i.MX RT系列外置Flash加密為您的產(chǎn)品安全保駕護(hù)航
一、背景
NXP宣布推出i.MX RT系列處理器，內(nèi)核基于 Arm-Cortex M7，運(yùn)行主頻高達(dá)600MHz，3020的coremark跑分，令人咋舌。i.MX RT1020/1050/1060系列MCU沒(méi)有片內(nèi)FLASH，從而可以讓用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活搭配不同容量、不同廠家的外置FLASH 存儲(chǔ)器。飛凌嵌入式剛剛發(fā)布的OK1061-S、OK1052-C采用的是4MB/16MB串行NorFlash，QSPI接口。使用外置FLASH的方案，也不用擔(dān)心里面的程序有被竊取的風(fēng)險(xiǎn)，這些問(wèn)題，NXP在設(shè)計(jì)芯片之初，都已經(jīng)考慮在內(nèi)。下面我們來(lái)了解一下，如何給外置Falsh進(jìn)行加密。
二、我們來(lái)介紹一下Flash加密的幾種方法：
1、HAB（High-Assurance Boot）簽名認(rèn)證
這種模式，并不是對(duì)Falsh中的image進(jìn)行加密，而是對(duì)燒寫(xiě)到Flash中的image進(jìn)行合法性認(rèn)證，檢測(cè)image是否被惡意破壞或篡改，如果檢測(cè)到image未經(jīng)授權(quán)，即不合法，則MCU便不會(huì)執(zhí)行該image。
我們使用非對(duì)稱加密來(lái)實(shí)現(xiàn)HAB功能。加密工具會(huì)生成私鑰和相應(yīng)的公鑰對(duì)。然后私鑰用于加密我們想要發(fā)布的鏡像，此加密為鏡像生成唯一標(biāo)識(shí)符，稱為證書(shū)。公鑰也附加到鏡像上。在程序啟動(dòng)時(shí)，公鑰用于解密證書(shū)。用于檢查比較證書(shū)和鏡像是否匹配。只有當(dāng)證書(shū)和鏡像匹配時(shí)，鏡像才被視為“受信任”。否則，鏡像被視為“不安全”，不允許加載和運(yùn)行。此過(guò)程稱為身份驗(yàn)證。黑客只能訪問(wèn)公鑰，根據(jù)非對(duì)稱加密的屬性，私鑰不能從中推斷出來(lái)。如果沒(méi)有私鑰，黑客就無(wú)法為其惡意鏡像附加有效證書(shū)。我們將公鑰的摘要值（哈希）燒錄到RT芯片的eFuses。一旦燒寫(xiě)，就無(wú)法修改。這可以防止黑客使用另一對(duì)私鑰和公鑰作弊的可能性。
下面我們通過(guò)圖標(biāo)來(lái)簡(jiǎn)單描述一下此過(guò)程。
1）產(chǎn)生公鑰私鑰，并且將公鑰摘要值燒寫(xiě)到efuse：
2）使用私鑰對(duì)鏡像摘要加密生成鏡像證書(shū)：
3）安全啟動(dòng)時(shí)，對(duì)鏡像證書(shū)進(jìn)行認(rèn)證的過(guò)程：
上圖中，一個(gè)正常做過(guò)簽名的鏡像文件在flash存在形式應(yīng)該是由image（包括ivt，bootdata、dcd和應(yīng)用image），HABdata（包括Public Key、Certificate和CSF）兩部分組成，如圖：
系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，MCU內(nèi)部ROM的BootLoader啟動(dòng)程序主要進(jìn)行如下工作：
1） 將flash中image摘要進(jìn)行HASH運(yùn)算生產(chǎn)一個(gè)摘要值；
2） 使用已經(jīng)在efuse中的燒寫(xiě)好的Public Key的摘要值與flash中的Public Key進(jìn)行匹配，如果匹配成功，則進(jìn)行下一步。
3） 使用Public Key解密flash中證書(shū)Certificate，得到鏡像摘要值與第一步中生成的鏡像摘要值進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)成功則說(shuō)明鏡像合法。
2、加密啟動(dòng)（HAB簽名認(rèn)證與HAB加密）
加密啟動(dòng)是簽名認(rèn)證與加密的組合啟動(dòng)。
這種模式屬于中級(jí)安全模式，簽名認(rèn)證是對(duì)iamge合法性驗(yàn)證，而HAB加密就是對(duì)flash中的用戶image明文通過(guò)加密算法轉(zhuǎn)換為密文。HAB加密使用的AES-128算法，其對(duì)應(yīng)的128bits的AES-128 Key不是由用戶自定義的，而是HAB加密工具自動(dòng)隨機(jī)生成的，并且每一次加密操作生成的AES-128 Key都是不一樣的，即使你沒(méi)有更換輸入的原始image。我們的image實(shí)際就是使用AES-128 Key這把鑰匙進(jìn)行加密的，我們稱這把鑰匙為：DEK（Data Encryption Key），這把鑰匙存在于加密工具所在的PC機(jī)。既然DEK每一次都不一樣而且存在于個(gè)人電腦中，那么MCU在啟動(dòng)的時(shí)候是怎么找到這把鑰匙解密的呢？對(duì)，我們需要把這把鑰匙的信息附加在image里面，燒寫(xiě)到flash中，待到啟動(dòng)的時(shí)候MCU的bootLoder程序會(huì)先把鑰匙從image中取出來(lái)。那么問(wèn)題來(lái)了，既然bootLoder能夠取出鑰匙，那么作為黑客的你我能不能也讀出flash中的image取出DEK呢，當(dāng)然沒(méi)那么簡(jiǎn)單，因?yàn)檫@塊存儲(chǔ)DEK的區(qū)域也是經(jīng)過(guò)加密的，想要取出DEK還需要另一把鑰匙Master Secret Key，該鑰匙用于創(chuàng)建密鑰的加密區(qū)域blob（DEK blob），這把鑰匙只能由MCU內(nèi)部的DCP或BEE訪問(wèn)。這意味著每個(gè)芯片的blob是唯一的。在啟動(dòng)引導(dǎo)時(shí)，blob以這樣的方式封裝，即只有i.MX RT上的DCP才能訪問(wèn)DEK。下面的這個(gè)圖顯示了加密解密的過(guò)程：
所以一個(gè)做過(guò)加密啟動(dòng)的鏡像存在與flash中應(yīng)該是組織結(jié)構(gòu)：
3、加密XIP（單引擎/雙引擎BEE加密）
i.MX RT boot rom支持串行nor flash上的XIP（Execute-In-Place，在flash本地執(zhí)行代碼），直接使用BEE控制器提供的動(dòng)態(tài)解密功能（使用aes-ctr-128或aes-ecb-128加密算法）。在執(zhí)行加密XIP之前，引導(dǎo)ROM需要正確設(shè)置BEE控制器，這些配置參數(shù)存儲(chǔ)在保護(hù)區(qū)域描述符塊prdb中，而整個(gè)prdb使用aes-cbc-128模式加密，這個(gè)用于加密prodb的aes密鑰存儲(chǔ)在密鑰信息塊（kib）中，而kid使用efuse中提供的aes密鑰加密為ekib）。整個(gè)或部分軟件圖像使用自定義的私鑰（pvk）加密(然后將密鑰燒錄到片上efuse塊中)，這個(gè)密鑰被限制為僅能使用qspi解密引擎（bee）訪問(wèn)。在ROM代碼初始化BEE塊之后的引導(dǎo)過(guò)程中，存儲(chǔ)在qspi flash中的加密和未加密的數(shù)據(jù)可以被動(dòng)態(tài)訪問(wèn)。每個(gè)芯片都可以使用一個(gè)唯一的密鑰來(lái)加密程序鏡像，因此每個(gè)鏡像只能用正確的密鑰在芯片上引導(dǎo)，從而防止鏡像盜用。
i.MX RT內(nèi)部有兩個(gè)BEE加密引擎分別為BEE引擎0和BEE引擎1，所以BEE加密又分為單引擎加密和雙引擎加密。
單引擎加密：通過(guò)上面的描述中我們知道，BEE加密使用用戶自定義的密鑰進(jìn)行加密，加密時(shí)將該密鑰燒錄到MCU內(nèi)部的efuse中，其實(shí)，也可以使用MCU內(nèi)部的SVNS Key作為密鑰，該密鑰在芯片出廠時(shí)已預(yù)先燒錄，無(wú)法更改，具有高級(jí)別訪問(wèn)權(quán)限，只能由內(nèi)部DCP或BEE模塊訪問(wèn)。
單引擎加密可以自定義設(shè)置加密區(qū)域和選擇BEE加密引擎（使用 SVNS Key作為密鑰時(shí)只能選擇引擎0，使用自定義密鑰時(shí)，即可選擇引擎0也可選擇引擎1）。在加密過(guò)程中，加密工具會(huì)將這些配置信息存儲(chǔ)到prdb塊中。密鑰信息存儲(chǔ)在kib信息塊中。
雙引擎加密：雙引擎加密使用兩個(gè)用戶自定義的密鑰，分別賦予引擎0和引擎1使用，用戶可以分別自定義設(shè)置他們的加密區(qū)域，加密時(shí)加密工具會(huì)將這些信息分別存儲(chǔ)在prdb0和prdb1中。密鑰信息存儲(chǔ)在kib0和kib1中。
下面簡(jiǎn)單看一下解密流程：
BEE控制器通過(guò)讀取MCU內(nèi)部efuse燒錄的用戶密鑰PVK，使用該P(yáng)VK解密EKIB（Encrtpted KIB）密鑰信息塊，將其中的密鑰取出，用于解密EPRDB(Encrtpted PRDB),獲得BEE控制器的參數(shù)配置信息，BEE控制器通過(guò)此配置信息將密文image進(jìn)行動(dòng)態(tài)解密。
做過(guò)BEE加密的鏡像存在于flash中應(yīng)該是這種組織結(jié)構(gòu)：
三、總結(jié)
上面簡(jiǎn)單介紹了一些關(guān)于Flash加密原理，現(xiàn)在我們總結(jié)一下一共有四中加密模式。
模式一：HAB簽名認(rèn)證。
模式二：HAB簽名認(rèn)證和HAB加密。
模式三：SNVS Key單引擎BEE加密。
模式四：用戶自定義Key單引擎BEE或雙引擎BEE加密。
這四種加密模式安全等級(jí)依次升高。其中HAB加密屬于靜態(tài)加密，是由片內(nèi)ROM里的Boot程序?qū)⒓用芎蟮拿芪膇mage全部解密成明文image，copy到MCU內(nèi)存ram中再執(zhí)行，而B(niǎo)EE加密是由MCU芯片內(nèi)部的BEE控制器對(duì)密文image進(jìn)行邊解密邊執(zhí)行，屬于動(dòng)態(tài)加密（如果是Non-XIP Image，則解密執(zhí)行流程與HAB加密類(lèi)似）。
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