Sicherheitsoptimierung eingebetteter Netzwerkgeräte: Anwendung und Verbesserung des TLS-Protokolls in ressourcenbeschränkten Umgebungen

Mit der rasanten Entwicklung des Internets der Dinge (IoT) und eingebetteter Systeme sind Sicherheitsrisiken im Zusammenhang mit transparenter Netzwerkübertragung immer stärker in den Vordergrund gerückt. Eingebettete Netzwerkgeräte müssen Probleme wie Informationslecks, Identitätsfälschung und Datenmanipulation während der Datenübertragung verhindern. Das TLS-Protokoll mit seinen ausgereiften Verschlüsselungs- und Authentifizierungsmechanismen ist die bevorzugte Lösung, um diese Bedenken auszuräumen. Der Rechen- und Speicheraufwand des TLS-Protokolls stellt jedoch eine Herausforderung für ressourcenbeschränkte eingebettete Geräte dar und führt oft dazu, dass sich einige Geräte für eine weniger sichere transparente Übertragung entscheiden. Um dieses Problem anzugehen, werden in diesem Artikel mehrere Optimierungsstrategien vorgeschlagen, die eingebetteten Geräten dabei helfen sollen, eine sichere Netzwerkkommunikation unter Ressourcenbeschränkungen zu erreichen.

I.  Anwendung optimierter TLS-Bibliotheken

 Im Gegensatz zu Allzweckbibliotheken wie OpenSSL und JSSE, die auf Hochleistungsplattformen laufen, erfordern eingebettete Geräte schlanke Lösungen. Bibliotheken wie OpenSSL bieten umfassende Funktionalität und unterstützen eine Vielzahl von Verschlüsselungsstandards und -protokollen, verbrauchen jedoch erhebliche Ressourcen und sind daher für Geräte mit begrenzten Speicher- und Verarbeitungskapazitäten ungeeignet. Die Wahl einer optimierten TLS-Bibliothek ist eine effektive Möglichkeit, die Sicherheitsleistung für eingebettete Geräte zu optimieren.

mbedTLS
Speziell für eingebettete Umgebungen entwickelt, unterstützt mbedTLS TLS/DTLS-Protokolle und ist leichtgewichtig und effizient. Entwickler können unnötige Komponenten nach Bedarf kürzen, um die Speichernutzung und die Codegröße effektiv zu reduzieren.
mbedTLS-Repository

wolfSSL, eine weitere TLS-Bibliothek, die für eingebettete Systeme optimiert ist, unterstützt die neuesten TLS-Protokollversionen und ist mit verschiedenen Hardwarebeschleunigern kompatibel, um die Verschlüsselungs- und Entschlüsselungseffizienz zu verbessern. wolfSSL-Repository

tinydtls tinydtls ist eine minimalistische Verschlüsselungsbibliothek, die sich auf das DTLS-Protokoll konzentriert, ideal für Geräte mit extrem begrenztem Speicher und Verarbeitungsleistung ist und häufig in IoT-Umgebungen verwendet wird. tinydtls-Repository

Durch die Verwendung dieser leichtgewichtigen TLS-Bibliotheken können eingebettete Geräte die Sicherheit aufrechterhalten und gleichzeitig den Systemressourcenbedarf minimieren.

II. Optimierung des Zertifikatsmanagements

Die Zertifikatsverwaltung im TLS-Protokoll ist für die sichere Kommunikation von zentraler Bedeutung, der Speicherbedarf kann jedoch für Geräte mit begrenzten Ressourcen zu hoch sein. Ein Standard-TLS-Zertifikat erfordert normalerweise 1–2 KB Speicherplatz, und eine vollständige Zertifikatskette kann diesen Bedarf erheblich erhöhen. Die folgenden Optimierungsstrategien können dieses Problem beheben:

Komprimierter Speicher Speichern Sie Zertifikate in komprimierter Form mithilfe von Algorithmen wie gzip oder zlib und dekomprimieren Sie sie nur bei Bedarf. Diese Methode reduziert den Speicherbedarf erheblich, erhöht jedoch den Rechenaufwand während der Dekomprimierung.

Laden von Blöcken Laden Sie bei großen Zertifikatsketten Zertifikate in Blöcken, um einen Speicherüberlauf zu vermeiden, indem Sie die Speicherlast ausgleichen und gleichzeitig eine effektive Zertifikatsnutzung sicherstellen.

Nur-Lese-Zugriff: Speichern Sie Zertifikate direkt im On-Chip-Speicher mit Nur-Lese-Zugriff, um ein Kopieren in den RAM zu vermeiden, Speicherplatz zu sparen und unnötige E/A-Vorgänge zu reduzieren.

Durch die Optimierung der Speicher- und Lademethoden für Zertifikate können eingebettete Geräte begrenzte Speicherressourcen effizienter nutzen und gleichzeitig die Systemsicherheit gewährleisten.

III. Einführung der Hardwarebeschleunigung

Die Komplexität von Verschlüsselungsalgorithmen geht in der Regel mit einer hohen Rechenlast einher, insbesondere wenn eingebettete Geräte eine große Anzahl gleichzeitiger sicherer Anfragen verarbeiten. Wenn Sie sich bei Verschlüsselungsaufgaben ausschließlich auf die CPU verlassen, werden die Leistungsanforderungen möglicherweise nicht erfüllt. Daher können eingebettete Geräte durch die Einführung von Hardwarebeschleunigungsmodulen die Verschlüsselungseffizienz verbessern und den Stromverbrauch senken.

AES-Hardwarebeschleunigung AES, ein weit verbreiteter symmetrischer Verschlüsselungsalgorithmus, kann von Hardwarebeschleunigern profitieren, die die Verschlüsselungs- und Entschlüsselungsgeschwindigkeit deutlich erhöhen. Dies ist besonders wichtig in Szenarien, die eine Echtzeit-Datenverarbeitung erfordern, wie z. B. Video-Streaming und drahtlose Kommunikation.

Hash-Beschleunigung Hash-Funktionen (z. B. SHA-256) spielen eine entscheidende Rolle bei Datenintegritätsprüfungen und digitalen Signaturen. Hardware-Hash-Beschleuniger können die Hash-Berechnungsgeschwindigkeit deutlich erhöhen und so den gesamten Kommunikationsprozess optimieren.

RSA-Beschleunigung RSA-Verschlüsselung ist für den Schlüsselaustausch während des TLS-Handshakes von entscheidender Bedeutung, erfordert jedoch komplexe Berechnungen großer Ganzzahlen. Dedizierte RSA-Hardwarebeschleuniger können die Rechenzeit verkürzen und die Handshake-Effizienz verbessern.

Zufallszahlengenerator (RNG) Hochwertige Zufallszahlen sind für die Sicherheit des Verschlüsselungsalgorithmus unerlässlich. Hardware-RNGs können sicherere Zufallszahlen generieren und gleichzeitig den Rechenaufwand softwarebasierter Implementierungen reduzieren.

Hardwarebeschleunigungsmodule verbessern nicht nur die Verschlüsselungsfähigkeiten eingebetteter Geräte, sondern senken auch den Gesamtstromverbrauch, sodass das System effizient arbeiten und gleichzeitig Sicherheitsanforderungen erfüllen kann.

IV. Abschluss

Um die Leistungsengpässe und Ressourcenbeschränkungen eingebetteter Geräte, die das TLS-Protokoll verwenden, zu beheben, werden in diesem Artikel Optimierungsstrategien vorgeschlagen, z. B. die Verwendung optimierter TLS-Bibliotheken, die Optimierung der Zertifikatsverwaltung und die Einführung von Hardwarebeschleunigung. Diese Methoden können die Betriebseffizienz eingebetteter Geräte verbessern und gleichzeitig eine sichere Netzwerkkommunikation gewährleisten. Mit der Weiterentwicklung der Hardwaretechnologie und der weiteren Optimierung von Verschlüsselungsalgorithmen werden eingebettete Geräte in Zukunft eine höhere Leistung bei der sicheren Kommunikation aufweisen und die Verbreitung von IoT und intelligenten Geräten stark unterstützen.
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