嵌入式固件安全啟動鏈設(shè)計：基于TF-M的PSA Certified認證實踐
引言
在物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式設(shè)備廣泛應(yīng)用的當下，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)備提供標準化的安全框架?？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認證要求，提升整體安全性。
PSA Certified認證與安全啟動鏈
PSA Certified認證是針對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全性的權(quán)威認證，涵蓋了設(shè)備從硬件到軟件的全生命周期安全。安全啟動鏈是PSA Certified認證中的關(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行認證。
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行認證，認證通過則跳轉(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行進一步的優(yōu)化和定制，以滿足不同場景下的安全標準。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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