认证 RTOS 的隔离特性：SAFERTOS ESM / CMSIS-RTX5 安全特性

这一族 RTOS 在"功能核 + 认证"之上，额外加了**访问控制与诊断特性**，会产生两类误判：

同一 VA：Task A 能访问、Task B 不能
  → 可能只是 per-task 区域/保护域策略

某 API 调用失败 / 某线程不运行
  → 可能只是调用方安全等级不够

先在"谁能访问什么"这一层解释，再去怀疑对象损坏或逻辑错误。 </CORE RULE>

一、SAFERTOS + Enhanced Security Module（ESM）

基础 SAFERTOS 的空间隔离目标是非故意的内存访问（损坏/编程错误）；ESM 把它加固到抵御"蓄意的"越权访问。

机制	作用
访问控制策略（ACP）	限制每个任务可访问的 API 数量（例如禁止某任务改自己的特权级、改访问权限、创建新资源）；任务越受限，被攻陷后的攻击面越小
对象访问控制策略（OACP）	限制每个任务可访问的 RTOS 对象（队列、信号量、事件组等），把任务约束在初始化时分配给它的对象上
间接对象 ID	把传统句柄（本质是 C 指针）换成经交叉引用表解析的 Object ID，使任务无法从句柄推出对象/TCB 的内存位置
per-task MPU/MMU 区域	每任务 3 或 5 个可配置区域（随处理器变体）；每次上下文切换都会重新编程；默认非特权任务只能访问自己的栈

区域要求：大小必须是 32 字节的倍数，基址必须 32 字节对齐
可定义对所有任务可见的全局区域；绝不应把另一个任务的栈分配给某任务
区域在任务创建时配置（可读/可写/可执行、用户或特权），运行期可以重新配置
ESM 还包括：数据混淆、安全的用户/内核空间分离层、任务上下文数据隔离（上下文存在 TCB 而不是栈上）、渗透检测监控

RE 判据：

句柄不是内存指针（间接对象 ID）
  → 别把句柄当 TCB/对象地址，也别指望从它推出结构布局

二、CMSIS-RTX5 的安全特性

在 OS_SAFETY_FEATURES 等开关下提供：

特性	含义
Safety Classes	低安全等级的线程不能修改高等级线程；提供线程类的查询/挂起/恢复等接口。动机：RTOS 对象是经"以数字 ID 为参数、在 handler 模式执行"的系统调用访问的，单靠 MPU 保护可以被"用别的对象 ID 调 API"绕过——安全等级给对象访问加了访问控制
MPU Protected Zones	空间隔离：一个 zone 是一组带访问权限的内存区/外设，分配给一个或多个线程；zone ID 就是 MPU 表的行号，上下文切换时内核比较 zone ID 并调用回调（用户实现，通常是把对应行载入 MPU）；内存违规触发 MemManage 异常。注意：中断处理程序绕过 MPU 保护，因此必须以最高完整性等级验证
Thread Watchdog	时间隔离：安全等级线程声明期望的周期/响应时间并"喂狗"，未达标时由监督线程升级处理（重启线程/重启应用/受控关停/硬件复位）
对象指针检查	检查对象指针的对齐与内存区域
SVC 函数指针检查	检查 SVC 函数指针的对齐与内存区域；要求链接器划出专门的执行区容纳 SVC veneer 输入段

ISR FIFO 队列（延迟处理）：

在 ISR 中调用部分 RTX API 不会立即完成——请求先进入 ISR FIFO 队列，等 ISR 结束后由调度器处理
所以：

IRQ 中调用 osXxx()
  → 对象的实际状态在 IRQ 退出之后才变化
  → 完全正常

队列太小会产生 ISR 队列溢出错误（专门的错误码），此时系统状态已经不一致；对策是增大引起溢出的对象尺寸，而不是怀疑队列对象损坏
另有"无效 SVC 函数"错误码（对象 ID 位置放的是函数）

三、权限模型与"拒绝"的语义

SAFERTOS 的任务模型包含：自己的栈、被许可的 MPU/MMU 区域、特权状态、可访问的 RTOS 对象；上下文切换时重新编程任务的存储区域
因此三类现象都应先在权限层解释：

现象	优先解释
同一地址 Task A 能读、Task B fault	per-task 区域配置，不是内存损坏
普通任务不能访问某地址、ISR 却能	用户任务与特权内核/ISR 上下文的权限本就不同
API 调用附近出现特权转换	正常的 RTOS API 网关，别当 ROP/trap 异常

ESM 下"拒绝"的来源：

Task A 用某个句柄成功、Task B 用同一个句柄被拒 → 可能是对象访问策略拒绝，不是句柄损坏
句柄看起来完全不像指针 → ESM 用间接/混淆的对象 ID 取代直接指向控制块的句柄；应恢复 ID → 查表 → 对象 的路径，而不是硬套 句柄 = 内核指针
合法 API 返回拒绝 → 也可能是访问控制策略：当前任务根本没有调用该 API 的权限，而不是 API 实现坏了

决策树

拿到 SAFERTOS / RTX5 一类认证 RTOS 目标
├─ 同一地址的访问权限不一致
│    ├─ 查 per-task 区域配置（SAFERTOS）或 MPU zone 归属（RTX5）
│    └─ 区域可能被运行期重新配置
├─ 句柄看起来不像指针 / 指向奇怪的地方
│    └─ SAFERTOS ESM 用的是间接对象 ID + 交叉引用表
├─ 某 API 调用被拒
│    ├─ 查调用方的访问控制策略（能否调这个 API）与对象访问策略（能否用这个对象）
│    └─ RTX5 下查调用线程的安全等级
├─ ISR 里调用的 API 没立即生效
│    ├─ 请求进了 ISR FIFO，ISR 退出后才处理
│    └─ 出现队列溢出错误 → 增大对象尺寸，且此时系统已不一致
└─ 出现内存管理异常
     ├─ RTX5：MPU zone 违规
     └─ 注意中断处理程序绕过 MPU 保护

工具与验证

访问控制：ACP/OACP 配置与运行期检查点（SAFERTOS）；安全等级与对象属性（RTX5）
空间：per-task 区域/zone 表、区域对齐与大小约束、运行期重配置调用
延迟处理：ISR FIFO 队列的容量与溢出错误码
验证：能同时说清「这次访问受哪条策略约束 + 区域/等级当前是什么 + 失败是策略拒绝还是真的坏了」

该平台的坑（汇总）

把 per-task 区域导致的访问失败当内存损坏：权限差异可能完全合法
假设区域在任务生命周期内不变：运行期可以重新配置
把 SAFERTOS 的句柄当内存指针：ESM 下是经交叉引用表解析的间接对象 ID
忘了区域的大小/对齐约束：必须 32 字节倍数且基址 32 字节对齐
以为 MPU 保护覆盖中断处理程序：中断绕过保护，必须单独验证
只在 MPU 层找越权防线：RTX5 明确说单靠 MPU 可被"用别的对象 ID 调 API"绕过，需要安全等级
把 ISR 中调用的 API 未立即生效当 bug：请求进 ISR FIFO，退出后才处理
把 ISR 队列溢出当队列对象损坏：是容量不足，且此时系统状态已不一致
忽略 SVC 函数指针检查对链接布局的要求：需要专门的执行区容纳 veneer

7.2 KiB Raw Permalink Blame History Unescape Escape