譚軍

隨著個(gè)人和企業(yè)越來(lái)越注重?cái)?shù)據(jù)安全，通常重金購(gòu)買各種安全產(chǎn)品，如防火墻、VPN、入侵防御系統(tǒng)、應(yīng)用控制網(wǎng)關(guān)、各種殺毒軟件等，希望構(gòu)造一個(gè)全方位的安全辦公應(yīng)用環(huán)境，所有數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、應(yīng)用都在這樣的安全環(huán)境里，從而保證數(shù)據(jù)的安全性。很多時(shí)候，數(shù)據(jù)的安全性已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備本身的價(jià)值。但是，搭建這樣的一套安全防護(hù)系統(tǒng)，我們的數(shù)據(jù)就真的安全了嗎？數(shù)據(jù)離不開(kāi)存儲(chǔ)，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的最終載體硬盤，為數(shù)據(jù)提供最終的存儲(chǔ)空間。所有需要永久性記錄的數(shù)據(jù)，必須存放在像硬盤這樣的永久性存儲(chǔ)載體上。數(shù)據(jù)在硬盤上進(jìn)行存儲(chǔ)，那通過(guò)硬盤讀寫的數(shù)據(jù)安全可靠嗎？

硬盤結(jié)構(gòu)與原理

硬盤目前市面上主要分為機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤（SSD），我們先來(lái)看看硬盤的原理和構(gòu)造，如下圖所示。

這是一個(gè)簡(jiǎn)化的硬盤結(jié)構(gòu)圖，機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤SSD具有相似的結(jié)構(gòu)。由上圖可以看出，硬盤內(nèi)部其實(shí)還有一個(gè)小系統(tǒng)，有處理器，有ROM，有緩存RAM等。

其中，處理器運(yùn)行固件，負(fù)責(zé)初始化周邊模組，驅(qū)動(dòng)周邊模組完成命令和數(shù)據(jù)的處理以及傳輸控制等；緩存用于主機(jī)和存儲(chǔ)介質(zhì)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)使用；主機(jī)接口負(fù)責(zé)對(duì)接主機(jī)側(cè)的命令協(xié)議和數(shù)據(jù)傳輸；ROM負(fù)責(zé)加載處理器提供存儲(chǔ)服務(wù)的產(chǎn)品固件。

對(duì)于機(jī)械硬盤，產(chǎn)品固件可能存放在獨(dú)立的I2C接口的EEPROM上，也可能存放在SPI接口的NOR flash上。對(duì)于固態(tài)硬盤SSD，產(chǎn)品固件通常存放在NAND Flash上的系統(tǒng)區(qū)（由固件定義，用戶不可見(jiàn)區(qū)域）。產(chǎn)品固件可能是在出廠時(shí)由硬盤廠商寫好的，也可能是在后續(xù)的使用過(guò)程中，或者某個(gè)中間環(huán)節(jié)通過(guò)升級(jí)工具升級(jí)寫入的。幾乎所有的硬盤廠商，考慮修復(fù)軟件bug等因素，都會(huì)提供升級(jí)功能。

硬盤上電時(shí)，處理器執(zhí)行Boot ROM，Boot ROM再加載產(chǎn)品固件，然后將CPU控制權(quán)移交給產(chǎn)品固件。產(chǎn)品固件獲取控制權(quán)過(guò)后，通過(guò)控制主機(jī)接口、DMA以及緩存資源等，來(lái)完成主機(jī)業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)的存取業(yè)務(wù)。由于產(chǎn)品固件存放于硬盤的系統(tǒng)區(qū)，運(yùn)行于硬盤的內(nèi)部小系統(tǒng)，這部分?jǐn)?shù)據(jù)和處理獨(dú)立于主機(jī)所在安全系統(tǒng)以外，不受任何安全措施監(jiān)控。所以，數(shù)據(jù)如何處理，完全受控于產(chǎn)品固件本身，產(chǎn)品固件本身的可靠性和安全性，在很大程度上決定了數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

那么，問(wèn)題來(lái)了，我們的產(chǎn)品固件是否安全？如果不安全，如何保證安全？

固件與安全

硬盤制造商在發(fā)布固件時(shí)，有的廠家為了簡(jiǎn)化處理，只簡(jiǎn)單在固件頭部寫入部分廠家標(biāo)識(shí)和版本標(biāo)識(shí)，方便在后續(xù)的生產(chǎn)和升級(jí)場(chǎng)景進(jìn)行識(shí)別；有的做的多一點(diǎn)，在前面的基礎(chǔ)上還對(duì)固件進(jìn)行了CRC校驗(yàn)，檢查固件數(shù)據(jù)的完整性。前者可以識(shí)別是否是自己固件以及對(duì)應(yīng)版本號(hào)，后者則可以進(jìn)一步看出固件在傳輸過(guò)程中是否發(fā)生了變化。

這些手段在大部分應(yīng)用下已經(jīng)可以滿足需要，但無(wú)法防止帶有惡意目的的特殊用戶對(duì)固件進(jìn)行針對(duì)性的修改（hacker行為），注入惡意軟件代碼，然后再重新計(jì)算出新的CRC來(lái)偽裝成合法的固件。這種經(jīng)過(guò)偽裝的固件，可以在硬盤流通和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)通過(guò)升級(jí)方式寫入，并在重新使用時(shí)駐扎硬盤內(nèi)部小系統(tǒng)，且完全不被任何安全措施發(fā)現(xiàn)。

如果這種帶有惡意代碼的固件接管硬盤的內(nèi)部小系統(tǒng)，那么接下來(lái)，他可以做更多可怕的事情。比如識(shí)別并截取BiOS加載loader的讀命令，返回感染的loader數(shù)據(jù)。如果bios加載了受感染的loader，并將CPU控制權(quán)交給這種loader，那么接下來(lái)就可以做更多攻擊行為，如截取密碼等。且這種感染的loader非常隱蔽（不在硬盤用戶可見(jiàn)區(qū)），在系統(tǒng)啟動(dòng)階段即被激活，可無(wú)限次復(fù)活，危害性巨大。

這種惡意固件還可通過(guò)檢測(cè)固定特征或地址的讀寫數(shù)據(jù)內(nèi)容，截取并修改內(nèi)容；或者記錄內(nèi)容，將其寫入系統(tǒng)不可見(jiàn)區(qū)，等待合適時(shí)候獲取記錄內(nèi)容等各種非法行為。

這種直接對(duì)硬盤固件的攻擊行為，隱蔽性高，不易發(fā)現(xiàn)，但卻危害巨大，曾經(jīng)被著名的“方程式組織”所采用，攻擊了多個(gè)硬盤廠商的硬盤，覆蓋包括中國(guó)、俄羅斯、英國(guó)在內(nèi)的30多個(gè)國(guó)家。

其實(shí)，這種攻擊很容易防范，因?yàn)榉欠ü碳欢ㄒ螺d到硬盤內(nèi)部，且被內(nèi)部的ROM加載過(guò)后才可運(yùn)行。硬盤廠商完全可以在生產(chǎn)、升級(jí)以及ROM加載階段，通過(guò)對(duì)固件進(jìn)行合法性檢測(cè)，來(lái)杜絕非法固件下載并獲取到CPU的控制權(quán)。如版本發(fā)布時(shí)對(duì)固件進(jìn)行簽名，生產(chǎn)和升級(jí)時(shí)硬盤對(duì)下載的固件進(jìn)行驗(yàn)簽，ROM加載時(shí)也驗(yàn)簽整個(gè)固件。所有操作都保證固件真正合法，理論上就杜絕所有惡意目的惡意行為。

如果固件是合法安全的固件，是否數(shù)據(jù)在所有場(chǎng)景下就安全了呢？

合法安全的固件讓硬盤處于一個(gè)安全的運(yùn)行環(huán)境。但我們平時(shí)使用時(shí)，通常一個(gè)環(huán)境被多個(gè)人使用，或者需要經(jīng)常移動(dòng)硬盤接入多個(gè)不同的主機(jī)環(huán)境，這樣的應(yīng)用場(chǎng)景下，數(shù)據(jù)是否安全？

數(shù)據(jù)安全

用戶存放在硬盤上的數(shù)據(jù)，由于內(nèi)容不同，可能對(duì)用戶的重要性也不盡相同。如何保證訪問(wèn)特定數(shù)據(jù)內(nèi)容的用戶一定是真正對(duì)應(yīng)的合法用戶？你可能首先想到這個(gè)可以由系統(tǒng)來(lái)保證，和硬盤沒(méi)有關(guān)系。那么，再加上一條，如果這個(gè)硬盤是一塊移動(dòng)硬盤呢？在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景下，我們的移動(dòng)硬盤可能會(huì)在多個(gè)不同安全環(huán)境下進(jìn)行接入。如何從存儲(chǔ)的角度來(lái)保證數(shù)據(jù)訪問(wèn)的用戶是被授權(quán)的用戶？

如果將數(shù)據(jù)訪問(wèn)與用戶權(quán)限進(jìn)行一對(duì)一綁定，在用戶訪問(wèn)特定范圍數(shù)據(jù)時(shí)，需要得到對(duì)應(yīng)區(qū)間授權(quán)，硬盤按照區(qū)間范圍對(duì)用戶鑒權(quán)成功過(guò)后，才被允許數(shù)據(jù)訪問(wèn)，那么這種訪問(wèn)方式，無(wú)疑將滿足最大可能性的數(shù)據(jù)訪問(wèn)安全。

更進(jìn)一步，不同區(qū)間的數(shù)據(jù)使用不同的密鑰對(duì)數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)，加密密鑰必須與對(duì)應(yīng)區(qū)間的授權(quán)碼有綁定關(guān)系，只有正確的授權(quán)碼才能解開(kāi)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)的加密密鑰，通過(guò)這樣的一種方式，數(shù)據(jù)將得到最大安全保障。

固件安全保證生產(chǎn)、升級(jí)時(shí)只有合法的固件才能下載到硬盤；數(shù)據(jù)安全保證硬盤使用過(guò)程當(dāng)中，只有得到數(shù)據(jù)訪問(wèn)授權(quán)的用戶，才能訪問(wèn)對(duì)應(yīng)區(qū)域的重要數(shù)據(jù)，保證訪問(wèn)合法性。那么，硬盤淘汰過(guò)后的數(shù)據(jù)如何保證數(shù)據(jù)不被非法訪問(wèn)呢？

數(shù)據(jù)銷毀

硬盤因?yàn)槿萘?、性能、可靠性等原因，可能面臨升級(jí)換代或淘汰。但通常這種淘汰下來(lái)的硬盤有很大可能性被重新流通使用或者被存有惡意目的用戶非法獲取，且這種硬盤上通?？赡苡腥菀妆晃覀兒雎缘闹匾獢?shù)據(jù)和信息。

一般的做法可能是，格式化整個(gè)硬盤，或杜絕這類硬盤進(jìn)行再次流通，統(tǒng)一物理銷毀。但這樣的方法前者比較耗時(shí)，且不一定真正的刪除了硬盤上的數(shù)據(jù)；后者雖可真正銷毀，但增加成本。

有沒(méi)有一種辦法，成本低，能夠快速銷毀硬盤上的數(shù)據(jù)，且銷毀后理論上無(wú)法再次恢復(fù)數(shù)據(jù)？答案當(dāng)然是肯定的，且當(dāng)前有些做得好的硬盤廠商已經(jīng)支持，目前國(guó)科微的SSD硬盤方案已具有這種功能，這就是硬盤的安全擦除。

所有支持安全擦除功能的硬盤，其上的數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)符合行業(yè)或國(guó)家認(rèn)可的加密算法進(jìn)行加密存儲(chǔ)的。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)銷毀時(shí)，我們只需要向硬盤發(fā)送一個(gè)安全擦除命令，硬盤收到命令后對(duì)數(shù)據(jù)加密的密鑰進(jìn)行銷毀。一旦數(shù)據(jù)的加密密鑰被銷毀，硬盤上存放的密文數(shù)據(jù)再也無(wú)法恢復(fù)回來(lái)。

當(dāng)然，這種用于數(shù)據(jù)加密的密鑰，一定是不同硬盤唯一的，甚至同一硬盤不同區(qū)域唯一的，且是隨機(jī)產(chǎn)生的，存儲(chǔ)的方式必須也是以密文方式存放，這樣就可以保證密鑰的唯一性和不可復(fù)制。一旦密鑰被銷毀，那么技術(shù)上無(wú)法找到恢復(fù)的可能性。