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一、引言

1.1、研究背景及意義

在萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)廣泛存在于智能家居、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的提升，內(nèi)存安全問(wèn)題（如緩沖區(qū)溢出、懸垂指針、越界訪問(wèn)）已成為嵌入式設(shè)備面臨的主要威脅之一。

內(nèi)存安全問(wèn)題不僅影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，還可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露、系統(tǒng)崩潰等嚴(yán)重后果。例如，2014年的Heartbleed漏洞就是因?yàn)閮?nèi)存管理不當(dāng)導(dǎo)致的，影響了全球數(shù)百萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器的安全。此外，嵌入式系統(tǒng)通常資源有限，處理能力和內(nèi)存空間相對(duì)不足，這使得傳統(tǒng)的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制在嵌入式環(huán)境中難以有效實(shí)施。因此，探索適合嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存安全解決方案顯得尤為迫切。

傳統(tǒng)的軟件防護(hù)方案（如ASLR、DEP）和編譯時(shí)檢查存在性能開(kāi)銷高、覆蓋率不足等問(wèn)題。CHERI（Capability Hardware Enhanced RISC Instructions）架構(gòu)通過(guò)硬件級(jí)能力（Capability）模型，為嵌入式系統(tǒng)提供了一種全新的內(nèi)存安全防護(hù)思路。

1.2、CHERI架構(gòu)簡(jiǎn)介

CHERI（Capability Hardware Enhanced RISC Instructions）架構(gòu)是一種新興的安全架構(gòu)，由英國(guó)劍橋大學(xué)和美國(guó)SRI International合作研發(fā)。CHERI架構(gòu)通過(guò)引入能力指針（Capability Pointer）的概念，從硬件層面提供 fine-grained 的內(nèi)存保護(hù)能力。能力指針不僅包含傳統(tǒng)的地址信息，還包含了訪問(wèn)權(quán)限和內(nèi)存邊界信息，從而有效防止緩沖區(qū)溢出、內(nèi)存泄漏等常見(jiàn)內(nèi)存安全漏洞。這種架構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是顯著提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性和可靠性，尤其適用于對(duì)安全性要求極高的嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域。

CHERI架構(gòu)的核心思想在于通過(guò)硬件支持的能力指針，確保每個(gè)內(nèi)存訪問(wèn)操作都在預(yù)定義的權(quán)限和范圍內(nèi)進(jìn)行。這種機(jī)制從根本上杜絕了非法內(nèi)存訪問(wèn)的可能性，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。與傳統(tǒng)的內(nèi)存保護(hù)機(jī)制相比，CHERI架構(gòu)不僅在安全性上有顯著提升，還在性能和靈活性方面表現(xiàn)出色，使其成為嵌入式系統(tǒng)內(nèi)存安全研究的理想選擇。

二、CHERI架構(gòu)的核心思想

CHERI由劍橋大學(xué)和ARM等機(jī)構(gòu)聯(lián)合研發(fā)，其核心理念是通過(guò)硬件擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度內(nèi)存保護(hù)，具體包括以下特性：

l 能力（Capability）模型

每個(gè)指針不僅是內(nèi)存地址，還包含訪問(wèn)權(quán)限（如可讀、可寫、可執(zhí)行）、邊界范圍（起始地址和長(zhǎng)度）等元數(shù)據(jù)。

例如，一個(gè)指向數(shù)組的指針只能訪問(wèn)該數(shù)組的合法區(qū)間，越界操作會(huì)被硬件直接攔截。

l 硬件強(qiáng)制隔離

能力元數(shù)據(jù)由硬件直接驗(yàn)證，軟件無(wú)法繞過(guò)。即使存在漏洞，攻擊者也無(wú)法通過(guò)內(nèi)存破壞篡改能力信息。

l 向后兼容性

CHERI支持混合模式運(yùn)行，傳統(tǒng)代碼（無(wú)能力模型）與增強(qiáng)代碼可共存，降低遷移成本。

1. CHERI架構(gòu)的核心：能力指針

1.1 能力指針的硬件實(shí)現(xiàn)

（注：示意圖示例，實(shí)際可參考CHERI官方文檔）

其實(shí)能力這個(gè)概念在計(jì)算領(lǐng)域并不算新鮮事物，以往已經(jīng)有不少大型機(jī)系統(tǒng)就采取過(guò)類似的機(jī)制。

Grisenthwaite解釋道，“這些獨(dú)立的128位單元被保存在一起，同時(shí)進(jìn)一步為寄存器文件和內(nèi)存系統(tǒng)添加元數(shù)據(jù)標(biāo)簽，用以將能力與數(shù)據(jù)區(qū)分開(kāi)來(lái)。”這里的元數(shù)據(jù)標(biāo)簽非常重要，能夠“幫助我們保證能力具備不可偽造的特性。”

這意味著元數(shù)據(jù)標(biāo)簽只能由內(nèi)核或其他高權(quán)限進(jìn)程所設(shè)置，攻擊者只要嘗試把能力當(dāng)成數(shù)據(jù)來(lái)操作并更改其屬性，都會(huì)導(dǎo)致該能力失去狀態(tài)。而失去狀態(tài)，也就意味著能力失效。

Grisenthwaite解釋稱，“最主要的變化，就是我們建立起一套完整的加載和存儲(chǔ)體系，它們會(huì)從能力寄存器中獲取自身基礎(chǔ)地址并檢查所生成的地址。這些地址通常可能會(huì)在能力范圍內(nèi)添加一個(gè)整數(shù)偏移量。”

對(duì)能力權(quán)限的檢查會(huì)與常規(guī)內(nèi)存管理檢查一同進(jìn)行，任何與能力檢查相沖突的行為都將導(dǎo)致內(nèi)存中止，其中止方式與轉(zhuǎn)譯后備緩沖器（TLB）中的內(nèi)存管理故障相同。

根據(jù)Grisenthwaite的描述，Morello架構(gòu)同樣支持普通的加載和存儲(chǔ)指令，這些指令會(huì)從傳統(tǒng)的通用寄存器中獲取地址。但Arm還添加了所謂默認(rèn)數(shù)據(jù)能力的機(jī)制，能夠?yàn)榇祟愒L問(wèn)添加邊界和權(quán)限，相當(dāng)于為不具備能力感知的遺留代碼創(chuàng)建起相應(yīng)的沙箱。

與此同時(shí)，對(duì)能力的操作自然也需要新的數(shù)據(jù)處理指令。這些新的數(shù)據(jù)處理指令包含某些規(guī)則，允許用戶在能力邊界定義的范圍之內(nèi)執(zhí)行地址調(diào)整。

Grisenthwaite還提到，“重要的是，一般來(lái)說(shuō)無(wú)法在能力內(nèi)添加邊界。這些指令允許大家減少能力的邊界或權(quán)限，通過(guò)原始對(duì)象創(chuàng)建子對(duì)象。但用戶無(wú)法在能力不提供相應(yīng)權(quán)限的前提下，擴(kuò)大權(quán)限邊界。”

該項(xiàng)目的目標(biāo)之一就是調(diào)整程序計(jì)數(shù)器，將其轉(zhuǎn)化為程序計(jì)數(shù)器能力，從而建立一組與之相關(guān)的邊界。直接分支可以在邊界之內(nèi)實(shí)現(xiàn)分支，而間接分支則可以改變能力邊界，從而在不同代碼塊之間實(shí)現(xiàn)調(diào)用。

能力指針與傳統(tǒng)指針的對(duì)比：

注：關(guān)鍵差異：能力指針在硬件層面存儲(chǔ)了內(nèi)存范圍（Base+Length）、權(quán)限（R/W/X）和標(biāo)簽（Tag），任何越界訪問(wèn)直接由硬件攔截。

2. 內(nèi)存安全挑戰(zhàn)的硬件級(jí)解決方案

2.1 緩沖區(qū)溢出防護(hù)

傳統(tǒng)系統(tǒng)：攻擊者通過(guò)溢出覆蓋返回地址

CHERI系統(tǒng)：能力指針的邊界限制使溢出訪問(wèn)觸發(fā)硬件異常

2.2 使用釋放后內(nèi)存（Use-After-Free）

注：防護(hù)機(jī)制，內(nèi)存釋放時(shí)硬件自動(dòng)清除能力指針的標(biāo)簽（Tag），使后續(xù)訪問(wèn)失效。

3. 嵌入式系統(tǒng)的CHERI適配實(shí)踐

3.1 安全編譯器的代碼轉(zhuǎn)換

編譯器（如Clang-CHERI）將源碼中的指針自動(dòng)升級(jí)為能力指針：

3.2 實(shí)時(shí)性保障：硬件加速檢查

4. 應(yīng)用案例：工業(yè)控制系統(tǒng)的CHERI改造

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

安全隔離：不同功能模塊（通信/控制/日志）使用獨(dú)立能力域

攻擊攔截：惡意代碼嘗試跨模塊訪問(wèn)時(shí)觸發(fā)硬件隔離

4.2 關(guān)鍵代碼片段

5. 未來(lái)研究方向（技術(shù)路線圖）

關(guān)鍵技術(shù)節(jié)點(diǎn)：2025年實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)級(jí)CHERI-Micro控制器.

結(jié)語(yǔ)

CHERI架構(gòu)為嵌入式系統(tǒng)提供了一種“治本”的內(nèi)存安全方案，其硬件強(qiáng)制的防護(hù)機(jī)制顯著提升了設(shè)備的安全性。盡管在硬件生態(tài)和工具鏈上仍需完善，但隨著RISC-V的普及和物聯(lián)網(wǎng)安全需求的升級(jí)，CHERI有望成為嵌入式開(kāi)發(fā)的下一代黃金標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)硬件能力指針的革新設(shè)計(jì)，CHERI架構(gòu)為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建了“鋼鐵般”的內(nèi)存安全防線。在智能汽車、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵領(lǐng)域，CHERI正在開(kāi)啟硬件安全的新紀(jì)元。讀者可訪問(wèn)CHERI Playground在線實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ羔樀哪ЯΑ?/p>