如何提高嵌入式Bootloader程序的安全性

嵌入式应用的领域越来越广泛，功能需求也越来越复杂，有些嵌入式产品要求在产品出厂后，使用过程中保留有固件升级的功能，以保证用户可以使用最新的功能和及时修正产品bug。支持固件升级就意味着需要在软件上留有“后门”，即Bootloader与外界的交互，如果“后门”保护不当会造成固件代码泄露，针对这一安全隐患，本文讨论的话题就是如何提高嵌入式Bootloader程序的安全性，有效防止黑客的hacking和cloning，借助的工具是arm的mbedTLS加密算法库。

mbedTLS概述

MbedTLS前身是开源加密算法库PolarSSL，现已被arm公司收购并由arm技术团队进行维护更新，是对TLS和SSL协议实现的算法库。

mbedTLS的目标是：易于理解，使用，集成和扩展。mbedTLS核心代码用C编程语言编写，实现SSL模块和各种加密算法，并提供各种加密算法的自测试代码。和其他TLS/SSL算法库实现不同，mbedTLS主要是面向小型嵌入式设备，代码紧凑，最小完整的TLS堆栈需要60KB的程序空间和64KB的RAM空间，而且执行效率高，可以说是行业内最小巧的SSL加密算法库。

mbedTLS是高度模块化的设计：每个组件，如加密函数，可以独立于框架的其余部分使用。mbedTLS完全是由C语言编写的，没有外部依赖，因此，mbedTLS是应用于嵌入式系统最理想的TLS加密算法库。更重要的一点是，mbedTSL是完全OpenSource的，支持Apache 2.0 license 或者GPL 2.0 license双重许可，可以自由应用于商业项目中。

应用与实现

上海润欣科技正在开发一个用于智能门锁等领域的指纹模块项目，用到的主控芯片是基于ARM Cortex-M4内核的MCU，但是这个MCU没有代码读出保护功能，为了避免产品被非法克隆，必须引入一种保护机制来提高产品的安全性。我们使用mbedTSL算法库中的RSASSA-PSS数字签名算法对MCU芯片中的UID和指纹传感器UID来进行签名(Sign)和验证(Verify)，保证每个被签名产品的唯一性(不可复制)和合法性。

原文签名（Sign）以及签名验证（Verify）

具体的实施步骤

第1步：将mbedTLS生成的密钥对中的私钥存放与本地服务器，并禁止外部访问，以保证私钥的安全性；

第2步：利用MCU的UID和指纹传感器的UID通过上述本地服务器上的私钥及签名生成工具生成数字签名sig文件；

第3步：将上述第二步生成的sig签名文件保存到Bootloader特定区域；

第4步：将mbedTLS生成的密钥对中的公钥保存到APP固件中；

第5步：Bootloader更新APP固件时，利用APP中的公钥对Bootloader中的签名文件sig进行校验（Verify），校验通过，说明Bootloader和APP固件均为原厂合法固件，否则Bootloader拒绝引导执行APP固件，达到保护产品软硬版权的目的。

使用到的mbedTLS资源和API函数

1、mbedTSL代码包目录下使用VS2010或以上版本生成RSA密钥对生成工具：rsa_genkey.exe，用来生成上述步骤中第一步中的密钥对；

2、mbedTSL代码包目录下使用VS2010或以上版本生成RSASSA签名生成工具rsa_sign_pss.exe，以用来生成上述步骤中第二步中的sig文件；

3、mbedTSL代码包目录下使用VS2010或以上版本生成RSASSA签名验证工具rsa_verify_pss.exe，已确保代码的正确性；

4、MCU代码中使用到的mbedTLS API函数：

/*

* Initialize an RSA context 初始化RSA算法内容

*/

void mbedtls_rsa_init( mbedtls_rsa_context *ctx,

int padding,

int hash_id )

{

memset( ctx, 0, sizeof( mbedtls_rsa_context ) );

mbedtls_rsa_set_padding( ctx, padding, hash_id );

#if defined(MBEDTLS_THREADING_C)

mbedtls_mutex_init( &ctx->mutex );

#endif

}

#if defined(MBEDTLS_PKCS1_V21)

/*

* Implementation of the PKCS#1 v2.1 RSASSA-PSS-SIGN function

* RSASSA-PSS签名算法实现函数

*/

int mbedtls_rsa_rsassa_pss_sign( mbedtls_rsa_context *ctx,

int (*f_rng)(void *, unsigned char *, size_t),

void *p_rng,

int mode,

mbedtls_md_type_t md_alg,

unsigned int hashlen,

const unsigned char *hash,

unsigned char *sig )

{

size_t olen;

unsigned char *p = sig;

unsigned char salt[MBEDTLS_MD_MAX_SIZE];

unsigned int slen, hlen, offset = 0;

int ret;

size_t msb;

const mbedtls_md_info_t *md_info;

mbedtls_md_context_t md_ctx;

if( mode == MBEDTLS_RSA_PRIVATE && ctx->padding != MBEDTLS_RSA_PKCS_V21 )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

if( f_rng == NULL )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

olen = ctx->len;

if( md_alg != MBEDTLS_MD_NONE )

{

/* Gather length of hash to sign */

md_info = mbedtls_md_info_from_type( md_alg );

if( md_info == NULL )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

hashlen = mbedtls_md_get_size( md_info );

}

md_info = mbedtls_md_info_from_type( (mbedtls_md_type_t) ctx->hash_id );

if( md_info == NULL )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

hlen = mbedtls_md_get_size( md_info );

slen = hlen;

if( olen < hlen + slen + 2 )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

memset( sig, 0, olen );

/* Generate salt of length slen */

if( ( ret = f_rng( p_rng, salt, slen ) ) != 0 )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_RNG_FAILED + ret );

/* Note: EMSA-PSS encoding is over the length of N - 1 bits */

msb = mbedtls_mpi_bitlen( &ctx->N ) - 1;

p += olen - hlen * 2 - 2;

*p++ = 0x01;

memcpy( p, salt, slen );

p += slen;

mbedtls_md_init( &md_ctx );

if( ( ret = mbedtls_md_setup( &md_ctx, md_info, 0 ) ) != 0 )

goto exit;

/* Generate H = Hash( M' ) */

if( ( ret = mbedtls_md_starts( &md_ctx ) ) != 0 )

goto exit;

if( ( ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, p, 8 ) ) != 0 )

goto exit;

if( ( ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, hash, hashlen ) ) != 0 )

goto exit;

if( ( ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, salt, slen ) ) != 0 )

goto exit;

if( ( ret = mbedtls_md_finish( &md_ctx, p ) ) != 0 )

goto exit;

/* Compensate for boundary condition when applying mask */

if( msb % 8 == 0 )

offset = 1;

/* maskedDB: Apply dbMask to DB */

if( ( ret = mgf_mask( sig + offset, olen - hlen - 1 - offset, p, hlen,

&md_ctx ) ) != 0 )

goto exit;

msb = mbedtls_mpi_bitlen( &ctx->N ) - 1;

sig[0] &= 0xFF >> ( olen * 8 - msb );

p += hlen;

*p++ = 0xBC;

mbedtls_zeroize( salt, sizeof( salt ) );

exit:

mbedtls_md_free( &md_ctx );

if( ret != 0 )

return( ret );

return( ( mode == MBEDTLS_RSA_PUBLIC )

? mbedtls_rsa_public( ctx, sig, sig )

: mbedtls_rsa_private( ctx, f_rng, p_rng, sig, sig ) );

}

#endif /* MBEDTLS_PKCS1_V21 */

#if defined(MBEDTLS_PKCS1_V21)

/*

* Implementation of the PKCS#1 v2.1 RSASSA-PSS-VERIFY function

* RSASSA-PSS签名算法校验函数

*/

int mbedtls_rsa_rsassa_pss_verify_ext( mbedtls_rsa_context *ctx,

int (*f_rng)(void *, unsigned char *, size_t),

void *p_rng,

int mode,

mbedtls_md_type_t md_alg,

unsigned int hashlen,

const unsigned char *hash,

mbedtls_md_type_t mgf1_hash_id,

int expected_salt_len,

const unsigned char *sig )

{

int ret;

size_t siglen;

unsigned char *p;

unsigned char *hash_start;

unsigned char result[MBEDTLS_MD_MAX_SIZE];

unsigned char zeros[8];

unsigned int hlen;

size_t observed_salt_len, msb;

const mbedtls_md_info_t *md_info;

mbedtls_md_context_t md_ctx;

unsigned char buf[MBEDTLS_MPI_MAX_SIZE];

if( mode == MBEDTLS_RSA_PRIVATE && ctx->padding != MBEDTLS_RSA_PKCS_V21 )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

siglen = ctx->len;

if( siglen < 16 || siglen > sizeof( buf ) )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

ret = ( mode == MBEDTLS_RSA_PUBLIC )

? mbedtls_rsa_public( ctx, sig, buf )

: mbedtls_rsa_private( ctx, f_rng, p_rng, sig, buf );

if( ret != 0 )

return( ret );

p = buf;

if( buf[siglen - 1] != 0xBC )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING );

if( md_alg != MBEDTLS_MD_NONE )

{

/* Gather length of hash to sign */

md_info = mbedtls_md_info_from_type( md_alg );

if( md_info == NULL )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

hashlen = mbedtls_md_get_size( md_info );

}

md_info = mbedtls_md_info_from_type( mgf1_hash_id );

if( md_info == NULL )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

hlen = mbedtls_md_get_size( md_info );

memset( zeros, 0, 8 );

/*

* Note: EMSA-PSS verification is over the length of N - 1 bits

*/

msb = mbedtls_mpi_bitlen( &ctx->N ) - 1;

if( buf[0] >> ( 8 - siglen * 8 + msb ) )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

/* Compensate for boundary condition when applying mask */

if( msb % 8 == 0 )

{

p++;

siglen -= 1;

}

if( siglen < hlen + 2 )

return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );

hash_start = p + siglen - hlen - 1;

mbedtls_md_init( &md_ctx );

if( ( ret = mbedtls_md_setup( &md_ctx, md_info, 0 ) ) != 0 )

goto exit;

ret = mgf_mask( p, siglen - hlen - 1, hash_start, hlen, &md_ctx );

if( ret != 0 )

goto exit;

buf[0] &= 0xFF >> ( siglen * 8 - msb );

while( p < hash_start - 1 && *p == 0 )

p++;

if( *p++ != 0x01 )

{

ret = MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING;

goto exit;

}

observed_salt_len = hash_start - p;

if( expected_salt_len != MBEDTLS_RSA_SALT_LEN_ANY &&

observed_salt_len != (size_t) expected_salt_len )

{

ret = MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING;

goto exit;

}

/*

* Generate H = Hash( M' )

*/

ret = mbedtls_md_starts( &md_ctx );

if ( ret != 0 )

goto exit;

ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, zeros, 8 );

if ( ret != 0 )

goto exit;

ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, hash, hashlen );

if ( ret != 0 )

goto exit;

ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, p, observed_salt_len );

if ( ret != 0 )

goto exit;

ret = mbedtls_md_finish( &md_ctx, result );

if ( ret != 0 )

goto exit;

if( memcmp( hash_start, result, hlen ) != 0 )

{

ret = MBEDTLS_ERR_RSA_VERIFY_FAILED;

goto exit;

}

exit:

mbedtls_md_free( &md_ctx );

return( ret );

}

/*

* Simplified PKCS#1 v2.1 RSASSA-PSS-VERIFY function

*/

int mbedtls_rsa_rsassa_pss_verify( mbedtls_rsa_context *ctx,

int (*f_rng)(void *, unsigned char *, size_t),

void *p_rng,

int mode,

mbedtls_md_type_t md_alg,

unsigned int hashlen,

const unsigned char *hash,

const unsigned char *sig )

{

mbedtls_md_type_t mgf1_hash_id = ( ctx->hash_id != MBEDTLS_MD_NONE )

? (mbedtls_md_type_t) ctx->hash_id

: md_alg;

return( mbedtls_rsa_rsassa_pss_verify_ext( ctx, f_rng, p_rng, mode,

md_alg, hashlen, hash,

mgf1_hash_id, MBEDTLS_RSA_SALT_LEN_ANY,

sig ) );

}

#endif /* MBEDTLS_PKCS1_V21 */