i.MX RT系列外置Flash加密为您的产品安全保驾护航

Posted 2020-12-09

一、背景

NXP宣布推出i.MX RT系列处理器，内核基于 Arm- Cortex M7，运行主频高达600MHz，3020的coremark跑分，令人咋舌。i.MX RT1020/1050/1060系列MCU没有片内FLASH，从而可以让用户根据实际需要灵活搭配不同容量、不同厂家的外置FLASH 存储器。 飞凌嵌入式刚刚发布的OK1061-S、OK1052-C采用的是4MB/16MB串行NorFlash，QSPI接口。使用外置FLASH的方案，也不用担心里面的程序有被窃取的风险，这些问题，NXP在设计芯片之初，都已经考虑在内。下面我们来了解一下，如何给外置Falsh进行加密。

二、我们来介绍一下Flash加密的几种方法：

1、HAB（High-Assurance Boot）签名认证

这种模式，并不是对Falsh中的image进行加密，而是对烧写到Flash中的image进行合法性认证，检测image是否被恶意破坏或篡改，如果检测到image未经授权，即不合法，则MCU便不会执行该image。

我们使用非对称加密来实现HAB功能。加密工具会生成私钥和相应的公钥对。然后私钥用于加密我们想要发布的镜像，此加密为镜像生成唯一标识符，称为证书。公钥也附加到镜像上。在程序启动时，公钥用于解密证书。用于检查比较证书和镜像是否匹配。只有当证书和镜像匹配时，镜像才被视为“受信任”。否则，镜像被视为“不安全”，不允许加载和运行。此过程称为身份验证。只能访问公钥，根据非对称加密的属性，私钥不能从中推断出来。如果没有私钥，就无法为其恶意镜像附加有效证书。我们将公钥的摘要值（哈希）烧录到RT芯片的eFuses。一旦烧写，就无法修改。这可以防止***使用另一对私钥和公钥作弊的可能性。

下面我们通过图标来简单描述一下此过程。

1）产生公钥私钥，并且将公钥摘要值烧写到efuse：

2）使用私钥对镜像摘要加密生成镜像证书：

3）安全启动时，对镜像证书进行认证的过程：

上图中，一个正常做过签名的镜像文件在flash存在形式应该是由image（包括ivt，bootdata、dcd和应用image），HABdata（包括Public Key、Certificate和CSF）两部分组成，如图：

系统启动时，MCU内部ROM的BootLoader启动程序主要进行如下工作：

1） 将flash中image摘要进行HASH运算生产一个摘要值；

2） 使用已经在efuse中的烧写好的Public Key的摘要值与flash中的Public Key进行匹配，如果匹配成功，则进行下一步。

3） 使用Public Key解密flash中证书Certificate，得到镜像摘要值与第一步中生成的镜像摘要值进行比对，如果比对成功则说明镜像合法。

2、加密启动（HAB签名认证与HAB加密）

加密启动是签名认证与加密的组合启动。

这种模式属于中级安全模式，签名认证是对iamge合法性验证，而HAB加密就是对flash中的用户image明文通过加密算法转换为密文。HAB加密使用的AES-128算法，其对应的128bits的AES-128 Key不是由用户自定义的，而是HAB加密工具自动随机生成的，并且每一次加密操作生成的AES-128 Key都是不一样的，即使你没有更换输入的原始image。我们的image实际就是使用AES-128 Key这把钥匙进行加密的，我们称这把钥匙为：DEK（Data Encryption Key），这把钥匙存在于加密工具所在的PC机。既然DEK每一次都不一样而且存在于个人电脑中，那么MCU在启动的时候是怎么找到这把钥匙解密的呢？对，我们需要把这把钥匙的信息附加在image里面，烧写到flash中，待到启动的时候MCU的bootLoder程序会先把钥匙从image中取出来。那么问题来了，既然bootLoder能够取出钥匙，那么作为***的你我能不能也读出flash中的image取出DEK呢，当然没那么简单，因为这块存储DEK的区域也是经过加密的，想要取出DEK还需要另一把钥匙Master Secret Key，该钥匙用于创建密钥的加密区域blob（DEK blob），这把钥匙只能由MCU内部的DCP或BEE访问。这意味着每个芯片的blob是唯一的。在启动引导时，blob以这样的方式封装，即只有i.MX RT上的DCP才能访问DEK。下面的这个图显示了加密解密的过程：

所以一个做过加密启动的镜像存在与flash中应该是组织结构：

3、加密XIP（单引擎/双引擎BEE加密）

i.MX RT boot rom支持串行nor flash上的XIP（Execute-In-Place，在flash本地执行代码），直接使用BEE控制器提供的动态解密功能（使用aes-ctr-128或aes-ecb-128加密算法）。在执行加密XIP之前，引导ROM需要正确设置BEE控制器，这些配置参数存储在保护区域描述符块prdb中，而整个prdb使用aes-cbc-128模式加密，这个用于加密prodb的aes密钥存储在密钥信息块（kib）中，而kid使用efuse中提供的aes密钥加密为ekib）。整个或部分软件图像使用自定义的私钥（pvk）加密(然后将密钥烧录到片上efuse块中)，这个密钥被限制为仅能使用qspi解密引擎（bee）访问。在ROM代码初始化BEE块之后的引导过程中，存储在qspi flash中的加密和未加密的数据可以被动态访问。每个芯片都可以使用一个唯一的密钥来加密程序镜像，因此每个镜像只能用正确的密钥在芯片上引导，从而防止镜像盗用。

i.MX RT内部有两个BEE加密引擎分别为BEE引擎0和BEE引擎1，所以BEE加密又分为单引擎加密和双引擎加密。

单引擎加密： 通过上面的描述中我们知道，BEE加密使用用户自定义的密钥进行加密，加密时将该密钥烧录到MCU内部的efuse中，其实，也可以使用MCU内部的SVNS Key作为密钥，该密钥在芯片出厂时已预先烧录，无法更改，具有高级别访问权限，只能由内部DCP或BEE模块访问。

单引擎加密可以自定义设置加密区域和选择BEE加密引擎（使用 SVNS Key作为密钥时只能选择引擎0，使用自定义密钥时，即可选择引擎0也可选择引擎1）。在加密过程中，加密工具会将这些配置信息存储到prdb块中。密钥信息存储在kib信息块中。

双引擎加密： 双引擎加密使用两个用户自定义的密钥，分别赋予引擎0和引擎1使用，用户可以分别自定义设置他们的加密区域，加密时加密工具会将这些信息分别存储在prdb0和prdb1中。密钥信息存储在kib0和kib1中。

下面简单看一下解密流程：

BEE控制器通过读取MCU内部efuse烧录的用户密钥PVK，使用该PVK解密EKIB（Encrtpted KIB）密钥信息块，将其中的密钥取出，用于解密EPRDB(Encrtpted PRDB),获得BEE控制器的参数配置信息，BEE控制器通过此配置信息将密文image进行动态解密。

做过BEE加密的镜像存在于flash中应该是这种组织结构：

三、总结

上面简单介绍了一些关于Flash加密原理，现在我们总结一下一共有四中加密模式。

模式一：HAB签名认证。

模式二：HAB签名认证和HAB加密。

模式三：SNVS Key单引擎BEE加密。

模式四：用户自定义Key单引擎BEE或双引擎BEE加密。

这四种加密模式安全等级依次升高。其中HAB加密属于静态加密，是由片内ROM里的Boot程序将加密后的密文image全部解密成明文image，copy到MCU内存ram中再执行，而BEE加密是由MCU芯片内部的BEE控制器对密文image进行边解密边执行，属于动态加密（如果是Non-XIP Image，则解密执行流程与HAB加密类似）。