ：应用正式上线，最终用户可获得IT团队支持。若应用出现未提前发现的问题，用户需提供反馈。

以下是应用开发环境流程的表格：
|环境阶段|主要任务|
| ---- | ---- |
|开发|选择安全编程语言，多开发者协作，版本跟踪|
|测试|功能集成与测试，回归测试|
|预发布|真实数据测试，确保符合用途|
|生产|应用上线，用户反馈问题|

9. 自动化与脚本

自动化是指使用脚本或图形用户界面自动执行任务，减少人为错误。以下是软件开发生命周期中的自动化相关内容：
- 持续集成 ：多个软件开发人员合并和测试代码，确保不同输入代码不冲突，发生在开发和测试环境。
- 持续验证 ：测试应用是否符合用途和原始规格。
- 持续交付 ：在应用进入生产环境前修复漏洞，发生在预发布环境。
- 持续部署 ：向生产软件推送新更新，如打补丁。
- 持续监控 ：记录应用的故障，以便采取补救措施。
- 自动行动方案 ：例如，网络入侵检测系统（NIDS）检测威胁，网络入侵防御系统（NIPS）防止威胁发生。

10. 应用配置与完整性

• 配置与取消配置 ：应用配置是指设计、准备、创建和管理应用的生命周期，并在发布前确保安全无缺陷。取消配置则是应用生命周期结束时，移除应用并根据当地法规（如HIPAA、GDPR或1998年数据保护法）迁移或处理数据。
• 完整性测量 ：测量应用完整性，确保其按预期运行，符合数据行业标准和法规。开发前，第三方编码专家应进行回归测试，应用本身也需测试其功能和安全特性，发现异常及时处理。

11. 安全编码技术

• 竞态条件 ：不同线程的两条指令试图同时访问同一数据。开发者编写应用时，应使线程按顺序访问数据。例如，两人购买超级碗决赛门票，却被分配到同一座位。
• 正确的错误处理 ：开发IT系统时，返回给用户的错误信息应简短且通用，减少攻击者可用信息；但记录的错误信息应详细，以便安全管理员了解错误原因。
• 正确的输入验证 ：通过向导或网页控制输入验证，包括判断数据是否为字母、数字、特定格式（如邮政编码或电话号码）以及字符的最小和最大数量。若数据格式不正确，将不被接受，网页会在顶部以红色列出错误。这可防止SQL注入、整数溢出和缓冲区溢出攻击。
• 存储过程 ：预编写的SQL脚本，如查询过去7天内购买超过1000美元商品的所有客户。脚本编写后保存为存储过程，运行时攻击者无法修改脚本内容。
• 混淆/伪装 ：混淆是将源代码变得晦涩难懂，防止被盗用后被理解。例如，使用异或（XOR）操作或ROT 13（一种凯撒密码变体）混淆代码。

以下是安全编码技术的总结表格：
|安全编码技术|说明|示例|
| ---- | ---- | ---- |
|竞态条件|避免多线程同时访问同一数据|两人买同一场比赛同一座位的票|
|正确的错误处理|用户错误信息简短通用，记录信息详细|/|
|正确的输入验证|控制输入格式，防止攻击|网页输入验证提示错误|
|存储过程|预编写SQL脚本，防止修改|查询特定条件客户的脚本|
|混淆/伪装|混淆源代码，增加理解难度|XOR、ROT 13|

以下是安全编码技术应用的流程图：

graph LR
    A[编写代码] --> B{是否存在竞态条件}
    B -->|是| C[调整线程访问顺序]
    B -->|否| D{是否需要错误处理}
    D -->|是| E[设置简短通用错误信息和详细记录]
    D -->|否| F{是否有输入验证需求}
    F -->|是| G[设置输入验证规则]
    F -->|否| H{是否需要存储过程}
    H -->|是| I[编写存储过程]
    H -->|否| J{是否需要混淆代码}
    J -->|是| K[使用混淆技术]
    J -->|否| L[代码完成]
    C --> D
    E --> F
    G --> H
    I --> J
    K --> L

通过以上对各类科技设备的安全要点、应用开发的模型与流程以及安全编码技术的介绍，我们能更全面地了解科技领域的安全与应用开发知识，保障设备和应用的安全稳定运行。