• Arduino Uno Rev3

• 2x płytka ESP32-DevKitC

• Raspberry Pi Zero 2 WH 512 MB RAM - WiFi + BT 4.2

• Czujniki (BMP280, DHT11, LM35, fotorezystor)

• Podstawowe komponenty elektroniczne (płytka stykowa, diody LED, rezystory, tranzystory, potencjometry, przyciski tact-switch)

• Moduły wspomagające - wyświetlacz LCD, sterownik silnika L293D, ekspander PCF8574, rejestr przesuwny 74HC595

• Komplet przewodów połączeniowych

W zestawie nastąpiły pewne modyfikacje, o których piszę pod koniec artykułu.

Chciałbym zaznaczyć, że w kolejnych artykułach będą się pojawiać różne nieznane określenia. Sukcesywnie wraz z posuwaniem się projektu naprzód będę wyjaśniał wszystkie niezrozumiałe pojęcia, a z czasem na stronie pojawi się też słowniczek pojęć.

Arduino Uno Rev3

Jeśli nie mieliście z nim do czynienia - krótko mówiąc, Arduino Uno Rev3 to płytka rozwojowa zawierająca wszystko, co potrzebne do zbudowania własnego urządzenia bez projektowania elektroniki od podstaw. Służy do szybkiego tworzenia prototypów urządzeń. Najważniejszym elementem jest mikrokontroler ATmega328P taktowany zegarem 16 MHz, który integruje 32 kB pamięci Flash, 2 kB pamięci SRAM i 1 kB pamięci EEPROM. Na płytce mamy do dyspozycji interfejsy UART, I2C, SPI. Komunikację z komputerem zapewnia konwerter USB ↔ UART. Zasilanie wejściowe 7–12 V, napięcie operacyjne 5 V. Płytka wystawia 14 uniwersalnych pinów GPIO (wejść/wyjść), w tym 6 ma możliwość generowania sygnału PWM. Dodatkowo mamy jeszcze 6 pinów działających jako wejścia analogowe, które można też wykorzystać jako wejścia/wyjścia cyfrowe.

ESP32-DevKitC z wbudowanym modułem ESP-WROOM-32

ESP32-DevKitC to także płytka rozwojowa. Zawiera moduł ESP-WROOM-32, w którym pracuje układ ESP32 - z dwurdzeniowym procesorem Xtensa LX6 (taktowanym do 240 MHz) i 520 kB pamięci SRAM - a obok niego siedzi osobna kość 4 MB pamięci Flash. Najważniejsza różnica względem Arduino Uno to wbudowane radio: WiFi 802.11 b/g/n (tylko pasmo 2,4 GHz) oraz Bluetooth 4.2 (Classic i BLE). To właśnie ono pozwoli nam stworzyć system IoT komunikujący się ze światem zewnętrznym. To także ono dodaje największą nową powierzchnię ataku — dlatego ESP32 będzie głównym bohaterem części poświęconej bezpieczeństwu. Układ umożliwia komunikację przez interfejsy UART, SPI, I2C. Mamy także ok. 25 użytecznych pinów GPIO, wśród których znajdziemy 12-bitowe wejścia analogowe (ADC), dwa wyjścia analogowe (DAC). Zasilanie wejściowe 5 V przez USB, napięcie operacyjne 3,3 V. Całość działa pod kontrolą systemu operacyjnego czasu rzeczywistego FreeRTOS.

Co z tego wszystkiego zrobimy

Z wymienionego sprzętu chciałbym stworzyć projekt, który w dłuższej perspektywie pozwoli poznać podstawy embedded i IoT. Najpierw zbudujemy samo urządzenie bez patrzenia na kwestie bezpieczeństwa, a potem zobaczymy, które elementy są narażone na ataki i jak je zabezpieczyć.

Projekt wyobrażam sobie jako stację pogodową składającą się z dwóch modułów - pierwszy to ESP32 z różnego rodzaju czujnikami oraz baterią ładowaną z ogniwa fotowoltaicznego. Zbyt niski poziom naładowania będzie od razu sygnalizowany odpowiednim kolorem diody LED. Początkowo takie ładowanie uprościmy do zasilania z wymiennych baterii, żeby skoncentrować się na zbudowaniu działającego systemu, a nie na jego zasilaniu. W późniejszych etapach zbudujemy również opisane wyżej rozwiązanie.

Drugim modułem będzie bramka z ESP32 umożliwiająca przesyłanie danych z czujników do serwera - fizycznej maszyny z usługą brokera MQTT oraz bazą danych. Moduły będą komunikować się bezprzewodowo. Bramka będzie przekazywać dane bezprzewodowo na serwer (gdzie informacje będą gromadzone i przetwarzane) oraz przewodowo do innego urządzenia (Arduino), które będzie te informacje pokazywało na wyświetlaczu LCD. W module drugim będzie też parę przycisków, które pozwolą na wybór informacji pojawiających się na wyświetlaczu.

Oprócz danych w czasie rzeczywistym ekran LCD będzie mógł pokazywać również prognozę pogody z serwisów informacyjnych. Z czasem być może nawet zamienimy ekran LCD na bardziej zaawansowany lub tablet z Androidem, z ładniejszą warstwą prezentacji danych.

Zbudowanie całego urządzenia pozwoli zapoznać się z niezbędnymi podstawami elektroniki, embedded, programowania, a także komunikacji przewodowej i bezprzewodowej oraz łączności sieciowej. Żeby zbudować takie urządzenie, trzeba będzie nauczyć się czytać schematy elektroniczne przynajmniej w podstawowym zakresie. Kiedy urządzenie będzie już gotowe i podłączone do sieci, spróbujemy je atakować i szukać luk w zabezpieczeniach oraz wyciągać wnioski, jakie elementy systemu są narażone i w jaki sposób można je chronić.

Cały projekt będzie dostępny w repozytorium secure-weather-station na GitHubie, gdzie będzie można regularnie sprawdzać, jak wyglądają postępy. Projekt na GitHubie będzie prowadzony wyłącznie po angielsku, ale wszystkie wymagające wyjaśnienia tematy opiszę w powiązanych artykułach, nazywanych według schematu „Stacja pogodowa: temat”, np. „Stacja pogodowa: pierwsze uruchomienie ESP32”.

W liście podzespołów na początku były podane elementy: sterownik silnika L293D, ekspander PCF8574 i rejestr przesuwny 74HC595. Na razie nie będę ich wykorzystywał, dlatego zostaną usunięte z listy elementów w projekcie.

Pierwsze problemy oraz ich wpływ na projekt

Już na samym początku zetknąłem się z pierwszymi problemami, których nie przewidziałem. Pierwszy to dostępność urządzeń. Pierwotnie planowałem, że na Raspberry Pi uruchomię usługę brokera MQTT, ale okazało się, że w sklepach internetowych, w których szukałem, jest problem z dostępnością urządzenia. Oficjalna cena katalogowa wersji bez goldpinów to 15 $. Wariant WH jest kilka dolarów droższy — a w Polsce dostępne od ręki egzemplarze sięgają 400 zł. Postanowiłem więc zamówić urządzenie w przyzwoitej cenie i poczekać na dostawę przewidywaną w okolicach lutego 2027 r. W związku z tym opóźnieniem usługę brokera MQTT uruchomię na laptopie, na którym mam postawiony serwer Ubuntu, a gdy przyjdzie Raspberry Pi, wrócimy do pierwotnej koncepcji (baza danych zostanie na laptopie).

Drugi problem: w gotowym zestawie komponentów pod Arduino, który zakupiłem, wyświetlacz LCD jest dość mały. Żeby nie zwiększać kosztów projektu, na razie nie będę kupował innego.

Trzeci to różnica napięć operacyjnych urządzeń. Arduino to 5 V, a ESP32 to 3,3 V. Jeśli podamy sygnał z Arduino bezpośrednio na ESP32, może on uszkodzić układ, dlatego będzie potrzebny konwerter poziomów logicznych (level shifter), którego zakupu nie przewidziałem. Na szczęście taki układ jest dość tani, ale to oznacza kolejne zamówienie.

Czwarty: płytka stykowa jest za mała, żeby wygodnie umieścić na niej ESP32. Żeby to zrobić wygodnie, będę potrzebował jeszcze dwóch szerszych płytek stykowych - tak więc koszty projektu nieznacznie wzrosną również z tego powodu. Reszta elementów jest już w porządku i powinna w zupełności wystarczyć do budowy stacji.

W kolejnym artykule spróbujemy uruchomić jedno z urządzeń i w jakiś sposób je ożywić.

Urządzenia embedded

Żeby sobie wyobrazić, czym są urządzenia embedded, warto pomyśleć o komputerze ogólnego przeznaczenia, który większość osób ma w domu lub wykorzystuje w pracy. Można go wykorzystywać do niezliczonej liczby zadań - od celów biznesowych po rozrywkę. Najczęściej korzystamy z edytorów tekstu, przeglądamy Internet w poszukiwaniu informacji, oglądamy filmy oraz słuchamy muzyki. Oczywiście jest to bardzo skrócona lista sposobów użycia. Taki komputer, z którego korzystamy na co dzień, jest zbudowany zazwyczaj z różnych komponentów - płyty głównej, procesora, pamięci RAM, dysku twardego, monitora, myszki i klawiatury. Wszystkie razem tworzą komputer, który dzięki nim działa tak, jak się spodziewamy.

W przeciwieństwie do komputerów osobistych urządzenia embedded nie mają tak złożonego zestawu operacji, które można na nich wykonać, i zazwyczaj są skoncentrowane wokół jednego specjalistycznego zadania. Wróćmy do przykładów z początku artykułu: mikrofalówka raczej nie będzie miała możliwości odtwarzania muzyki. Ale jako urządzenie o konkretnym przeznaczeniu spełnia swoją rolę - odgrzewa i rozmraża potrawy. Można ustawić, z jaką mocą ma pracować, po jakim czasie powinna się wyłączyć itd. Starsze mikrofalówki realizowały to za pomocą mechanicznego programatora z pokrętłami; współczesne robią to za pomocą wbudowanego małego komputera. I to jest główna zasada w embedded: mały komputer - procesor z pamięcią wykonujący program - wbudowany w większe urządzenie. Taki system specjalizuje się w wąskim spektrum zastosowań, przeważnie w jednym zadaniu. Procesor i pamięć mogą występować jako osobne układy lub być zintegrowane w mikrokontrolerze (mały komputer zawierający procesor, pamięć oraz interfejsy wejścia/wyjścia w jednym układzie scalonym); korzystają też z urządzeń peryferyjnych - różnego rodzaju czujników (np. czujnik temperatury) albo urządzeń ułatwiających sterowanie czy komunikację, np. ekranu dotykowego. Urządzenia embedded mogą mieć proste oprogramowanie lub bardziej złożony system operacyjny, taki jak Linux. Projektanci embedded muszą się liczyć z ograniczonymi zasobami obliczeniowymi, nierzadko muszą także ograniczać zużycie prądu (np. gdy urządzenie jest zasilane z baterii). Jeśli urządzenie wymaga działania w czasie rzeczywistym (real time - gwarantowany czas wykonania operacji), niesie to ze sobą kolejne wyzwania.

IoT

Można powiedzieć, że urządzenia Internetu Rzeczy (Internet of Things) wprowadzają jedną, ale znaczącą zmianę w urządzeniach embedded – łączność sieciową. Dzięki niej urządzenia IoT mogą same lub z wykorzystaniem specjalnej bramki komunikować się ze światem zewnętrznym – chmurą, aplikacjami czy innymi urządzeniami. W tym celu mogą być wykorzystywane Wi‑Fi, Bluetooth, sieć komórkowa itd. Wymiana danych ze światem zewnętrznym nierzadko oznacza połączenie z chmurą, gdzie są one gromadzone i przetwarzane. Bardzo często z urządzeniami IoT możemy łączyć się przez aplikację mobilną lub webową. Można tymi urządzeniami zarządzać na dużą skalę lub aktualizować ich oprogramowanie bez konieczności interakcji z fizycznym urządzeniem. Przykładowo, smart lodówka ma możliwość automatycznego dodawania na listę produktów, które do niej wkładasz; listę możesz potem zobaczyć na swoim smartfonie. Będziesz otrzymywał powiadomienia, gdy dany produkt będzie zbliżał się do końca terminu ważności. Oprócz rzeczy związanych z żywnością możesz też np. sterować muzyką w domu z wyświetlacza lodówki.

Warto wspomnieć, że każde urządzenie IoT jest zbudowane na embedded - po prostu wprowadza tę jedną dodatkową warstwę łączności sieciowej wykorzystującą protokół IP (Internet Protocol).

Bezpieczeństwo

Zastanawiając się nad powyższą charakterystyką urządzeń embedded i IoT, można łatwo dostrzec, że wzbogacenie urządzenia o warstwę sieciową może dodać kolejne wektory ataku. Zagrożone jest już nie tylko pojedyncze urządzenie, lecz także cały ekosystem – protokoły sieciowe, backend i rozwiązania chmurowe, aplikacje webowe i mobilne. Skoro urządzenia IoT są osiągalne przez Internet, fizyczny dostęp do urządzenia nie jest potrzebny, by je zaatakować. Wymaga to poważnego podejścia do bezpieczeństwa i regularnych aktualizacji oprogramowania.

Czego można się spodziewać w najbliższym czasie po tym blogu?

Będę pisał o tym, co odkryłem w trakcie zbierania doświadczenia z IoT security

Na początku jedna ważna sprawa – nie jestem specjalistą od IoT security (a przynajmniej na razie 😉). Blog jest dla mnie miejscem, w którym zamierzam opisywać ścieżkę prowadzącą do wzmocnienia technicznych kompetencji związanych z bezpieczeństwem IoT. Mogą więc tutaj pojawiać się informacje, z którymi osoby pracujące od lat w tej dziedzinie nie będą się zgadzać — i w zasadzie na to liczę, ponieważ popełnianie błędów i uczenie się na nich jest najlepszą metodą nauki. Jeśli jednak moja wiedza w jakimś temacie się pogłębi i będzie trzeba dokonać rewizji, bez wątpienia to zrobię.

Opiszę pokrótce, na jakim sprzęcie będę pracował i jakie tematy będę poruszał w najbliższym czasie.

Sprzęt

Chciałem zacząć na początek od czegoś w miarę prostego i nie obciążającego przy okazji nadmiernie budżetu. Celem były zakupy za ok. 500 zł pozwalające stworzyć w przyszłości jakiś prosty system połączonych ze sobą urządzeń, które będą zbierały różnego typu dane i dzieliły się nimi między sobą.

Oto lista urządzeń i elementów, które będą bazą do moich testów:

• Arduino Uno Rev3

• 2 x Płytka ESP32-DevKitC

• Raspberry Pi Zero 2 WH 512MB RAM - WiFi + BT 4.2

• Czujniki (BMP280, DHT11, LM35, fotorezystor)

• Podstawowe komponenty elektroniczne (płytka stykowa, diody LED, rezystory, tranzystory, potencjometry, przyciski tact-switch)

• Moduły wspomagające – wyświetlacz LCD, sterownik silnika L293D, ekspander PCF8574, rejestr przesuwny 74HC595

• Komplet przewodów połączeniowych

Tematy

Będę opisywał, czego sam się uczę przechodząc ścieżkę od “zera”. Chociaż jestem elektronikiem i pracuję z urządzeniami IoT, to jednak będę pokazywał ścieżkę, którą musi przejść osoba kompletnie niemająca pojęcia o embedded i IoT, ale mająca doświadczenie w IT – w testowaniu, programowaniu lub innych technicznych aspektach pracy z dostarczaniem oprogramowania. Chciałbym, żeby osoba mająca doświadczenie z aplikacjami webowymi i mobilnymi mogła dzięki wiedzy zgromadzonej na tym blogu stać się specjalistą od bezpieczeństwa IoT i nie bała się pracować z fizycznymi urządzeniami. Nie będę się jednak zagłębiał w tematy elektroniki czy embedded, które nie są potrzebne do zrozumienia podstaw bezpieczeństwa IoT. Początkowo tematów związanych z samym embedded będzie więcej, a z czasem liczba artykułów związanych z IoT i bezpieczeństwem będzie wzrastać.

Wiedzę będę zdobywał sukcesywnie przez szukanie i czytanie treści już istniejących w internecie, branie udziału w meetupach i konferencjach branżowych oraz doszkalanie się podczas kursów zgłębiających temat. Wierzę, że na swojej drodze uda mi się również znaleźć osoby – specjalistów z branży, które będą gotowe podzielić się swoim doświadczeniem i wiedzą. Wszystko, co odkryję, będę opisywał tutaj na blogu. Początkowo przyjąłem też pewną kolejność tematów i będę sukcesywnie podążał tą ścieżką, ale ponieważ sam się uczę, nie jest to wyryte w kamieniu i będę ją dostosowywał w trakcie (obecnie nie wiem, czego nie wiem — a to sprawia, że może się tam pojawić wiele innych potrzebnych elementów lub trzeba będzie ją nieco przeprojektować). Na obecną chwilę wygląda ona następująco:

Embedded od strony firmware’u i security – będzie o tym, jak jest zbudowany hardware i jak współpracuje z firmware’em oraz gdzie są słabe punkty, mogące wpływać na bezpieczeństwo. Z tematów na tym etapie na pewno będą architektura mikrokontrolera, GPIO i elektronika, protokoły sprzętowe, trochę o C/C++ dla czytania firmware’u. Będę starał się też zawsze przy tematach pokazywać praktyczne eksperymenty pozwalające zrobić coś samemu i zweryfikować, jak w praktyce wygląda omawiana teoria.

Linux i tematy związane z komunikacją sieciową - przyjrzymy się systemowi Linux i protokołom sieciowym, porozmawiamy o modelu OSI oraz TCP/IP.

Protokoły w IoT - będzie o protokołach MQTT/BLE/CoAP a także o bezpieczeństwie WiFi, provisioning i OTA

Podstawy bezpieczeństwa - m. in. OWASP IoT Top 10, kryptografia, uwierzytelnianie, analiza firmware’u, bezpieczeństwo API dla backendu IoT, atakowanie powierzchni hardware’u, spróbujemy stworzyć środowisko z podatnościami bezpieczeństwa i zaatakujemy jego infrastrukturę. Następnie dowiemy się, jak bronić się przed takimi atakami.

Automatyzacja security - używanie istniejących narzędzi i pisanie własnych skryptów, automatyzacja w różnych warstwach podatnych na ataki oraz bezpieczeństwo w CI/CD

Powyższa lista to taka bardzo ogólna ścieżka. Oprócz wiedzy teoretycznej będę pracował na fizycznym sprzęcie, który pewnie będzie rozbudowywany o nowe urządzenia i moduły.

To tylko ogólny skrót tematów, które chcę poruszać, tak więc jeśli te tematy są dla Ciebie interesujące, zachęcam do subskrybowania i pozostania w kontakcie.