智能音箱=“窃听器”？我们可以这样来打造一个安全的IoT设备

N年前的新闻

最近，看到一则N年前的新闻：亚马逊出品的老款Echo音箱被人黑了。通过对这款音箱底部基座硬件的简单加工，英国安全研究人员展示了如何将恶意软件植入Echo的过程。恶意软件一旦植入便可以进行一系列恶劣的行径，监听、攻击网络中其他设备、盗用账号，甚至安装勒索软件，不一而足。

这就引出了IoT（物联网）领域的一个安全问题。看似平常的家用物件都可能成为“被黑”的对象，对于IoT设备安全风险的防范决不能掉以轻心，哪怕是小小的智能音箱都可能成为攻击的对象，变成枕边的窃听器。

智能音箱的安全威胁

智能音箱与智能手机不同，它不是一个开放式的产品，用户无法在其上安装运行任意App，所以传统的针对App的安全保护方案（比如App加固）完全不适用。智能音箱的安全威胁主要来自于以下几个方面：

1. 固化在智能音箱中的系统的安全性

在上面说的故事中，虽然是由于硬件设计造成的漏洞，但由于系统本身同样存在安全性问题，攻击者长驱直入，直接向系统内部植入恶意代码，这是以往针对App的加固保护方案无法解决的问题。要根本性的提高安全性，必须对整个系统的各个模块增强由内而外的安全基因，而不能寄希望于由外而内的加壳式保护。

2. 音箱设备缺乏一机一密的安全性

智能手机用户虽然硬件与系统相同，但是不同用户使用的App不尽相同。假设一部分用户由于安装了某些带有漏洞的App而被攻击，不使用该款App的用户则可能不受影响。智能音箱却不同，同款音箱的用户硬件、软件没有区别。攻击者一旦找到攻击方法，所有的用户都无一例外面临同样的威胁。这就相当于所有用户的家门钥匙都是相同的，任何一位用户钥匙被盗，所有用户都同时面临一样的危险。在这样的场景下，一机一密就显得犹为重要。如果生产的每一台音箱都具有独一无二的密钥和保护手段，则相当于每个用户都拥有完全不同的锁和钥匙，这样即使某位用户的锁被攻破，其他用户也不受影响，从而大大减小安全事件的影响度，也为厂家提供安全修复方案赢得更多时间。

3. 智能音箱传输数据的安全性

智能音箱通过网络传输的数据可能被截获或篡改。比如智能音箱都带有的语音识别功能，为了提高识别的准确率，音箱会先收集语音信息，然后将其上传至服务器端来作识别。对于传输数据的保护，常用方式是使用HTTPS等通信协议进行加密，虽然一般认为HTTPS能保证数据在传输链路上的完整性和不可篡改性，但是智能音箱中会内置对应的证书或密钥信息来完成加密和验证，如果音箱系统对于自身代码和数据的保护强度不够，一旦被攻击者逆向破解出关键的程序逻辑和证书密钥等敏感数据，并加以篡改，就能将这些语音数据传输至攻击者任意指定的服务器。

我们试试用加固技术来提高一下它的安全性

1. 加密通信

在智能音箱中，加密通信可以用于保护用户和设备之间的数据传输，例如语音指令和用户的个人信息等。常用的加密通信协议包括TLS/SSL等，这些协议通过使用公钥和私钥的方式来确保数据的机密性和完整性。

我们来看一个简单的示例代码，演示如何使用Python的requests库实现基于TLS/SSL的加密通信：

import requests

# 设置请求参数
url = "https://example.com"
headers = {
    "User-Agent": "Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/58.0.3029.110 Safari/537.3",
}

# 发送HTTPS请求，通过verify参数开启SSL/TLS验证
response = requests.get(url, headers=headers, verify=True)

# 输出响应内容
print(response.text)

参考上面，我们使用了requests库发送了一个HTTPS请求，通过设置verify参数为True来开启SSL/TLS验证。这样，请求过程中的数据传输就会通过加密方式进行保护，从而确保数据的机密性和完整性。

2. 强化身份验证

在智能音箱中，强化身份验证可以通过多因素身份认证、使用加密令牌等方式实现。来看看一个简单的示例代码，演示如何使用Python的Flask库实现基于JWT的身份验证：

from flask import Flask, request, jsonify
import jwt

app = Flask(__name__)

# 定义一个秘钥
secret_key = 'my_secret_key'

# 定义一个生成token的函数
def generate_token(user_id):
    payload = {
        'user_id': user_id,
    }
    token = jwt.encode(payload, secret_key, algorithm='HS256')
    return token

# 定义一个验证token的函数
def verify_token(token):
    try:
        payload = jwt.decode(token, secret_key, algorithms=['HS256'])
        return payload['user_id']
    except:
        return None

# 定义一个登录接口，验证用户身份并生成token
@app.route('/login', methods=['POST'])
def login():
    username = request.form.get('username')
    password = request.form.get('password')
    # 验证用户名和密码
    user_id = verify_user(username, password)
    if user_id:
        # 生成token
        token = generate_token(user_id)
        return jsonify({'token': token})
    else:
        return jsonify({'error': 'Invalid username or password'})

# 定义一个需要身份验证的接口
@app.route('/protected')
def protected():
    # 从请求头中获取token
    token = request.headers.get('Authorization').split(' ')[1]
    # 验证token
    user_id = verify_token(token)
    if user_id:
        return jsonify({'message': 'Hello, user {}'.format(user_id)})
    else:
        return jsonify({'error': 'Invalid token'})

if __name__ == '__main__':
    app.run()

3. 实现安全固件

在智能音箱中，实现安全固件可以使用一些特定的开发工具和技术，如使用硬件安全模块、进行代码加密和混淆、使用静态和动态分析工具等。简单写一个示例代码，演示如何使用C语言和嵌入式开发环境实现安全固件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

// 定义加密函数
void encrypt(char *str, char *key) {
    int len = strlen(str);
    int keylen = strlen(key);
    for (int i = 0; i < len; i++) {
        str[i] ^= key[i % keylen];
    }
}

// 定义加固函数
void secure_firmware() {
    // 读取固件二进制文件
    FILE *fp = fopen("firmware.bin", "rb");
    fseek(fp, 0, SEEK_END);
    int size = ftell(fp);
    fseek(fp, 0, SEEK_SET);
    char *firmware = (char*) malloc(size);
    fread(firmware, size, 1, fp);
    fclose(fp);

    // 加密固件二进制文件
    char *key = "my_secret_key";
    encrypt(firmware, key);

    // 写入加密后的固件二进制文件
    fp = fopen("secure_firmware.bin", "wb");
    fwrite(firmware, size, 1, fp);
    fclose(fp);
}

int main() {
    // 调用加固函数
    secure_firmware();
    return 0;
}

不过，在实际应用中，我们可以使用更加高级的加固技术和开发工具，比如加密芯片、安全编译器等等。

4. 虚拟源码保护

虚机源码保护在音箱内置系统的编译阶段，针对源码进行保护，从而不仅能够保护App，更能保护整个内置系统的安全性。对于保护的强度，顶象使用动感虚机指令的专利技术对代码进行保护，攻击者无法轻易逆向破解，不仅如此，每台设备的虚机指令都是独一无二的，任何一台设备被攻破，其他设备仍不受影响，从而达到一机一密的高安全性。

简单演示一下：

import virtualization

# 虚拟化音箱应用程序的源代码
virtualized_code = virtualization.virtualize(source_code)

# 加载虚拟化后的代码
app = load(virtualized_code)

# 运行应用程序
app.run()

上面代码使用了一个名为“virtualization”的库来虚拟化智能音箱应用程序的源代码。这个库可以将原始代码转换为一种虚拟语言，使得逆向工程变得更加困难。然后，我们使用“load”函数来加载虚拟化后的代码，并将其作为一个可执行的应用程序运行。

5. 安全SDK

安全SDK同样内置一机一密的加密方案，从而设备中不再需要内置证书或密钥等敏感信息。除了能够对数据提供高强度的加密之外，还能识别不受信任的服务器，从而从源头防止用户数据的泄露。

流程稍微复杂一些：

import com.security.sdk.SecuritySDK;

public class MySmartSpeaker {

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化安全SDK
        SecuritySDK.init();
        
        // 进行用户身份认证
        boolean isAuthenticated = SecuritySDK.authenticateUser("username", "password");
        if (!isAuthenticated) {
            System.out.println("Authentication failed, exiting...");
            System.exit(1);
        }
        
        // 加载应用程序
        String appCode = SecuritySDK.loadApp("appname");
        if (appCode == null) {
            System.out.println("Failed to load app, exiting...");
            System.exit(1);
        }
        
        // 执行应用程序
        SecuritySDK.execute(appCode);
        
        // 卸载应用程序
        SecuritySDK.unloadApp(appCode);
    }

}

首先初始化安全SDK，并进行用户身份认证。然后，使用安全SDK加载应用程序，并执行应用程序。最后，卸载应用程序。在这个过程中，安全SDK可以提供加密、验证、防篡改等一系列的安全功能，保护智能音箱应用程序的安全性。

结语

智能音箱的普及，是我们进入万物互联世界的起始，但是安全问题是很多人目前不大能意识到，但实际上又有这非常大威胁的。正应了那句老话：千里之行，始于足下；千里之堤，毁于蚁穴。

希望各位智能音箱的厂家们，都能意识并重视并实践智能音箱安全问题。

加固产品：免费试用