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面向VxWorks系统的嵌入式安全研究

范文

任秋洁韩英

摘要：VxWorks嵌入式操作系统作为最具代表性的实时操作系统之一，被广泛应用于多个领域，其安全性问题一直是人们关注的重点之一。通过对VxWorks系统的安全现状和已知漏洞进行分析，梳理其典型脆弱环节，从而明确VxWorks系统安全的研究方向，为后续安全研究提供参考。

关键词：VxWorks;嵌入式系统;安全漏洞

中图分类号：TP316.2 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）22-0026-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

随着信息化技术的全面发展和物联网技术的快速普及应用，嵌入式系统及产品的应用遍及金融、医疗、军事、航天、网络、工业控制、智能家居等各个领域，嵌入式安全不仅仅与个人隐私密切相关，甚至关乎重大经济或军事利益，这对嵌入式系统的安全性能提出了更高的要求。VxWorks系统作为一种典型的高可靠性嵌入式实时操作系统，被大量地应用于航空、航天、医疗、军事等领域，本文希望通过对其安全现状和已知漏洞进行分析，发现其脆弱环节，理清VxWorks系统安全研究方向，为后续安全研究提供参考。

2 VxWorks系统及其安全现状

2.1 VxWorks系统

VxWorks系统是一款由风河（Wind River）公司开发的实时嵌入式操作系统。因为其可靠性高、实时性好而被广泛地应用于航空、航天、通信、医疗、工业等领域。其代表性的客户包括：波音、空客、NASA、三星、西门子、华为、思科等，据不完全统计，目前全球可能有超过1.5亿台设备在使用VxWorks系统。

VxWorks系统基于wind内核，包括了文件系统、进程管理、存储管理、设备管理、网络协议以及系统应用等功能模块[1]。BSP板级支持包（Board Support Package）是VxWorks系统非常独特的部分，它将wind内核与硬件相连，为上层软件应用提供了很好的支持。由于wind内核非常小，并且VxWorks支持高度裁减，所以在保持高效实时的同时，具有了强大的可移植能力，目前VxWorks几乎支持所有的嵌入式硬件架构，包括x86、MIPS、PowerPC、ARM、Freescale ColdFire、SPARC、Intel i960以及xScale CPU等。

2.2 VxWorks安全事件

VxWorks系统是世界范围内被广泛认可的高安全性操作系统，但再安全的软件也会存在安全漏洞。在2010年的Black Hat黑客大会上，世界著名的安全专家、Metasploit的首席架构师HD Moore，演示了利用VxWorks DEBUG漏洞的全过程，该漏洞涉及的VxWorks版本从5.5到6.8。

2015年初，加拿大的研究人员Yannick Formaggio公布了两个VxWorks系統安全漏洞。其中一个高危漏洞是缓冲区溢出类漏洞，如果攻击者以极高速度向VxWorks系统发送用户名和密码的时候，内置在系统内部的FTP服务器会产生环形缓冲区溢出，导致系统崩溃[2]。

在2019年的Black Hat黑客大会上，来自IOActive的研究人员公开了波音787客机的CIS/MS（ Crew Information Service/Maintenance System）组件多个漏洞。CIS/MS组件采用了Vx-Works系统，位于飞机的两路通讯总线的边界上，该组件存在漏洞的二进制文件未开启NX、调用栈保护等防护措施，导致攻击者通过一个常见的内存漏洞就能够劫持程序执行，而攻击者可以通过远程、物理等多种方式实现成功入侵。之后，攻击者可以利用这些漏洞对波音客机的机身网络总线进行渗透，向机身的关键系统（如引擎、刹车、传感器等）发送恶意指令，造成安全威胁。研究人员还公开了四个可供利用的漏洞，并将其组成了攻击链，以TFTP服务栈溢出获得执行权限，继而通过VxWorks的内核漏洞提权，获得飞机内部网络的控制权[3]。

3 VxWorks典型漏洞分析

已公布的VxWorks的漏洞包括权限许可与信任漏洞、数字错误漏洞、输入验证漏洞、缓冲区溢出漏洞、加密算法脆弱性以及多种拒绝服务漏洞等。在CNNVD（国家信息安全漏洞库）中最新的检索情况显示VxWorks系统已知漏洞有25条，分布情况如图1所示。下面我们通过若干典型的高危漏洞，分析Vx-Works系统的脆弱性。

3.1典型漏洞分析

3.1.1 WDB RPC漏洞（CNNVD-201008-029，CVE-2010-2965）

WDB RPC漏洞是VxWorks系统最具代表性的一个漏洞，多次在安全会议上被用来做示例。运行在UDP协议之上并且绑定17185端口的WDB RPC是VxWorks系统的目标代理调试接口，通过该接口不但可以直接访问系统的内存，还能监视系统组件的工作状态[4]。由于该服务中存在权限许可和访问控制漏洞，远程攻击者可以借助向UDP 17185端口发送的请求读取或修改任意存储单元，执行函数调用，或者管理任务。此漏洞一旦被成功利用，相当于VxWorks系统完全向攻击者敞开，危害巨大，涉及的版本从5.5到6.8。该漏洞还直接影响了基于这些版本VxWorks操作系统开发的产品，例如罗克韦尔的1756-ENBT系列控制产品。

3.1.2 FTP后台程序漏洞（CNNVD-201008-032，CVE-2010-2968）

FTP后台程序漏洞属于权限许可和访问控制类型漏洞。基于Wind River VxWorks 5.x- 6.4的FTP后台程序在一系列的登录失败尝试后不会关闭TCP连接，这使得远程登录者通过蛮力攻击更容易得到使用权。

3.1.3缓冲区溢出漏洞

能够引起缓冲区溢出已知漏洞高达6个，以CNNVD-201907-1499（CVE-2019-12256）为例，VxWorks 7版本和6.9版本中对IPv4数据包IP选项的解析存在缓冲区错误漏洞。通过该漏洞，攻击者可利用精心构造的附带无效选项的IPv4数据包造成tNet0任务崩溃，并可能执行代码。

3.1.4拒绝服务攻击漏洞

能够造成拒绝服务攻击的VxWorks安全漏洞同样超过6个，一些漏洞库中的其他类型漏洞，往往也可以拒绝服务。以CNNVD-201303-408（CVE-2013-0714）为例，该漏洞存在于VxWorks 6.5至6.9版本中，通过公钥认证请求，远程攻击者利用该漏洞可以执行任意代码或导致拒绝服务（守护进程挂起）。

3.2 漏洞分析结论

由此可见，安全性再高的系统也会有潜在的漏洞问题，当前，VxWorks操作系统面临的最主要的安全威胁主要来自拒绝服务攻击、缓冲区溢出、访问控制错误与安全绕过等。造成这些漏洞的原因包括一是早期版本在安全设计方面考虑不够，二是为满足高效率高实时性小体量而做出了权衡让步，三是在VxWorks的配置使用中存在安全风险，四是风河公司对早期版本的系统已经不再进行安全更新。而在一些高安全敏感领域，VxWorks操作系统的应用是如此的广泛，那么如何应对当下威胁较大的高危漏洞问题，就显得格外重要。

4 VxWorks系统安全研究

当前，围绕VxWorks系统的安全问题，业界主要在三个方向开展研究。一是VxWorks系统自身安全强化技术研究，主要是以风河公司为主力的国际大公司针对VxWorks系统不断涌现的安全需求和特定行业应用，增加安全模块，提升自身安全水平。通过与McAfee等安全厂商建立合作关系，VxWorks在6.x版本中引进了一些内存保护机制，在7.x版本中则进一步提升了多个方面的安全能力，包括数字签名模块、加密模块、数据库模块、密码管理等等。二是VxWorks系统应用安全技术研究，包括安全传输协议、访问控制机制、文件系统的数据保护，如文献[1]和[5]中分别提出了针对SSH协议的改进方法来应对中间人攻击，文献[2]提出了一套安全防护机制来解决缓冲区溢出问题，文献[6]设计了一个基于FTP的应用层安全协议来提升数据传输的安全性，文献[7]提出一种文件系统层访问控制方法来提升块设备数据安全。三是面向VxWorks的安全测试技术研究，包括针对VxWorks系统的漏洞挖掘技术、渗透测试技术、嵌入式产品自动化测试技术等。

5 总结

本文通过對VxWorks的安全现状和已知漏洞进行分析，发现其可能存在的脆弱环节，梳理了围绕VxWorks系统安全的研究方向。随着越来越多的安全技术和防御手段应用到嵌入式产品开发中，VxWorks系统会越做越好，但同时漏洞仍会发现。我们当前研究基于VxWorks系统的各种安全加固技术，也仅是权宜之计，加速推进国产自主产品的研发和替代丁作，强化测试、使用、提升的迭代闭环，才能从根本上解决安全可靠的问题。

参考文献：

[1]李延松，基于VxWorks的应用层SSH安全协议研究与改进[D].南京：南京航空航天大学，2013.

[2]孙润春.基于VxWorks6.8操作系统的关键安全防护技术的研究[D].北京：北京邮电大学，2017.

[3] Blackhat 2019： Arm IDA and Cross Check： Reversing the Boe-ing 787's Core Network[EB/OL]. https：//www.blackhat.com/us-1 9/briefings/schedule/#arm-ida-and-cross-check-reversing-the-boeing-78739s-core-network-157 16.

[4] VxWorks WDB漏洞检测指导[EB/OL].https：//www.docin. com/p-484297694.html.

[5] Tang Xuehai， Sun Bing， Li Ruilin，et al.A meet-in-the-mid-dle attack on reduced-round ARIA[J].Journal of Systems andSoftware，2011，84（10）：1685-1692.

[6]田战玲，刘利强.基于VxWorks网络文件传输安全性的研究[J].信息技术与信息化，201 1，54（4）：32 -35.

[7]高斌，翟江涛，薛朋骏.一种VxWorks文件系统层访问控制方法[J].江苏科技大学学报：白然科学版，2015，29（5）：462-466.

【通联编辑：代影】

基金项目：洛阳理工学院青年基金项目（2017Q205）

作者简介：任秋洁（1989-），女，河南洛阳人，讲师，硕士，主要研究方向为通信系统与网络安全;韩英（1964-），女，河南洛阳人，副教授，硕士，主要研究方向为自动化控制。

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