Die Herausforderungen der Hardwaresicherheit meistern, Teil 2

Im ersten Teil dieses Artikels, haben wir fünf Schlüsselfaktoren untersucht, die die Sicherheitsgewährleistung von Hardwaretechnologien zu einer Herausforderung machen. Dazu gehörten die disruptive Natur der Forschung, die ständig zunehmende Risikoexposition, unverhältnismäßig hohe Erwartungen der Nutzer und mehr. In Teil 2 möchte ich untersuchen, wie wir als Gemeinschaft zusammenarbeiten können, um diese Herausforderungen zu meistern.

“Scheitern ist die Mutter des Erfolgs.“ Der erste Schritt beim Aufbau sicherer Hardwaretechnologien besteht darin, die Fehler zu untersuchen und aus ihnen zu lernen, die Designer häufig machen. Die gute Nachricht ist, dass diese verbreiteten Hardwareschwachstellen nicht länger nur als Erfahrungswissen weitergegeben werden.

Die Common Weakness Enumeration (CWE) von MITRE ist eine von der Community entwickelte Ressource und wurde kürzlich um fast 100 Hardware-Schwachstellentypen erweitert.

Dazu gehören Probleme im Zusammenhang mit allgemeinem Schaltungs- und Logikdesign, Sicherheitsabläufen, Debugging und Tests, Fertigung und Lebenszyklusmanagement und mehr. Für Architekten, Designer und Verifikationsteams ist es entscheidend, ein solides Verständnis jedes dieser Hardware-Schwachstellentypen zu entwickeln und während des gesamten Security Development Lifecycle robuste Maßnahmen zu integrieren, um zu verhindern und zu erkennen, dass ähnliche Probleme in ihre Technologieprodukte eindringen.

Als Nächstes: Wiederkehrende Fehler, die in der Hardware-CWE aufgezeigt werden, treten Jahr für Jahr erneut auf, weil die Branche noch nicht über die Mittel verfügt, sie erfolgreich und in großem Maßstab zu verhindern oder zu erkennen. Die Schulung von Entwicklern und die Einführung bewährter Verfahren sind zwar sehr wichtig, doch auch Hardwareentwicklungsteams können von Electronic-Design-Automation-Lösungen (EDA) profitieren, die speziell dafür entwickelt wurden, Anwender bei der Entwicklung sicherer Produktdesigns zu unterstützen.

Die meisten heute verfügbaren Tools konzentrieren sich darauf, Schwachstellen nach ihrer Einführung zu erkennen. Dennoch kommt es nicht selten vor, dass Designer versuchen, ein Sicherheitsproblem zu beheben und dabei unbeabsichtigt ein neues einführen.

Die nächste Generation intelligenter EDA-Lösungen sollte Folgendes leisten:

Anwender dabei unterstützen, Designentscheidungen zu treffen, die Sicherheit und funktionale Aspekte ausgewogen berücksichtigen.

Hardwaredesigns sind einem breiten Spektrum an Bedrohungen und Risiken ausgesetzt. Welche gemeinsamen Messgrößen charakterisieren die Robustheit der Sicherheit am besten? Wenn die Sicherheitsziele je nach Technologieprodukt variieren, woher weiß die EDA-Lösung, welche davon für ein bestimmtes Design relevant sind? Wie lassen sich die Messgrößen in Erkenntnisse übersetzen, die Anwender dazu bringen, Sicherheit als oberste Priorität zu betrachten?

Anwender über geeignete Best Practices für sicherheitsorientiertes Design informieren, wenn sicherheitsrelevante Designentscheidungen getroffen werden.

Das Lernen im Klassenzimmer ist zwar eine Möglichkeit, Wissen über Secure-by-Construction zu erwerben, doch die Nutzung entsprechender Situationen im Arbeitsalltag, um das Bewusstsein der Anwender zu schärfen, kann die Einführung wichtiger Designpraktiken unterstützen. Wie könnte eine intelligente Lösung zeitnah Sicherheitshinweise anbieten, die umsetzbar und konkret sind, ohne übermäßig aufdringlich zu sein?

Sicherheitsprobleme bereits beim Programmieren erkennen und Anwendern zuverlässige Optionen zu ihrer Behebung anbieten.

Textverarbeitungsprogramme helfen Anwendern schon lange, indem sie beim Bearbeiten von Dokumenten Rechtschreib- und Grammatikfehler direkt hervorheben und korrigieren. Intelligentere Varianten bieten Optionen zur Verbesserung des Schreibstils, und einige analysieren sogar den Kontext des Dokuments und machen Vorschläge, um das zu vervollständigen, was die Anwender gerade schreiben möchten. Ebenso kann eine intelligente EDA-Lösung Anwender dabei unterstützen, Sicherheitslücken zu erkennen und zu beheben, während der Code entwickelt wird.

Eine optimierte Liste dynamischer Tests zur Ausführung empfehlen.

Nicht alle Sicherheitseigenschaften lassen sich durch eine statische Analyse des Designs überprüfen. Hardwaresimulation oder -emulation ist erforderlich, um Laufzeitverhalten zu überwachen, das für die Erkennung von Schwachstellen im Zusammenhang mit Race Conditions, Interaktionen mit Firmware, Sicherheitsabläufen und mehr entscheidend ist. Heute liegt die Verantwortung dafür, zu bestimmen, welche Tests mit welchen Parametern ausgeführt werden sollen, beim Entwicklungsteam.

Kontinuierlich aus der Nutzerbasis lernen, um Genauigkeit und Qualität zu verbessern.

Kein System ist perfekt, auch eine intelligente EDA-Lösung nicht. Ein selbstlernendes System, das künstliche Intelligenz und Feedback aus der Community nutzt, kann seine Fähigkeiten im Laufe der Zeit verbessern.

Parallel zu den unermüdlichen Bemühungen, mithilfe intelligenter EDA-Lösungen Sicherheitsschwachstellen aus den Designs herauszuhalten, kann schließlich auch die Innovation bei systemischen Abwehrmaßnahmen dazu beitragen, bewährte, sicherheitsrobuste Bausteine bereitzustellen, mit denen Hardwaredesigner ihre Technologien absichern können.

Software war im vergangenen Jahrzehnt das primäre Angriffsziel. Doch die Forschungsgemeinschaft hat große Fortschritte bei der Entwicklung hardwarebasierter Lösungen gemacht, die darauf aufbauende Software-Workloads absichern. Diese systemischen Abwehrmaßnahmen erhöhen die Angriffshürde deutlich und minimieren die negativen Auswirkungen von Software-Exploits. Dadurch lassen sich praktische Angriffe erheblich schwerer erfolgreich durchführen – selbst für die entschlossensten Angreifer. Auch wenn Softwareentwickler weiterhin häufige Fehler machen, die früher zu Pufferüberläufen führen konnten, sind viele davon nicht mehr ausnutzbar, wenn hardwarebasierte Schutzmechanismen aktiv sind.

Die Hardwaretechnologiebranche benötigt ein ähnlich hohes Maß an Forschungsinvestitionen wie die Softwarebranche. Kooperationen zwischen akademischer und industrieller Forschung können dazu beitragen, neuartige systemische Abwehrmaßnahmen zu identifizieren, die es Angreifern erschweren, ganze Klassen verbreiteter Hardwareschwachstellen auszunutzen. Hier sind einige Beispiele dafür, wo Forscher helfen können:

Fehlertolerante Elektronik und Schaltungen.

Schaltungen, die gegenüber physischen Angriffen widerstandsfähig sind, bieten ein gewisses Maß an Sicherheit für die darauf aufbauende Computing-Logik. Die heutigen C-Compiler erzeugen Binärdateien, die gegenüber Speicherbeschädigungen robust sind, indem sie automatisch vom Compiler, Betriebssystem und der Hardwareplattform bereitgestellte Abwehrmaßnahmen integrieren. Ebenso können Hardwaredesigner von Designtools profitieren, die ohne Überwachung durch den Anwender automatisch robuste Schaltungen synthetisieren. Wir benötigen Innovationen, die es einem Gerät ermöglichen zu erkennen, wenn es außerhalb der verifizierten Bereiche betrieben wird, oder sich selbst zu reparieren, um die Lebensdauer der zugrunde liegenden Elektronik trotz routinemäßiger Angriffe zu verlängern.

Universelle Infrastruktur für Updates im Feld.

Wie bereits erwähnt, ähnelt die Landschaft der Möglichkeiten für Remote-Updates auf heutigen Hardwareplattformen ihren Gegenstücken in der Softwarewelt von vor etwa einem Jahrzehnt. Effektive Mechanismen fehlen entweder oder sind auf verschiedene Technologieanbieter verteilt. Um mit neuen Bedrohungen und sich wandelnden Produktanforderungen Schritt zu halten, ist eine Infrastruktur unerlässlich, die proaktive Updates für alle Komponenten eines Systems ermöglicht.

Statt dass jeder Anbieter eine eigene Infrastruktur und ein eigenes Protokoll entwickelt, könnte ein universeller, durch Industriestandards gestützter Update-Mechanismus für Updates im Feld, der heterogene Architekturen und Geräte unterstützt, eine praktikablere Option sein.

Datenschutzwahrende Hardware-Telemetrie.

Das Erfassen von Telemetriedaten ist in der Softwarewelt gängige Praxis. Bei der Softwareinstallation werden Anwender häufig um Erlaubnis gebeten, damit Anwendungen zu Diagnosezwecken und zur Produktverbesserung Daten erfassen dürfen.

Ebenso kann Hardware-Telemetrie Designern wichtige Erkenntnisse liefern, um die Ursachen komplexer, im Feld gemeldeter Probleme zu ermitteln, Angriffe in Echtzeit zu erkennen und die Entwicklung wirksamer Abwehrmaßnahmen zu beschleunigen, die sich auf Systeme mit unterschiedlichen Konfigurationen skalieren lassen. Forschungsergebnisse könnten Hardwaredesigner zu einer optimierten Auswahl an Hardware-Telemetriedaten führen, die sowohl effektiv als auch datenschutzwahrend ist.

Obwohl die Hardwaresicherheit eine Herausforderung darstellt, gehört sie heute zweifellos zu den lohnendsten Technologiedisziplinen. Sichere und vertrauenswürdige Hardwaretechnologien sind entscheidend dafür, das Leben der Menschen zu verbessern und die Welt zu verändern. Sicherheit könnte kaum ein lohnenderer und wertvollerer Schwerpunkt sein. Durch gemeinsame Forschung können Industrieorganisationen und Hochschulen ihre Fähigkeit, eine solche vertrauenswürdige und sichere Grundlage zu schaffen, gemeinsam beschleunigen.

Über den Autor: 

Jason M. Fung, Director of Academic Research Engagement & Offensive Security Research, Intel