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[導(dǎo)讀]在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備廣泛應(yīng)用的當(dāng)下,設(shè)備固件的安全性至關(guān)重要。安全啟動鏈能夠確保設(shè)備在啟動過程中只運行經(jīng)過認(rèn)證的固件,防止惡意代碼的加載和執(zhí)行。平臺安全架構(gòu)(Platform Security Architecture,PSA)由ARM提出,旨在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化的安全框架??尚殴碳?M(Trusted Firmware-M,TF-M)是PSA架構(gòu)的開源參考實現(xiàn),通過基于TF-M的安全啟動鏈設(shè)計,設(shè)備能夠滿足PSA Certified認(rèn)證要求,提升整體安全性。


引言

在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備廣泛應(yīng)用的當(dāng)下,設(shè)備固件的安全性至關(guān)重要。安全啟動鏈能夠確保設(shè)備在啟動過程中只運行經(jīng)過認(rèn)證的固件,防止惡意代碼的加載和執(zhí)行。平臺安全架構(gòu)(Platform Security Architecture,PSA)由ARM提出,旨在為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)化的安全框架。可信固件-M(Trusted Firmware-M,TF-M)是PSA架構(gòu)的開源參考實現(xiàn),通過基于TF-M的安全啟動鏈設(shè)計,設(shè)備能夠滿足PSA Certified認(rèn)證要求,提升整體安全性。


PSA Certified認(rèn)證與安全啟動鏈

PSA Certified認(rèn)證是針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全性的權(quán)威認(rèn)證,涵蓋了設(shè)備從硬件到軟件的全生命周期安全。安全啟動鏈?zhǔn)荘SA Certified認(rèn)證中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它通過驗證每個啟動階段的固件完整性、真實性和來源可靠性,確保設(shè)備啟動在安全的環(huán)境下進(jìn)行。一個完整的安全啟動鏈通常包括多個階段,如引導(dǎo)加載程序(Bootloader)、操作系統(tǒng)內(nèi)核、關(guān)鍵應(yīng)用程序等,每個階段都需對下一階段的固件進(jìn)行認(rèn)證。


基于TF-M的安全啟動鏈設(shè)計

TF-M提供了豐富的安全服務(wù),包括加密、認(rèn)證、安全存儲等,可用于構(gòu)建安全啟動鏈。以下是基于TF-M的安全啟動鏈設(shè)計要點及部分代碼示例。


1. 固件簽名與認(rèn)證

在構(gòu)建安全啟動鏈時,首先需要為每個階段的固件生成數(shù)字簽名。簽名過程使用私鑰對固件的哈希值進(jìn)行加密,生成簽名文件。在設(shè)備啟動時,使用對應(yīng)的公鑰對簽名進(jìn)行驗證。


示例代碼:使用OpenSSL生成固件簽名

c

#include <stdio.h>

#include <openssl/evp.h>

#include <openssl/pem.h>

#include <openssl/err.h>

#include <string.h>


// 生成固件哈希

void generate_firmware_hash(const unsigned char *firmware, size_t firmware_size, unsigned char *hash) {

   EVP_MD_CTX *mdctx;

   const EVP_MD *md;


   md = EVP_sha256();

   mdctx = EVP_MD_CTX_new();

   EVP_DigestInit_ex(mdctx, md, NULL);

   EVP_DigestUpdate(mdctx, firmware, firmware_size);

   EVP_DigestFinal_ex(mdctx, hash, NULL);

   EVP_MD_CTX_free(mdctx);

}


// 使用私鑰對哈希進(jìn)行簽名

int sign_hash(const unsigned char *hash, size_t hash_len, const char *private_key_file, unsigned char *signature, size_t *signature_len) {

   FILE *fp = fopen(private_key_file, "r");

   if (!fp) {

       fprintf(stderr, "Failed to open private key file\n");

       return 0;

   }


   EVP_PKEY *pkey = PEM_read_PrivateKey(fp, NULL, NULL, NULL);

   fclose(fp);

   if (!pkey) {

       fprintf(stderr, "Failed to read private key\n");

       return 0;

   }


   EVP_MD_CTX *mdctx = EVP_MD_CTX_new();

   EVP_PKEY_CTX *pctx = NULL;


   EVP_DigestSignInit(mdctx, &pctx, EVP_sha256(), NULL, pkey);

   EVP_DigestSignUpdate(mdctx, hash, hash_len);

   if (EVP_DigestSignFinal(mdctx, signature, signature_len) <= 0) {

       fprintf(stderr, "Signature generation failed\n");

       EVP_PKEY_free(pkey);

       EVP_MD_CTX_free(mdctx);

       return 0;

   }


   EVP_PKEY_free(pkey);

   EVP_MD_CTX_free(mdctx);

   return 1;

}

2. TF-M中的安全啟動實現(xiàn)

在TF-M中,可以利用其安全服務(wù)接口實現(xiàn)固件的認(rèn)證。例如,在引導(dǎo)加載程序階段,使用TF-M的加密服務(wù)驗證下一階段固件的簽名。


示例代碼:TF-M中驗證固件簽名(偽代碼邏輯)

c

#include "tfm_crypto_api.h"


int verify_firmware_signature(const unsigned char *firmware, size_t firmware_size,

                             const unsigned char *signature, size_t signature_len,

                             const unsigned char *public_key, size_t public_key_len) {

   unsigned char hash[32]; // SHA-256哈希值長度

   generate_firmware_hash(firmware, firmware_size, hash);


   // 調(diào)用TF-M的加密服務(wù)進(jìn)行簽名驗證

   psa_status_t status = tfm_crypto_asymmetric_verify(PSA_KEY_TYPE_RSA_PUBLIC_KEY,

                                                      public_key, public_key_len,

                                                      PSA_ALG_RSA_PKCS1V15_SHA256,

                                                      hash, sizeof(hash),

                                                      signature, signature_len);


   if (status != PSA_SUCCESS) {

       return 0; // 驗證失敗

   }

   return 1; // 驗證成功

}

3. 安全啟動鏈的階段劃分與跳轉(zhuǎn)

將安全啟動鏈劃分為多個階段,每個階段完成自身的初始化后,對下一階段的固件進(jìn)行認(rèn)證,認(rèn)證通過則跳轉(zhuǎn)到下一階段執(zhí)行。


結(jié)論

基于TF-M的嵌入式固件安全啟動鏈設(shè)計,結(jié)合PSA Certified認(rèn)證要求,能夠有效提升嵌入式設(shè)備的安全性。通過固件簽名與認(rèn)證、利用TF-M的安全服務(wù)以及合理的階段劃分與跳轉(zhuǎn)機(jī)制,確保設(shè)備在啟動過程中只運行可信的固件。在實際應(yīng)用中,還需根據(jù)具體硬件平臺和安全需求進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和定制,以滿足不同場景下的安全標(biāo)準(zhǔn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷發(fā)展,基于TF-M的安全啟動鏈設(shè)計將在保障設(shè)備安全方面發(fā)揮越來越重要的作用。

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