A segurança e a confiabilidade em sistemas embarcados são áreas críticas e de recente desenvolvimento. Além das complicações inerentes à 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, aumentando 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 reduz o consumo de processamento medida que os processos que exigem 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.

1. Troca de contexto segura emTroca de contexto segura em
sistemas operacionais embarcadossistemas operacionais embarcados
utilizando técnicas de detecção eutilizando técnicas de detecção e
correção de erroscorreção de erros
Rodrigo M A AlmeidaRodrigo M A Almeida
Orientador: Luis Henrique de Carvalho FerreiraOrientador: Luis Henrique de Carvalho Ferreira
Coorientador: Carlos Henrique Valério de MoraesCoorientador: Carlos Henrique Valério de Moraes
Universidade Federal de ItajubáUniversidade Federal de Itajubá
Defesa da TeseDefesa da Tese

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. ConceitosConceitos

7. Sistemas EmbarcadosSistemas Embarcados
ConceitosConceitos

8. Sistemas embarcados
• Microprocessador
• Escassez de recursos
• Pouca ou nenhuma interface com o usuário
• Requisitos comuns
• Alta disponibilidade
• Processamento em tempo real
• Baixo custo

9. Sistema operacionalSistema operacional
ConceitosConceitos

10. Sistemas operacionais
Aplicação
SO
I/OCPUMemória

11. Sistemas operacionais
Aplicação
Kernel
Drivers
Maquinas
Virtuais
I/OCPUMemória
GUI
Sistema de
Arquivos
Troca de
Contexto
GUI
Bibliotecas
C/C++

12. Troca de contexto

13. Troca de contexto

14. Troca de contexto

15. Troca de contexto

16. Troca de contexto

17. SegurançaSegurança
ConceitosConceitos

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
• Interferência
eletromagnética
• Problemas de conexão
elétrica
• Bombardeamento de
partículas atômicas
• Falha por desgaste (vida
útil)
0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Tempo de funcionamento (anos)Probabilidadedefalha

20. Falhas em memórias

21. Falhas em memórias

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 detecçãoAlgoritmos de detecção
e correção de errose correção de erros
ConceitosConceitos

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. DesenvolvimentoDesenvolvimento

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
Generic Driver
driverAbstrato
driver
Controladora de Drivers
ddCtrddCtr_prm.h
ctrlMngr
Serial
ctrPID
DACADC
Aplicação
main
Interrupt Timer
serialMonitor pidController
*
Kernel
kernel
kernel_definitions process*
calculus
<<interface>>
function

31. Detecção de erro (CRC)
Interrupção
Salvar variáveis do
processo corrente
Calculo do CRC do
processo corrente
Carregamento do
próximo processo
CRC OK?
Fim da interrupção
Carrega variáveis do
próximo processo
Calculo do CRC do
próximo processo
Carrega rotina
de recuperação

32. Correção de erro (Hamming)
Interrupção
Salvar variáveis do
processo corrente
Calculo do CRC do
processo corrente
Carregamento do
próximo processo
Hamming OK?
Fim da interrupção
Carrega variáveis do
próximo processo
Calculo do Ham do
próximo processo
Corrige erros dos
dados da pilha

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
Interrupção
Salva
Hamming
Fim da interrupção
Processo
Atual é
RT?
Salva
CRC
Próximo
processo
é RT?
Checar CRC
Checar
Hamming
Reinicia
Processo
Corrige Pilha

35. ResultadosResultados

36. Consumo de memória

37. Consumo de CPUConsumo de CPU
ResultadosResultados

38. Sem processo em execução (idle)
Troca de contexto
Processo de tempo real
Processos extras (sobrecarga)

39. Consumo dos Escalonadores
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
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
EDF
RR
Troca de Contexto
Número de Processos
ConsumodeCPU

40. Consumo dos Escalonadores
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
EDF
RR
Número de Processos
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
0%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
Número de Processos
ConsumodeCPU
Sem Prioridade Com Prioridade

41. Consumo dos métodos de
detecção/correção
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
0%
10%
20%
30%
40%
50%
RR
CRC
Hamming
Número de Processos
ConsumodeCPU

42. Consumo dos métodos
otimizados

43. Consumo do método misto
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
10%
Medido
Calculado
Período pRT em ticks
ConsumodeCPU

44. Sem processo em execução (idle)
Troca de contexto
Processo de tempo real

45. Simulação de falhas naSimulação de falhas na
memóriamemória
ResultadosResultados

46. Falhas observadas com o sistema
de correção/detecção desligado
Byte Descrição
Bit
7 6 5 4 3 2 1 0
0 CRC (alto)
1 CRC (baixo)
2 Paginação
3 CCR
4 Acumulador B
5 Acumulador A
6 Indexador IX (alto)
7 Indexador IX (baixo)
8 Indexador IY (alto)
9 Indexador IY (baixo)
10 Contador de Programa (alto)
11 Contador de Programa (baixo)

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 confiabilidadeMelhoria na confiabilidade
do sistemado sistema
ResultadosResultados

50. Confiabilidade no funcionamento

51. Sistema de controleSistema de controle
ResultadosResultados

52. Resultados

53. Malha aberta
Resposta do sistema
Referência
Ação de controle
Simulação Teste na planta

54. Diagrama de blocos da simulação

55. Kp=1; Ki=0; Kd=0;
Resposta do sistema
Referência
Ação de controle
Simulação Teste na planta

56. Kp=1; Ki=5; Kd=0;
Resposta do sistema
Referência
Ação de controle
Simulação Teste na planta

57. Kp=10; Ki=3; Kd=0,02;
Resposta do sistema
Referência
Ação de controle
Simulação Teste na planta

58. ConclusãoConclusão

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. AgradecimentosAgradecimentos

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. ObrigadoObrigado