大家好，我是瑞薩電子汽車安全首席工程師 Phil Lapczynski。我在 Renesas 的安全團(tuán)隊(duì)工作了 4 年，在此之前，我在汽車安全、OTA 解決方案和引導(dǎo)加載程序方面工作了十多年。我很高興地發(fā)布一系列博客文章，介紹安全啟動的概念并描述如何使用我們的瑞薩汽車 MCU 和 SoC 設(shè)備實(shí)現(xiàn)這些概念。這篇博客文章是三部分系列的第一部分，旨在讓讀者基本了解什么是安全啟動以及為什么需要它。期待來自同事 Satoshi Yamanaka-san 和我的更多安全引導(dǎo)文章。

1. 日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

自 1960 年代后期將微處理器引入車輛架構(gòu)以來，現(xiàn)代汽車的復(fù)雜性呈指數(shù)級增長。車載計(jì)算機(jī)最初用于電控燃油噴射，現(xiàn)在可以控制現(xiàn)代車輛的各個(gè)方面，從加熱座椅到半自動駕駛。今天的汽車有 100 多臺車載計(jì)算機(jī)執(zhí)行超過 1 億行代碼。從復(fù)雜性的角度來看，1億正在接近像老鼠這樣的小動物的DNA堿基對總數(shù)（人類大約有33000億堿基對）。未來的自動駕駛汽車將擁有超過 3 億行代碼。

隨著這種復(fù)雜性的增加，網(wǎng)絡(luò)安全成為汽車設(shè)計(jì)中持續(xù)關(guān)注的問題。隨著更多的駕駛控制權(quán)被賦予計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)安全事件的影響更加復(fù)雜。為了使事情更具挑戰(zhàn)性，安全架構(gòu)師需要平衡隱私和安全與功能安全要求。對于安全和安保來說，在車輛中運(yùn)行的代碼必須是真實(shí)的和不變的。這就是安全啟動的用武之地。安全啟動回答了“我怎么知道軟件在執(zhí)行之前是真實(shí)的？”和“我怎么知道軟件在執(zhí)行之前沒有改變？”的問題。

2. 安全訓(xùn)練營

安全啟動是現(xiàn)代多層嵌入式系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)性第一步。安全啟動是一種安全機(jī)制，通過它在執(zhí)行之前驗(yàn)證軟件的完整性和真實(shí)性。換句話說，安全啟動允許在啟動嵌入式設(shè)備時(shí)檢測（并且可能不允許執(zhí)行）不真實(shí)或修改的軟件。安全啟動降低了攻擊者在設(shè)備中獲得持久性的能力。

在最基本的層面上，如果預(yù)期的軟件不是預(yù)期的，則會執(zhí)行一組定義的制裁。制裁可能包括禁止訪問加密密鑰或外圍設(shè)備、重置 CPU 或執(zhí)行后備或設(shè)備恢復(fù)程序。雖然從最高級別來看，這個(gè)概念似乎很簡單，但確保安全啟動正常工作涉及許多步驟。

3. 建立信任根

要執(zhí)行安全啟動，需要“信任根”。這實(shí)質(zhì)上為所有進(jìn)一步的步驟建立了基本事實(shí)，并將信任鏈錨定到不可變的東西上。“信任根”，有時(shí)稱為“信任錨”，植根于設(shè)備硬件的不可變部分。雖然有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)這一概念，但它們通常都有兩個(gè)關(guān)鍵特征：1）必須能夠安全地控制復(fù)位向量。2） 復(fù)位向量指向的代碼必須是安全的。

復(fù)位后執(zhí)行的常見解決方案包括：

無法更改的固定掩碼 ROM

已編程和鎖定的一次性可編程 （OTP） 代碼閃存

在以受保護(hù)內(nèi)存為引導(dǎo)核心的專用安全核心上執(zhí)行軟件

第一個(gè)代碼塊必須執(zhí)行安全啟動邏輯。其目標(biāo)是為下一個(gè)引導(dǎo)階段準(zhǔn)備系統(tǒng)并對其進(jìn)行驗(yàn)證。這個(gè)關(guān)鍵的代碼塊必須經(jīng)過嚴(yán)格的審計(jì)，并將復(fù)雜性保持在最低限度。作為系統(tǒng)的不可變部分，這部分代碼中的任何漏洞或錯(cuò)誤通常只能通過完全更換硬件來修復(fù)。

4.驗(yàn)證軟件鏡像

構(gòu)建安全啟動實(shí)施的下一步是驗(yàn)證軟件映像。通常有兩種不同的方法用于檢查安全啟動中的真實(shí)性和完整性。選擇的方法基于設(shè)計(jì)要求或啟動時(shí)間等因素。

4.1 方法一：使用對稱算法進(jìn)行安全啟動驗(yàn)證

驗(yàn)證引導(dǎo)代碼的一種方法是使用稱為消息驗(yàn)證代碼的密鑰對稱加密算法。如果硬件設(shè)備具有用于所用算法的加速器，則可以實(shí)現(xiàn)此方法的好處。使用 CMAC 或 HMAC 算法可以縮短啟動時(shí)間。該解決方案的最大挑戰(zhàn)是加密密鑰和參考 MAC 的存儲。用于對稱算法的私鑰需要安全地存儲在受保護(hù)的安全環(huán)境（如 HSM）中。此外，由于 MAC 生成和 MAC 驗(yàn)證使用相同的密鑰，因此默認(rèn)情況下不提供不可否認(rèn)性屬性。為了解決這個(gè)缺點(diǎn)，可以將密鑰配置為具有由硬件強(qiáng)制執(zhí)行的 MAC 生成或僅驗(yàn)證屬性。

4.2 方法二：使用非對稱算法進(jìn)行安全啟動驗(yàn)證

在這種方法中，代碼使用非對稱加密算法（也稱為公鑰加密）進(jìn)行驗(yàn)證。非對稱算法基于稱為單向函數(shù)的數(shù)學(xué)問題。兩種流行的解決方案是RSA和ECDSA。雖然基礎(chǔ)數(shù)學(xué)和算法不同，但兩種解決方案都依賴于公鑰和私鑰對。

FlippyFlink，CC BY-SA 4.0，來自維基共享資源

要驗(yàn)證圖像，必須由簽名機(jī)構(gòu)使用私鑰對圖像進(jìn)行簽名。這是在設(shè)備外部完成的。在設(shè)備上，安全啟動代碼使用公鑰驗(yàn)證映像。由于密鑰是公開的，并且私鑰不能輕易地從公開密鑰的知識中推導(dǎo)出來，因此公開密鑰的私密性不是必需的。雖然為了密鑰的安全不需要公鑰的隱私，但系統(tǒng)仍然必須確保公鑰不能在未經(jīng)授權(quán)的情況下被修改或替換。

4.2.1 簽名生成

要生成簽名，需要根據(jù)輸入數(shù)據(jù)計(jì)算消息摘要（哈希）。這通常是在嵌入式設(shè)備之外的企業(yè)環(huán)境中創(chuàng)建的。簽名者用他們的私鑰加密消息摘要。加密的摘要稱為簽名。簽名的類型取決于算法和填充方案（例如 RSA-PSS）。原始圖像數(shù)據(jù)和簽名被編程到設(shè)備中。

4.2.2 簽名驗(yàn)證

簽名驗(yàn)證是根據(jù)代碼簽名驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性和真實(shí)性的過程。驗(yàn)證涉及計(jì)算數(shù)據(jù)的消息摘要（散列）并將其與解密簽名中收到的摘要進(jìn)行比較。

5. 建立信任鏈

在進(jìn)行安全啟動時(shí)，存在多種構(gòu)建信任鏈的方法。選擇的策略主要由啟動時(shí)間要求驅(qū)動。

執(zhí)行安全啟動的最簡單方法是單片方法，其中整個(gè)映像由第一階段啟動驗(yàn)證。雖然干凈簡單，但由于啟動時(shí)間要求，單片啟動很少在現(xiàn)實(shí)世界中工作。嵌入式設(shè)備通常需要在上電復(fù)位后的幾毫秒內(nèi)啟動并執(zhí)行其主要任務(wù)。在這些情況下，必須采取分階段的方法。

更先進(jìn)的解決方案允許部分執(zhí)行和驗(yàn)證并行運(yùn)行。這在多核系統(tǒng)上最為常見。

隨著圖像大小和復(fù)雜性的增加，加密硬件加速器成為滿足時(shí)序要求的必要條件。

6. 當(dāng)幸福的道路不那么幸福時(shí)……制裁

到目前為止，我們只討論了驗(yàn)證通過時(shí)的一般流程，但是如果其中一個(gè)階段驗(yàn)證失敗會發(fā)生什么？在這種情況下，需要實(shí)施制裁。系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須決定在驗(yàn)證階段失敗時(shí)該怎么做。根據(jù)階段和其他系統(tǒng)要求，可能會發(fā)生一種或多種可能的制裁：

系統(tǒng)重置

以降低的權(quán)限執(zhí)行下一個(gè)階段

例如，禁止使用加密密鑰或某些外圍設(shè)備

執(zhí)行備用驗(yàn)證應(yīng)用程序

將執(zhí)行更改為后備或備用應(yīng)用程序

這種情況在 OTA 或診斷更新失敗的情況下特別有用

停留在當(dāng)前啟動階段

7. 如何更新軟件？

好的，所以我們知道安全啟動將確保應(yīng)用程序是真實(shí)的和不變的，但是我們?nèi)绾谓鉀Q使用新（真實(shí)）軟件更新設(shè)備的需求？軟件更新允許新功能并允許修復(fù)錯(cuò)誤和安全漏洞。關(guān)鍵是保護(hù)這些更新的能力。每次新軟件發(fā)布，新軟件都必須辭職。已發(fā)布軟件的簽名需要成為生產(chǎn)軟件開發(fā)的構(gòu)建/發(fā)布過程的一部分。解決此過程的復(fù)雜性和安全性并非易事。我們不會在本文中討論軟件更新安全，但是有像TUF和Uptane這樣的項(xiàng)目直接關(guān)注這個(gè)話題。我們計(jì)劃在未來發(fā)布一篇關(guān)于軟件更新的深入文章。

8. 結(jié)論

總之…

安全啟動對于創(chuàng)建安全的信任鏈系統(tǒng)是不可或缺的。

它提供：

#1 - 身份驗(yàn)證（未經(jīng)授權(quán)的圖像不允許運(yùn)行）

#2 - 完整性（應(yīng)檢測到“篡改”圖像）

它通常使用：

數(shù)字簽名

確保身份驗(yàn)證和完整性

私鑰 -》 用于簽名

公鑰 -》 用于驗(yàn)證

（可選）圖像/數(shù)據(jù)加密

用于保密

用于防克隆/防偽

當(dāng)驗(yàn)證失敗時(shí)，將應(yīng)用制裁

安全啟動需要與軟件更新策略共存

審核編輯：郭婷