Troca de contexto segura em SO embarcados usando ECC
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A segurança e a confiabilidade em sistemas embarcados são áreas criticas e de recente desenvolvimento. Além das complicações inerentes a área de segurança, existem restrições quanto a capacidade de processamento e de armazenamento destes sistemas. Isto é agravado em sistemas de baixo custo. Neste trabalho é apresentada uma técnica que, aplicada à troca de contexto em sistemas operacionais, aumenta a segurança destes. A técnica é baseada na detecção e correção de erros em sequência de valores binários. Para realização dos testes foi desenvolvido um sistema operacional de tempo real e implementado numa placa de desenvolvimento. Observou-se que o consumo de processamento das técnicas de detecção de erro são inferiores às de correção, cerca de 2\% para CRC e 8\% para Hamming. Objetivando-se minimizar o tempo de processamento optou-se por uma abordagem mista entre correção e detecção. Esta abordagem se mostrou mais interessante a medida que os processos que exijam tempo real apresentem uma baixa taxa de execução, quando comparados com o período de troca de contexto. Por fim, fica comprovada a possibilidade de implementação desta técnica em qualquer sistema embarcado, inclusive em processadores de baixo custo.
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- 1. Universidade Federal de Itajubá Defesa da Tese Troca de contexto segura em sistemas operacionais embarcados utilizando técnicas de detecção e correção de erros Rodrigo M A Almeida Orientador: Luis Henrique de Carvalho Ferreira Coorientador: Carlos Henrique Valério de Moraes
- 2. Sumário • Objetivos • Conceitos • • • • Sistemas embarcados Sistemas operacionais Segurança Algoritmos de correção de informação • Desenvolvimento • Resultados • Conclusões
- 3. Motivação • "Dado o aumento da dependência da sociedade na computação embarcada, nos sistemas de sensoriamento bem como as aplicações que eles suportam, uma nova forma de vulnerabilidade é inserida nesta infraestrutura critica e que apenas agora esta começando a ser reconhecida como uma ameaça significante com possibilidade de graves consequências." (Wygliski, 2013)
- 4. Motivação • Erro no firmware do controle de aceleração de um carro da Toyota • Stackoverflow • Falta de backup (mirroring) das variáveis importantes • Ganho de causa na justiça Americana Nov/2013 • Stuxnet • Primeiro vírus direcionado a sistemas embarcados Detectado em 06/2010 • Continua atacando sistemas, com novas alegações de ataques na Rússia em Nov/2013
- 5. Objetivo • Metodologia aplicada à sistemas embarcados que aumente a robustez do sistema: • Baixo consumo de recursos • Mantenha a capacidade de execução de processos com requisitos tempo real • Proteger o sistema contra vulnerabilidades
- 6. Conceitos
- 8. Sistemas embarcados • Microprocessador • Escassez de recursos • Pouca ou nenhuma interface com o usuário • Requisitos comuns • Alta disponibilidade • Processamento em tempo real • Baixo custo
- 11. Sistemas operacionais Aplicação Bibliotecas C/C++ GUI Maquinas Virtuais Kernel Sistema de Arquivos Memória Troca de Contexto Drivers CPU I/O
- 18. Segurança • Confidencialidade: garantia que as informações não serão disponibilizadas • Disponibilidade: Garantia que o equipamento continuará funcionando • Integridade: garantia que as informações não serão alteradas indevidamente
- 19. Fontes de problemas • Erros em memórias Probabilidade de falha • Interferência eletromagnética • Problemas de conexão elétrica • Bombardeamento de partículas atômicas • Falha por desgaste (vida útil) 100% 80% 60% 40% 20% 0% 0,001 0,01 0,1 1 10 100 Tempo de funcionamento (anos) 1000
- 22. Fontes de problemas • Vulnerabilidades nos códigos • Buffer overflow • Unitialized reads • Diversidade de compiladores • Invasões e Ataques
- 23. Soluções atuais • Redundância em memórias • Limitação na execução de páginas • Modificação do programa em tempo de execução • Microkernel
- 24. Algoritmos de detecção e correção de erros Conceitos
- 25. Algoritmos de detecção/correção de erros • Se utilizam na inserção de informações redundantes para realizar a detecção de erros na transmissão/armazenamento de informações. • CRC (ciclic redundant check) • Hamming
- 26. CRC
- 27. Hamming
- 28. Desenvolvimento
- 29. Desenvolvimento • Criação de um SO modelo para teste da metodologia • Inserção de um sistema de detecção/correção de erros na troca de contexto • Correção mista • Real time – Hamming • “Normais” – CRC
- 30. Sistema Operacional Aplicação serialMonitor pidController main Kernel kernel_definitions * kernel calculus process <<interface>> function Controladora de Drivers ddCtr_prm.h ddCtr Generic Driver ctrPID * ctrlMngr ADC DAC Serial Interrupt Timer driver driverAbstrato
- 31. Detecção de erro (CRC) Interrupção Calculo do CRC do próximo processo Salvar variáveis do processo corrente CRC OK? Carrega variáveis do próximo processo Carrega rotina de recuperação Fim da interrupção Calculo do CRC do processo corrente Carregamento do próximo processo
- 32. Correção de erro (Hamming) Interrupção Calculo do Ham do próximo processo Salvar variáveis do processo corrente Hamming OK? Carrega variáveis do próximo processo Corrige erros dos dados da pilha Fim da interrupção Calculo do CRC do processo corrente Carregamento do próximo processo
- 33. Implementação no HCS12 • Adição de 2 bytes de verificação para cada pilha de contexto. Posição na memória Informação Tamanho stk-3 Resultado do CRC 2 bytes (High:Low) stk-1 PPage 1 byte stk+0 CCR 1 byte stk+1 D 2 bytes (B:A) stk+3 X 2 bytes (High:Low) stk+5 Y 2 bytes (High:Low) stk+7 PC 2 bytes (High:Low)
- 34. Solução Mista Salva CRC Interrupção Checar CRC Próximo processo é RT? Processo Atual é RT? Salva Hamming Reinicia Processo Fim da interrupção Checar Hamming Corrige Pilha
- 35. Resultados
- 38. Sem processo em execução (idle) Troca de contexto Processo de tempo real Processos extras (sobrecarga)
- 39. Consumo dos Escalonadores 12% Consumo de CPU 10% EDF RR 8% Troca de Contexto 6% 4% 2% 0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Número de Processos
- 40. Consumo dos Escalonadores Sem Prioridade Com Prioridade 12% 10% Consumo de CPU EDF 8% RR 6% 4% 2% 0% 1 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 Número de Processos Número de Processos
- 41. Consumo dos métodos de detecção/correção 50% Consumo de CPU 40% 30% RR CRC 20% Hamming 10% 0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Número de Processos
- 43. Consumo do método misto 10% Consumo de CPU 9% 8% 7% 6% Medido Calculado 5% 4% 3% 2% 1% 0% 0 5 10 15 20 Período pRT em ticks 25 30 35 40
- 44. Sem processo em execução (idle) Troca de contexto Processo de tempo real
- 45. Simulação de falhas na memória Resultados
- 46. Falhas observadas com o sistema de correção/detecção desligado Byte Descrição 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 CRC (alto) CRC (baixo) Paginação CCR Acumulador B Acumulador A Indexador IX (alto) Indexador IX (baixo) Indexador IY (alto) Indexador IY (baixo) Contador de Programa (alto) Contador de Programa (baixo) Bit 7 6 5 4 3 2 1 0
- 47. Comando para simulação de falha Resposta do sistema Troca de contexto Ação de controle
- 48. Comando para simulação de falha Resposta do sistema Troca de contexto Ação de controle
- 49. Melhoria na confiabilidade do sistema Resultados
- 52. Resultados
- 53. Malha aberta Simulação Teste na planta Resposta do sistema Referência Ação de controle
- 54. Diagrama de blocos da simulação
- 55. Kp=1; Ki=0; Kd=0; Simulação Teste na planta Resposta do sistema Referência Ação de controle
- 56. Kp=1; Ki=5; Kd=0; Simulação Teste na planta Resposta do sistema Referência Ação de controle
- 57. Kp=10; Ki=3; Kd=0,02; Simulação Teste na planta Resposta do sistema Referência Ação de controle
- 58. Conclusão
- 59. Conclusões • É uma técnica implementável na maioria dos sistemas operacionais atuais • Baixo consumo de Flash e RAM • Consumo de processamento de 12% à 50% • É possível reduzir o consumo para valores de 1,7% à 8,5% com o uso de lookup tables, aumentando no entanto o consumo de RAM ou Flash (+600 bytes)
- 60. Conclusões • O sistema é capaz de se recuperar de problemas que corrompam a pilha de dados • Processos com exigência de RT • Continuaram sua execução sem problemas, mesmo com ocorrência de erros • A solução mista aumenta a segurança sem um consumo exagerado de processamento
- 61. Agradecimentos
- 62. Agradecimento • Luis e Carlos pelas valiosas orientações • Adriano, Cesar, Lucas, Henrique e Rafael, pelo auxilio nos drivers e testes • Enzo pela ajuda na 1ª versão do kernel e a Thaty pelas revisões do documento • Armando pela ajuda na estatística e análises de confiabilidade • Alberto Fabiano pelas conversas sobre segurança e embarcados • Colegas do Grupo de engenharia biomédica pelo apoio e infraestrutura.
- 63. Obrigado