安全启动

本章节主要介绍基于 WQ SDK 的安全启动流程，安全固件的构建方式和烧录方式。

概述

芯片安全启动（Secure Boot）是一种确保设备仅运行经过授权和可信代码的安全机制，其主要目标是防止未经授权的软件加载，保护设备免受潜在的安全威胁。

本文档的目标是帮助开发人员理解和实现芯片的安全启动功能。通过介绍相关概念、技术细节和实现步骤，开发人员可以正确配置和使用安全启动功能，确保设备的启动过程安全可靠。

本文档的结构如下：

  • 背景与需求：解释安全启动的目标和实现意义。

  • 技术概览：描述安全启动的关键概念和常见实现方案。

  • 安全启动流程描述：详细描述硬件初始化、引导加载程序阶段和操作系统加载等关键步骤。

  • 流程实现细节：提供实现安全启动功能所需的硬件和软件支持。

背景与需求

  • 安全启动的目标

    • 确保设备仅运行经过认证和可信任的软件。

    • 防止恶意代码或未经授权的软件加载。

    • 提供设备启动过程的完整性和保密性验证。

    • 建立可信的设备运行环境，增强系统安全性。

技术概览

  • 摘要算法：用于生成数据的唯一指纹，确保数据的完整性。当前使用的是 SHA-256 算法，其具有较高的安全性和广泛的应用。 SHA-256 的哈希碰撞概率极低，输出为 256 位的固定长度散列值，其碰撞概率在理想条件下为 ，这意味着尝试产生两个相同散列值的成功率几乎为零。这种高安全性使 SHA-256 在关键安全应用中广泛采用，确保数据在传输和存储过程中的完整性和防篡改能力。

  • RSA： 一种广泛应用的非对称加密算法，使用公钥和私钥对进行数据加密和解密。其主要应用包括数字签名、密钥交换和数据加密。数字签名用于验证数据的来源和完整性，而密钥交换则用于在不安全的网络环境中安全地传输加密密钥。RSA-2048 和 RSA-3072 是常用的密钥长度，提供较高的安全性，适用于嵌入式设备和安全启动过程中的关键数据保护。

  • OTP（一次性可编程存储器）：OTP存储器的一个重要特点是数据一旦写入后无法再更改。与可擦写存储器（如 EEPROM 或 Flash）不同， OTP 存储器不支持擦除或修改操作，在嵌入式系统中， OTP 可以用于存储加密密钥或其他身份验证信息。由于它只能编程一次，这样的数据无法被修改或篡改，从而增加了安全性。

安全启动流程

  1. 一级引导 (由ROM引导至SBL)

    1. 验证公钥，读取 OTP 中存储的公钥的 hash 值，与需要被引导的固件所携带的公钥计算出的hash值进行比较，如果相同，则认为公钥合法。

    2. 验证固件，使用公钥解密公钥的签名，与固件的hash值进行对比，如果相同则认为固件合法，加载并运行固件。

  2. 二级引导 (由SBL启动APP)

    1. 验证公钥，与一级验证相同的方式验证app携带的公钥的合法性。

    2. 验证app，与一级引导相同的方式验证app固件的合法性，若验证通过则加载并启动。

  3. 链式启动 （由app加载其他固件）

    1. 链式启动中app再次加载其他固件时，可由app自行添加相应的验证方式，或直接使用与一级/二级引导相同的验证方式。

    2. 链式启动中的每一级启动都应验证固件的合法性。

        graph TB
subgraph 安全启动流程
    direction TB
    subgraph 存储区域
        subgraph OTP/EFUSE
            style OTP/EFUSE fill:#f99
            pubhash[公钥 hash值]
        end
        subgraph Flash
            subgraph SBL
                style SBL fill:#88F
                sblbin[SBL固件]
                pubkey[公钥]
                sblsign[签名]
            end
        end
    end

    subgraph 签名服务器
        style 签名服务器 fill:#cce
        prikey[私钥]
        sign[[对固件进行签名]]
        pubkey <--公私钥对--> prikey
        prikey --> sign
        sblbin --> sign
        sign --> sblsign
    end

    A[开始] --> B[计算公钥HASH值]
    pubkey --> B

    pubhash --> C
    B --> C{与OTP公钥哈希值比对}

    C -->|不相等| G[公钥非法,中止流程]
    style G fill:#C22

    C -->|相等| D[计算固件哈希值A]
    style D fill:#282
    sblbin --> D

    D --> E[解密签名得到哈希值B]
    pubkey --> E
    sblsign --> E

    E --> F{哈希值A和B比对}

    F -->|相同| H[验签成功,正常启动]
    style H fill:#282

    F -->|不同| I[验签失败]
    style I fill:#C22
end

安全启动流程图

安全固件的配置和构建

  1. 配置

    • 在项目目录使用 scons --menuconfig 打开配置

    • 开启 enable build secure package 选项

    • 在 Select signature type 中选择要使用的签名算法

    • 按需开启各个固件的签名 Enable ?CORE image secure

    • 在 Command to sign the image 中配置在编译机器中可以运行的用来对固件进行签名的命令 [1]

  2. 构建

    • 执行常规编译命令 scons

  3. 安全固件构建流程
            flowchart TD

subgraph 编译服务器
    style 编译服务器 fill:#FFFACD
    build[编译]
    pack[打包]
    burn[烧录]
    firmware([固件.wpk])

    build --> binfile1([固件1.bin])
    build --> binfile2([固件2.bin])
    build --> binfile3([固件3.bin])
    binfile1 --> pack
    binfile2 --> pack
    binfile3 --> pack

    subgraph 签名脚本
        style 签名脚本 fill:#87cefA
        upload[上传]
        download[下载]
        upload --> sign
        signfile --> download
        subgraph 签名服务器
            style 签名服务器 fill:#FF69B4
            sign[签名]
            prikey[私钥]
            prikey --> sign
            sign --> signfile([签名文件])
        end
    end
    binfile1 --> upload
    binfile2 --> upload
    binfile3 --> upload
    download --> signfilea1([签名1.sign])
    download --> signfilea2([签名2.sign])
    download --> signfilea3([签名3.sign])
    download --> pubkey[公钥]

    signfilea1 --> pack
    signfilea2 --> pack
    signfilea3 --> pack
    pubkey --> pack
    pack --> firmware --> burn
end

    安全启动流程图

安全固件的下载和安全启动的开启

  1. 初次烧录

    • 确保使用工具加载了安全固件包

    • 勾选 开启安全启动 选项 [2]

    • 勾选 开启安全下载 选项 [3]

    • 点击开始烧录

  2. 已开启了安全启动的芯片，后续下载

    • 使用工具加载正确的固件包 [4]

    • 取消勾选 开启安全启动 选项

    • 取消勾选 开启安全下载 选项

    • 点击开始烧录

  3. 使用安全固件包，但不使用开启和使用安全启动 [5]

    • 使用工具加载固件包

    • 点击开始烧录