Smart Sensors, Actuators, And Mems II pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Society of Photo Optical

作者:Cane, Carles

出品人:

页数:76

译者:

出版时间:

价格:160

装帧:Pap

isbn号码:9780819458315

丛书系列:

图书标签:

• Smart Sensors
• Actuators
• MEMS
• Micro-Electro-Mechanical Systems
• Sensors
• Transducers
• Instrumentation
• Electronics
• Engineering
• Technology

嵌入式系统与物联网安全：基于下一代微处理器的实时监测与控制 导言：数字化浪潮下的安全基石 随着物联网（IoT）的爆炸性增长和工业4.0的深入推进，我们正处于一个由海量传感器和执行器驱动的智能互联时代。从智能制造、智慧城市到自动驾驶，这些系统的核心是嵌入式设备，它们负责采集物理世界的信号并执行精确控制。然而，这种高度集成和网络化的特性，也带来了前所未有的安全挑战。一个微小的漏洞，可能导致灾难性的后果，涉及数据泄露、物理破坏甚至生命威胁。 本书将聚焦于在当前资源受限的微处理器环境中，如何设计和实现高可靠性、高安全性的实时监测与控制系统。我们不关注于传感器本身的技术细节（如MEMS的制造工艺或特定执行器的驱动电路），而是深入探讨驱动这些硬件的软件架构、安全协议栈以及系统级韧性设计。 --- 第一部分：下一代嵌入式处理器架构与实时操作系统（RTOS）的演进 本部分旨在为读者建立一个坚实的软件基础，理解现代嵌入式系统运行的底层逻辑，并探讨如何利用硬件特性来增强软件的安全性和实时性。 第一章：异构计算与安全隔离 现代嵌入式SoC（System-on-Chip）日益采用异构架构，集成多核CPU、GPU、DSP以及专用的安全岛（Secure Enclaves）。本章将详细分析这些架构对实时性能的影响，并侧重于如何在用户空间和特权级别之间建立有效的隔离机制。 内存保护单元（MPU）与内存管理单元（MMU）的深度应用： 探讨如何利用硬件提供的保护机制，确保关键实时任务的内存不被非关键或恶意进程污染。这包括对缓存一致性和中断延迟的精确分析。 基于Hypervisor的虚拟化技术： 介绍在资源受限的微控制器上实现安全隔离的可行性。如何利用Type-1 Hypervisor来运行一个实时操作系统（RTOS）和一个功能更复杂的、可能包含网络堆栈的应用环境，并严格控制它们之间的资源分配和通信通道。 第二章：实时操作系统（RTOS）的安全性与确定性 RTOS是嵌入式控制系统的中枢神经系统。本章将审视主流RTOS（如FreeRTOS、Zephyr、VxWorks等）在安全加固方面的最新进展，以及如何确保任务调度的确定性。 优先级继承与死锁预防： 详细分析传统同步原语（如信号量、互斥锁）在多核环境下的竞争条件和优先级反转问题，并介绍更适合安全关键系统的同步模型。 内核加固技术： 讨论栈溢出保护（Stack Canaries）、控制流完整性（CFI）在RTOS内核中的实现，以及如何通过静态分析工具验证这些机制的有效性。 时间度量与抖动分析： 强调实时系统的核心在于时间的可预测性。我们将介绍高级的Jitter分析工具和方法，用以评估操作系统调度对传感器数据采集和执行器反馈环路的影响。 --- 第二部分：网络化嵌入式系统的安全协议栈与身份认证 当传感器和执行器通过网络（如Ethernet, Wi-Fi, LoRaWAN, 5G-V2X）连接时，安全威胁的边界急剧扩大。本部分着重于数据在传输和存储过程中的加密与认证。 第三章：轻量级加密算法与硬件加速 传统的高强度加密算法（如标准的TLS/SSL）对资源受限的嵌入式设备来说过于沉重。本章专注于适合边缘计算场景的优化方案。 后量子密码学的初步考量： 探讨针对未来量子计算威胁，在现有微控制器上部署轻量级格基加密算法（Lattice-based cryptography）的可行性与性能代价。 硬件安全模块（HSM）的集成使用： 深入研究如何卸载密钥生成、存储和椭圆曲线加密（ECC）运算到专用的安全硬件中，从而避免私钥暴露在软件层面的风险。 安全启动（Secure Boot）与固件验证： 阐述使用数字签名和信任根（Root of Trust, RoT）机制，确保只有经过授权的、未被篡改的固件才能在设备上运行。 第四章：基于零信任模型的边缘认证与授权 传统的基于边界的安全模型在IoT环境中已失效。本章倡导采用零信任原则，对每一个设备、每一个连接和每一次数据请求进行严格验证。 设备身份的生命周期管理： 讨论基于PKI（公钥基础设施）和基于证书的身份认证机制，特别是在大规模部署场景下的证书轮换与撤销策略。 安全数据隧道： 分析DTLS（Datagram Transport Layer Security）和TLS 1.3在资源受限环境下的优化配置，以及如何利用VPN技术在复杂的网络拓扑中建立端到端加密的通信信道。 数据完整性校验： 探讨如何利用哈希链或Merkle树结构，对传感器数据流进行实时完整性验证，确保在传输过程中数据未被窃听或篡改。 --- 第三部分：系统级韧性、故障注入与侧信道攻击防御 最先进的加密技术也可能被物理攻击绕过。本部分将重点讨论如何设计具有内在韧性的系统，使其能够抵抗主动的物理攻击和间接的侧信道分析。 第五章：故障注入攻击的防御策略 故障注入（Fault Injection）是一种通过电压毛刺、时钟篡改或激光照射等方式，诱使处理器执行错误指令，从而绕过安全检查的技术。 冗余与多样性设计： 介绍如何通过冗余执行（如“对比执行”）和异构硬件执行路径，快速检测由瞬时硬件故障或恶意注入引起的执行偏差。 电磁（EM）辐射与电压监控： 详细阐述嵌入式硬件层面对电源噪声和电磁发射的敏感性，以及如何在软件和硬件层面设计监控电路，实时检测异常波动，并在检测到攻击时触发安全响应（如数据清除或系统锁定）。 代码执行流监控： 讨论使用硬件断点（Hardware Breakpoints）的替代方法，通过在关键安全点插入校验代码，实现对程序控制流的不可中断监控。 第六章：侧信道攻击与安全功耗分析 侧信道攻击（Side-Channel Attacks, SCA）通过分析设备在执行加密或敏感操作时泄漏的功耗、电磁辐射或执行时间等信息来推断秘密信息。 功耗分析（SPA/DPA）的原理与防御： 深入解析简单的功耗分析（SPA）和差分功耗分析（DPA）的工作机制。介绍如何通过随机化操作顺序、使用掩码技术（Masking）和平衡操作来混淆功耗特征。 执行时间分析： 讨论如何重构不安全的软件代码（如使用依赖于密钥值的条件分支），并提供无分支（Branchless）算法设计的实践指南，以消除时间泄露的可能性。 硬件化应对： 探讨在ASIC或FPGA层面实现防侧信道电路（如使用噪声生成器或动态时钟频率调整）的设计思路，以提供比纯软件更高级别的保护。 --- 结论：迈向可验证的安全系统 本书的最终目标是指导工程师构建的嵌入式系统不仅功能强大、实时性高，更重要的是，它们是可验证的、可审计的安全实体。通过对底层架构、通信协议和物理抗性进行全面而深入的分析和实践，读者将能够设计出能够抵御未来复杂威胁的下一代监测与控制解决方案。

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