嵌入式固件安全啟動(dòng)鏈設(shè)計(jì)：基于TF-M的PSA Certified認(rèn)證實(shí)踐
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(dòng)鏈能夠確保設(shè)備在啟動(dòng)過程中只運(yùn)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(tái)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(shí)現(xiàn)，通過基于TF-M的安全啟動(dòng)鏈設(shè)計(jì)，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(dòng)鏈
PSA Certified認(rèn)證是針對(duì)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(dòng)鏈?zhǔn)荘SA Certified認(rèn)證中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它通過驗(yàn)證每個(gè)啟動(dòng)階段的固件完整性、真實(shí)性和來源可靠性，確保設(shè)備啟動(dòng)在安全的環(huán)境下進(jìn)行。一個(gè)完整的安全啟動(dòng)鏈通常包括多個(gè)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(gè)階段都需對(duì)下一階段的固件進(jìn)行認(rèn)證。
基于TF-M的安全啟動(dòng)鏈設(shè)計(jì)
TF-M提供了豐富的安全服務(wù)，包括加密、認(rèn)證、安全存儲(chǔ)等，可用于構(gòu)建安全啟動(dòng)鏈。以下是基于TF-M的安全啟動(dòng)鏈設(shè)計(jì)要點(diǎn)及部分代碼示例。
1. 固件簽名與認(rèn)證
在構(gòu)建安全啟動(dòng)鏈時(shí)，首先需要為每個(gè)階段的固件生成數(shù)字簽名。簽名過程使用私鑰對(duì)固件的哈希值進(jìn)行加密，生成簽名文件。在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，使用對(duì)應(yīng)的公鑰對(duì)簽名進(jìn)行驗(yàn)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(duì)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(dòng)實(shí)現(xiàn)
在TF-M中，可以利用其安全服務(wù)接口實(shí)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(yàn)證下一階段固件的簽名。
示例代碼：TF-M中驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)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(yàn)證失敗
}
return 1; // 驗(yàn)證成功
}
3. 安全啟動(dòng)鏈的階段劃分與跳轉(zhuǎn)
將安全啟動(dòng)鏈劃分為多個(gè)階段，每個(gè)階段完成自身的初始化后，對(duì)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(dòng)鏈設(shè)計(jì)，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(dòng)過程中只運(yùn)行可信的固件。在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)具體硬件平臺(tái)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(chǎng)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(dòng)鏈設(shè)計(jì)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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