浅谈QNX安全防御启动设计方案

1. Secure Boot

安全启动想必大家肯定很熟悉，它是通过对启动过程的每个阶段进行加密验证，确保运行系统完整性的一种安全机制。如图1所示，QNX的安全启动可以保证由BootRom、PBL/SBL、IPL和IFS，最后到可选的文件系统的完整性。在启动过程中，每一个后续的固件和软件都是由其前身进行加密验证的。

图1 QNX安全启动流程

QNX可以支持两套安全启动方案，如图1右侧所示:

方案1：将MRK（Master Root Key）作为信任根，其公钥存储在OTP或EEPROM中，由OTP或EEPROM保证MRK不可篡改，由MRK的私钥完成对CVK（Code Verification Key）公钥的签名，由CVK的私钥完成Bootloader等后续代码的签名。启动时，BootRom使用MRK的公钥验证CVK公钥，验证成功后，由CVK公钥验证下面代码的签名。这样做可以将代码签名密钥CVK和信任根MRK解绑。由于CVK由MRK保证其真实性，CVK的公钥不需要存储在有任何保护的存储器中。这在不安全的制造环境中非常有用，因为即使CVK被泄露，我们也可以将其进行替换，而MRK则由芯片厂家保管。

方案2：不使用MRK，将CVK作为信任根，其公钥存储在OTP或EEPROM中。有时候为了节省存储空间，也可以存储CVK的公钥哈希。由于没有MRK，BootRom直接使用CVK完成代码的验签。此时代码签名密钥和信任根都跟CVK关联，一旦CVK的私钥被泄露，基本无解，优点在于ECU的设备制造商可完全掌握代码签名。

2. QTD

Secure Boot中最后一项是可选的完整性保护的文件系统，QTD便是其中一种。QTD（QNX Trusted Disk），是QNX针对数据存储的安全机制，通过结合哈希树和PKI密钥签名，为二进制数据、关键系统配置等提供完整性和真实性保护。它基于 Merkle 树，如图2所示，在构建 QTD 映像时，元数据哈希树是从源文件系统映像的块一层一层构建的，直至RootHash。

图2 QTD哈希树

与AVB中的DM-Verity类似，如图3所示。RootHash会进行签名保护，并纳入到安全启动链中。只要保证哈希树的RootHash未被篡改，便可以保证整个哈希树的完整性。这样可以带来一个好处，在安全启动的时候不用验证整个文件系统，只需要验证哈希树即可。当需要实际访问具体的某个存储块时，再通过对比哈希树中对应的哈希值即可发现存储块是否被更改。QTD的驱动程序位于原始块设备和受支持的上层文件系统层之间（例如，fs-qnx6.so 支持的power-safe文件系统）。在读取访问时，使用哈希树Metadata来验证数据的完整性。如果验证失败，则会返回错误。使用QTD肯定会有一定的性能开销，好在QTD可以通过预先缓存内部哈希计算来减少实际访问时哈希运算的数量。

图3 安全启动中的文件系统保护

需要注意的是，不同QNX版本支持的摘要算法和签名算法不同，当前QNX710支持的密码学算法如表1所示。

表1 QTD密码学算法

架构	摘要算法		签名算法
	128 bits	256 bits
32-bit	sha256 blake2s256 blake3	sha512 blake2b512	RSA-SHA256 ECDSA-SHA256 EDDSA-25519 ECDSA-448
64-bit	sha512256 blake2b256 blake3	sha512 blake2b512

QTD 使用由QNX加密库qcrypto提供的加密算法，详细可参考 “QNX Cryptography Library”。当前支持 ECC 和 RSA 签名，其中私钥必须是 PKCS#8 格式，公钥必须是 X.509 格式，所有密钥都必须使用 PEM 编码。对于 RSA，最多支持 16 KiB (kibibits) 的密钥长度。

QTD的挂载由  fs-qtd.so 提供支持，devb-*驱动程序会在挂载QTD设备时加载它。以下命令构建 QTD 映像。-P 选项精确指定 2 MB 的镜像:

mkqfs qtd -s -vv -B 4096 -H sha256 -S ecdsa-sha256 -K ec_test_private_key.pem -P 2097152 -o qtd.img qnx6.img

以下命令通过全盘验证挂载 QTD 镜像：

mount -t qtd -o key=/proc/boot/ec_test_public_key.pem,stats,verbose,verify /dev/hd1 /dev/qtd-1

3. Power-Safe文件系统

Power-Safe文件系统是一个可靠的磁盘文件系统，可以承受电源故障而不丢失或损坏数据。它支持file-based加密，密钥类型如表2所示，可以对 Power-Safe 文件系统的全部或部分进行加密，以保护其内容。其中文件和文件夹被聚合到加密域中。每个域都有一个唯一的加密密钥，称之为域密钥，用于加密唯一的文件密钥。访问文件需要一些外部参与者使用主密钥解锁域密钥，向文件系统驱动程序提供域密钥，允许它解密文件密钥并授予对加密文件内容的访问权限。 

表2 Power-Safe文件系统密钥种类

密钥类型	描述
文件密钥	私有，在文件创建时随机产生的（如果文件被分配到一个域）。保存关于文件的一些信息，以确保文件和其密钥之间的完整性。用于加密文件数据，并由域密钥加密。密钥由文件系统管理，对用户是隐藏的。
域密钥	私有，在创建域的时候随机产生。用于加密属于其域的所有文件密钥，并由域的主密钥进行加密。密钥由文件系统管理，对用户是隐藏的。
主密钥	可以选择公开，因为它是由第三方提供和管理的（不是文件系统）。用于加密域的密钥，在域的创建和随后的解锁请求中需要。

具体使用的加密算法如表3所示。

表3 Power-Safe文件系统加密类型

域加密类型	常量	描述	密钥长度
0	FS_CRYPTO_TYPE_NONE	不加密	-
1	FS_CRYPTO_TYPE_XTS	ASE256-XTS，两个密钥是随机生成的	512bit
2	FS_CRYPTO_TYPE_CBC	AES256-CBC	256bit
3-99	-	预留	-

Power-Safe文件系统中一个域可以包含任意数量的文件或目录，但一个文件或目录最多只能属于一个域。如果给一个目录指定了一个域，那么随后在该目录中创建的所有文件都会被加密并继承该域，但已经在其中的任何文件或目录不会加密。允许你创建多个加密域，你可以根据需要锁定或解锁这些域。在操作过程中，分配给一个域的文件被加密，只有当相关的域被解锁时，文件的内容才能被使用。当一个域被解锁时，该域下的所有文件和目录--无论它们在卷中的位置如何--也被解锁，因此可以被访问（根据基本文件权限）。当一个域被锁定时，对属于该域的文件内容的任何访问都被拒绝。锁定和解锁操作适用于整个域，而不是特定的文件或目录。

那么如何生成一个Power-Safe文件系统呢？以下命令生成一个小于 2MB 的 Power-Safe 文件系统镜像 (QNX)：

mkxfs -t qnx6fsimg qnx6.build qnx6.img

可以使用以下命令挂载 Power-Safe 文件系统镜像:

mount -t qnx6 /dev/qtd-1 /fs

需要注意的是Power-Safe 文件系统可能包含在 QTD 分区中，因此有时候需要先挂载 QTD 分区。

小结

安全启动和QTD可以保证从BootRom到文件系统时软件的完整性，基于Power-Safe的文件加密可以保证存储在该文件系统中文件的机密性。这些都是QNX提供的安全特性，实际应用中可以基于芯片的安全能力，结合QNX的安全属性，搭建更加完善的防御体系。

编辑：黄飞