關于mbedTLS實現的嵌入式固件知識產權的保護辦法
隨著知識經濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對各類產品有效的知識產權保護已經成為當前提升企業(yè)競爭力的核心手段。對軟件企業(yè)來說，如何運用各種法律手段保護自己的軟件產品，就顯得更為重要了。
嵌入式應用的領域越來越廣泛，功能需求也越來越復雜，有些嵌入式產品要求在產品出廠后，使用過程中保留有固件升級的功能，以保證用戶可以使用最新的功能和及時修正產品bug。支持固件升級就意味著在軟件上留有“后門”(Bootloader與外界的交互)，如果這個“后門”保護不當會造成固件代碼泄露，針對這一安全隱患，本文討論的話題就是如何提高嵌入式Bootloader程序的安全性，有效防止黑客的hacking和cloning，借助的工具是arm的mbedTLS加密算法庫。
我們先來了解一下什么是mbedTLS。MbedTLS前身是開源加密算法庫PolarSLL，現已被arm公司收購并由arm技術團隊進行維護更新，是對TLS和SSL協議實現的算法庫。mbedTLS的目標是：易于理解，使用，集成和擴展。mbedTLS核心代碼用C編程語言編寫，實現SSL模塊和各種加密算法，并提供各種加密算法的自測試代碼。和其他TLS/SSL算法庫實現不同，mbedTLS主要是面向小型嵌入式設備，代碼緊湊，最小完整的TLS堆棧需要60KB的程序空間和64KB的RAM空間，而且執(zhí)行效率高，可以說是行業(yè)內最小巧的SSL加密算法庫。另外，mbedTLS是高度模塊化的設計：每個組件，如加密函數，可以獨立于框架的其余部分使用。mbedTLS完全是由C語言編寫的，沒有外部依賴，因此，mbedTLS是應用于嵌入式系統(tǒng)最理想的TLS加密算法庫。更重要的一點是，mbedTSL是完全OpenSource的，支持Apache 2.0 license 或者GPL 2.0 license雙重許可，可以自由應用于商業(yè)項目中。
上海潤欣科技正在開發(fā)一個用于智能門鎖等領域的指紋模塊項目，用到的主控芯片是基于ARM Cortex-M4內核的MCU，但是這個MCU沒有代碼讀出保護功能，為了避免產品被非法克隆，必須引入一種保護機制來提高產品的安全性。我們使用mbedTSL算法庫中的RSASSA-PSS數字簽名算法對MCU芯片中的UID和指紋傳感器UID來進行簽名(Sign)和驗證(Verify)，保證每個被簽名產品的唯一性(不可復制)和合法性。
基于mbedTLS實現的嵌入式固件知識產權保護方案
原文簽名(Sign)以及簽名驗證(Verify)
一、具體的實施步驟：
第1步：將mbedTLS生成的密鑰對中的私鑰存放與本地服務器，并禁止外部訪問，以保證私鑰的安全性;
第2步：利用MCU的UID和指紋傳感器的UID通過上述本地服務器上的私鑰及簽名生成工具生成數字簽名sig文件;
基于mbedTLS實現的嵌入式固件知識產權保護方案
第3步：將上述第二步生成的sig簽名文件保存到Bootloader特定區(qū)域;
第4步：將mbedTLS生成的密鑰對中的公鑰保存到APP固件中;
第5步：Bootloader更新APP固件時，利用APP中的公鑰對Bootloader中的簽名文件sig進行校驗(Verify)，校驗通過，說明Bootloader和APP固件均為原廠合法固件，否則Bootloader拒絕引導執(zhí)行APP固件，達到保護產品軟硬版權的目的。
二、使用到的mbedTLS資源和API函數
1、mbedTSL代碼包目錄下使用VS2010或以上版本生成RSA密鑰對生成工具：rsa_genkey.exe，用來生成上述步驟中第一步中的密鑰對;
2、mbedTSL代碼包目錄下使用VS2010或以上版本生成RSASSA簽名生成工具rsa_sign_pss.exe，以用來生成上述步驟中第二步中的sig文件;
3、mbedTSL代碼包目錄下使用VS2010或以上版本生成RSASSA簽名驗證工具rsa_verify_pss.exe，已確保代碼的正確性;
4、MCU代碼中使用到的mbedTLS API函數：
/*
* Initialize an RSA context 初始化RSA算法內容
*/
void mbedtls_rsa_init( mbedtls_rsa_context *ctx,
int padding,
int hash_id )
{
memset( ctx, 0, sizeof( mbedtls_rsa_context ) );
mbedtls_rsa_set_padding( ctx, padding, hash_id );
#if defined(MBEDTLS_THREADING_C)
mbedtls_mutex_init( &ctx->mutex );
#endif
}
#if defined(MBEDTLS_PKCS1_V21)
/*
* Implementation of the PKCS#1 v2.1 RSASSA-PSS-SIGN function
* RSASSA-PSS簽名算法實現函數
*/
int mbedtls_rsa_rsassa_pss_sign( mbedtls_rsa_context *ctx,
int (*f_rng)(void *, unsigned char *, size_t),
void *p_rng,
int mode,
mbedtls_md_type_t md_alg,
unsigned int hashlen,
const unsigned char *hash,
unsigned char *sig )
{
size_t olen;
unsigned char *p = sig;
unsigned char salt[MBEDTLS_MD_MAX_SIZE];
unsigned int slen, hlen, offset = 0;
int ret;
size_t msb;
const mbedtls_md_info_t *md_info;
mbedtls_md_context_t md_ctx;
if( mode == MBEDTLS_RSA_PRIVATE && ctx->padding != MBEDTLS_RSA_PKCS_V21 )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
if( f_rng == NULL )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
olen = ctx->len;
if( md_alg != MBEDTLS_MD_NONE )
{
/* Gather length of hash to sign */
md_info = mbedtls_md_info_from_type( md_alg );
if( md_info == NULL )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
hashlen = mbedtls_md_get_size( md_info );
}
md_info = mbedtls_md_info_from_type( (mbedtls_md_type_t) ctx->hash_id );
if( md_info == NULL )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
hlen = mbedtls_md_get_size( md_info );
slen = hlen;
if( olen < hlen + slen + 2 )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
memset( sig, 0, olen );
/* Generate salt of length slen */
if( ( ret = f_rng( p_rng, salt, slen ) ) != 0 )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_RNG_FAILED + ret );
/* Note: EMSA-PSS encoding is over the length of N - 1 bits */
msb = mbedtls_mpi_bitlen( &ctx->N ) - 1;
p += olen - hlen * 2 - 2;
*p++ = 0x01;
memcpy( p, salt, slen );
p += slen;
mbedtls_md_init( &md_ctx );
if( ( ret = mbedtls_md_setup( &md_ctx, md_info, 0 ) ) != 0 )
goto exit;
/* Generate H = Hash( M' ) */
if( ( ret = mbedtls_md_starts( &md_ctx ) ) != 0 )
goto exit;
if( ( ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, p, 8 ) ) != 0 )
goto exit;
if( ( ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, hash, hashlen ) ) != 0 )
goto exit;
if( ( ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, salt, slen ) ) != 0 )
goto exit;
if( ( ret = mbedtls_md_finish( &md_ctx, p ) ) != 0 )
goto exit;
/* Compensate for boundary condition when applying mask */
if( msb % 8 == 0 )
offset = 1;
/* maskedDB: Apply dbMask to DB */
if( ( ret = mgf_mask( sig + offset, olen - hlen - 1 - offset, p, hlen,
&md_ctx ) ) != 0 )
goto exit;
msb = mbedtls_mpi_bitlen( &ctx->N ) - 1;
sig[0] &= 0xFF >> ( olen * 8 - msb );
p += hlen;
*p++ = 0xBC;
mbedtls_zeroize( salt, sizeof( salt ) );
exit:
mbedtls_md_free( &md_ctx );
if( ret != 0 )
return( ret );
return( ( mode == MBEDTLS_RSA_PUBLIC )
? mbedtls_rsa_public( ctx, sig, sig )
: mbedtls_rsa_private( ctx, f_rng, p_rng, sig, sig ) );
}
#endif /* MBEDTLS_PKCS1_V21 */
#if defined(MBEDTLS_PKCS1_V21)
/*
* Implementation of the PKCS#1 v2.1 RSASSA-PSS-VERIFY function
* RSASSA-PSS簽名算法校驗函數
*/
int mbedtls_rsa_rsassa_pss_verify_ext( mbedtls_rsa_context *ctx,
int (*f_rng)(void *, unsigned char *, size_t),
void *p_rng,
int mode,
mbedtls_md_type_t md_alg,
unsigned int hashlen,
const unsigned char *hash,
mbedtls_md_type_t mgf1_hash_id,
int expected_salt_len,
const unsigned char *sig )
{
int ret;
size_t siglen;
unsigned char *p;
unsigned char *hash_start;
unsigned char result[MBEDTLS_MD_MAX_SIZE];
unsigned char zeros[8];
unsigned int hlen;
size_t observed_salt_len, msb;
const mbedtls_md_info_t *md_info;
mbedtls_md_context_t md_ctx;
unsigned char buf[MBEDTLS_MPI_MAX_SIZE];
if( mode == MBEDTLS_RSA_PRIVATE && ctx->padding != MBEDTLS_RSA_PKCS_V21 )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
siglen = ctx->len;
if( siglen < 16 || siglen > sizeof( buf ) )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
ret = ( mode == MBEDTLS_RSA_PUBLIC )
? mbedtls_rsa_public( ctx, sig, buf )
: mbedtls_rsa_private( ctx, f_rng, p_rng, sig, buf );
if( ret != 0 )
return( ret );
p = buf;
if( buf[siglen - 1] != 0xBC )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING );
if( md_alg != MBEDTLS_MD_NONE )
{
/* Gather length of hash to sign */
md_info = mbedtls_md_info_from_type( md_alg );
if( md_info == NULL )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
hashlen = mbedtls_md_get_size( md_info );
}
md_info = mbedtls_md_info_from_type( mgf1_hash_id );
if( md_info == NULL )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
hlen = mbedtls_md_get_size( md_info );
memset( zeros, 0, 8 );
/*
* Note: EMSA-PSS verification is over the length of N - 1 bits
*/
msb = mbedtls_mpi_bitlen( &ctx->N ) - 1;
if( buf[0] >> ( 8 - siglen * 8 + msb ) )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
/* Compensate for boundary condition when applying mask */
if( msb % 8 == 0 )
{
p++;
siglen -= 1;
}
if( siglen < hlen + 2 )
return( MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA );
hash_start = p + siglen - hlen - 1;
mbedtls_md_init( &md_ctx );
if( ( ret = mbedtls_md_setup( &md_ctx, md_info, 0 ) ) != 0 )
goto exit;
ret = mgf_mask( p, siglen - hlen - 1, hash_start, hlen, &md_ctx );
if( ret != 0 )
goto exit;
buf[0] &= 0xFF >> ( siglen * 8 - msb );
while( p < hash_start - 1 && *p == 0 )
p++;
if( *p++ != 0x01 )
{
ret = MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING;
goto exit;
}
observed_salt_len = hash_start - p;
if( expected_salt_len != MBEDTLS_RSA_SALT_LEN_ANY &&
observed_salt_len != (size_t) expected_salt_len )
{
ret = MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING;
goto exit;
}
/*
* Generate H = Hash( M' )
*/
ret = mbedtls_md_starts( &md_ctx );
if ( ret != 0 )
goto exit;
ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, zeros, 8 );
if ( ret != 0 )
goto exit;
ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, hash, hashlen );
if ( ret != 0 )
goto exit;
ret = mbedtls_md_update( &md_ctx, p, observed_salt_len );
if ( ret != 0 )
goto exit;
ret = mbedtls_md_finish( &md_ctx, result );
if ( ret != 0 )
goto exit;
if( memcmp( hash_start, result, hlen ) != 0 )
{
ret = MBEDTLS_ERR_RSA_VERIFY_FAILED;
goto exit;
}
exit:
mbedtls_md_free( &md_ctx );
return( ret );
}
/*
* Simplified PKCS#1 v2.1 RSASSA-PSS-VERIFY function
*/
int mbedtls_rsa_rsassa_pss_verify( mbedtls_rsa_context *ctx,
int (*f_rng)(void *, unsigned char *, size_t),
void *p_rng,
int mode,
mbedtls_md_type_t md_alg,
unsigned int hashlen,
const unsigned char *hash,
const unsigned char *sig )
{
mbedtls_md_type_t mgf1_hash_id = ( ctx->hash_id != MBEDTLS_MD_NONE )
? (mbedtls_md_type_t) ctx->hash_id
: md_alg;
return( mbedtls_rsa_rsassa_pss_verify_ext( ctx, f_rng, p_rng, mode,
md_alg, hashlen, hash,
mgf1_hash_id, MBEDTLS_RSA_SALT_LEN_ANY,
sig ) );
}
#endif /* MBEDTLS_PKCS1_V21 */
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