8、嵌入式系统安全：全面指令集扩展的探索与实践

嵌入式系统安全：全面指令集扩展的探索与实践

1. 引言

随着物联网（IoT）的广泛发展，嵌入式设备的需求持续增长。然而，嵌入式系统在安全相关设备中的广泛应用也增加了遭受攻击的可能性。攻击者可通过物理访问对数字设备和安全关键系统进行实施攻击，如侧信道分析（SCA）、故障注入攻击（FIA）等，同时软件层面的攻击也不容忽视。过去几十年，针对这些威胁的对策大多孤立研究，而嵌入式系统需综合防御策略。

我们的目标是设计一种专注于RISC - V的指令集扩展，以同时抵御软件利用和故障攻击，并尽量减少性能影响。具体贡献如下：
- 系统分析 ：仔细分析针对指令故障攻击和内存损坏漏洞的硬件加速防御技术，找出能最大化安全保障且最小化性能影响的防御组合。
- 新型硬件扩展 ：基于系统分析，为RISC - V设计新型指令集扩展，利用抗故障防御实现基本块指令流完整性，进而实现基于标签的控制流完整性（CFI）防御和指针保护，以抵御多种攻击。
- 评估 ：使用gem5模拟器和MiBench2基准测试套件评估方案，与现有工作相比，内存开销降低39%，但性能开销高81%。

2. 技术背景

嵌入式系统面临的主要攻击向量有软件攻击和故障攻击两类。
- 代码注入与重用攻击 ：嵌入式系统资源和功能受限，C和C++语言缺乏内存安全特性，易导致缓冲区溢出等代码注入攻击。不过，现代嵌入式CPU有基本内存保护，限制了代码注入，攻击者更多转向代码重用攻击，如基于返回导向编程（ROP）的利用。
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