什么是secure boot

　　secure boot是指確保在一個平臺上運行的程序的完整性的過程或機制。secure boot會在固件和應用程序之間建立一種信任關系。在啟用secure boot功能后，未經簽名的固件或程序將不能運行在該設備上。

　　通過這種方式，可以保護操作系統免受惡意攻擊。secure boot一般使用公鑰/私鑰來驗證固件和應用程序的簽名是否合法。

　　為什么需要secure boot

　　嵌入式設備啟動一般從bootrom開始，逐級加載spl，uboot，linux，應用程序。

　　該流程中由bootrom開始，逐級通過spl、uboot以啟動linux操作系統。

　　我們假設spl、uboot和linux鏡像都被保存在flash上，則在啟動時，各級啟動程序都需要從flash中加載下一級啟動鏡像，其流程示意圖如下：

　　如果以上流程未執(zhí)行secure boot，則flash中的鏡像一旦被惡意攻擊者替換掉，那么最終系統上將會運行被攻擊者篡改過的固件。

　　假設linux和rootfs被替換掉以后，那么啟動后整個系統都將掌握在攻擊者的手里。從而導致在操作系統之上構建的所有安全機制都形同虛設。

　　secure boot預備知識

　　ARMv8分為Secure World和Non-Secure World（Normal World），四種異常級別從高到低分別為EL3，EL2，EL1，EL0。

　　EL3具有最高管理權限，負責安全監(jiān)測和Secure World和Normal World之間的切換。

　　EL2主要提供了對虛擬化的支持。

　　EL1是一個特權模式，能夠執(zhí)行一些特權指令，用于運行各類操作系統，在Secure World則是secure OS（如TEE）。

　　EL0是無特權模式，所有APP應用都在EL0。

　　啟動流程

　　上圖中的BL1，BL2，BL31，BL32，BL33分別對應如下功能：

　　BL1

　　BL1是信任鏈的根所在，一般是固化在芯片內部的一段代碼，叫做bootrom，具有最高的執(zhí)行權限EL3，在 CPU 出廠時就被寫死了。

　　bootrom通常會被映射到它專屬的一塊內存地址中，但是如果你嘗試向這塊地址寫入內容，一般都會出錯。

　　芯片上電或復位后，bootrom的代碼會從固定位置加載BL2來初始化sram，在BL2 驗簽通過后會跳轉到BL2 ，以保證可信任執(zhí)行。

　　BL2

　　BL2和BL1一樣，也是運行在EL3特權級別的，不同的是BL2在flash中的一段可信安全啟動代碼，它的可信建立在BL1對它的驗證，主要完成一些平臺相關的初始化，比如對ddr的初始化等。

　　在完成初始化后尋找BL31或者BL33進行執(zhí)行；如果找到了BL31則不會繼續(xù)調用BL33，如果沒有BL31則BL33必須有。

　　BL31

　　BL31作為EL3最后的安全堡壘，它不像BL1和BL2是一次性運行的。如它的runtime名字暗示的那樣，它通過SMC指令為Non-Secure持續(xù)提供設計安全的服務，在Secure World和Non-Secure World之間進行切換。它的主要任務是找到BL32，驗簽，并運行BL32。

　　BL32

　　BL32是所謂的secure os，在ARM平臺下是 ARM 家的 Trusted Execution Environment（TEE）實現。OP-TEE 是基于ARM TrustZone硬件架構所實現的軟件Secure OS。

　　一般在BL32會運行OPTee OS + 安全app，它是一個可信安全的OS運行在EL1并在EL0啟動可信任APP（如指紋信息，移動支付的密碼等），并在Trust OS運行完成后通過SMC指令返回BL31，BL31切換到Non-Seucre World繼續(xù)執(zhí)行BL33。

　　BL32 在不同的平臺有不同的實現，Intel 的叫做 Software Guard Extensions（SGX），AMD 的叫做 Platform Security Processor（PSP）

　　BL33

　　到了BL33這里就是Normal Wrold了，運行的都是非安全固件，也就是我們常見的UEFI firmware或者u-boot，也可能是直接啟動Linux kernel。

　　啟動BL1，BL2，BL31，BL32則是一個完整的ATF信任鏈建立流程（ARM Trusted Firmware），像常見的PSCI（Power State Coordination Interface）功能則是在ATF的BL31上實現。

　　最后一張圖完整展示整個調用流程：

　　消息摘要算法和加密算法

　　消息摘要算法

　　消息摘要又稱為數字摘要。它是一個唯一對應一個消息或文本的固定長度的值，它由一個單向Hash加密函數對消息進行作用而產生。

　　如果消息在途中改變了，則接收者通過對收到消息的新產生的摘要與原摘要比較，就可知道消息是否被改變了。因此消息摘要保證了消息的完整性。

　　消息摘要采用單向Hash函數，將需加密的明文"摘要"成一串固定位數（如128bit）的密文，這一串密文亦稱為數字指紋（Finger Print），它有固定的長度，且不同的明文摘要成密文，其結果總是不同的，而同樣的明文其摘要必定一致。

　　這樣這串摘要便可成為驗證明文是否是“真身”的“指紋”了。

　　消息摘要具有不可逆性，在消息摘要生成過程中，會丟失很多原文的信息，而且無法找回。一個好的摘要算法，是極難產生Hash碰撞的，也就是找到另一段明文經計算后產生相同的摘要。

　　常用的消息摘要算法有MD5，SHA，MAC等。在secure boot中，一般使用sha128，sha256、sha512等算法作為完整性算法。

　　對于任意長度的消息，sha256都會產生一個256位的哈希值，稱作消息摘要。這個摘要相當于是個長度為32個字節(jié)的數組，通常有一個長度為64的十六進制字符串來表示，其中1個字節(jié)=8位，一個十六進制的字符的長度為4位。

　　來看一個具體的例子：

　　TrustChain

　　這句話經過哈希函數sha256后得到的哈希值為：

　　3a6fed5fc11392b3ee9f81caf017b48640d7458766a8eb0382899a605b41f2b9

　　總體上，sha256與MD4、MD5以及HSA-1等哈希函數的操作流程類似，有了消息摘要算法后，我們就可以通過它驗證鏡像的完整性，從而很容易地就能把被篡改的鏡像給識別出來。

　　加解密算法-RSA

　　RSA加密是一種非對稱加密。可以在不直接傳遞密鑰的情況下，完成解密。這能夠確保信息的安全性，避免了直接傳遞密鑰所造成的被破解的風險。

　　RSA算法是由一對密鑰來進行加解密的過程，分別稱為公鑰和私鑰。兩者之間有數學相關，該加密算法的原理就是對一極大整數做因數分解的困難性來保證安全性。通常個人保存私鑰，公鑰是公開的（可能同時多人持有）。

　　下面以一個例子說明RSA簽名的過程。

　　戰(zhàn)場上，B要給A傳遞一條消息，內容為某一指令。

　　RSA簽名的過程如下：

　　（1）A生成一對密鑰（公鑰和私鑰），私鑰不公開，A自己保留。公鑰為公開的，任何人可以獲取。

　　（2）A用自己的私鑰對消息加簽，形成簽名，并將加簽的消息和消息本身一起傳遞給B。

　　（3）B收到消息后，在獲取A的公鑰進行驗簽，如果驗簽出來的內容與消息本身一致，證明消息是A回復的。

　　在這個過程中，只有2次傳遞過程，第一次是A傳遞加簽的消息和消息本身給B，第二次是B獲取A的公鑰。

　　即使都被敵方截獲，也沒有危險性，因為只有A的私鑰才能對消息進行簽名，即使知道了消息內容，也無法偽造帶簽名的回復給B，防止了消息內容的篡改。

　　trustzone  & ATF & OPTEE

　　trustzone

　　TrustZone是ARM針對消費電子設備設計的一種硬件架構，它對ARM的擴展，其實只是增加了一條指令,一個配置狀態(tài)位(NS位),以及一個新的有別于核心態(tài)和用戶態(tài)的安全態(tài)。其目的是為消費電子產品構建一個安全框架來抵御各種可能的攻擊。

　　TrustZone在概念上將SOC的硬件和軟件資源劃分為安全(Secure World)和非安全(Normal World)兩個世界，所有需要保密的操作在安全世界執(zhí)行（如指紋識別、密碼處理、數據加解密、安全認證等），其余操作在非安全世界執(zhí)行（如用戶操作系統、各種應用程序等），安全世界和非安全世界通過一個名為Monitor Mode的模式進行轉換，如圖1：

　　處理器架構上，TrustZone將每個物理核虛擬為兩個核，一個非安全核（Non-secure Core, NS Core），運行非安全世界的代碼；和另一個安全核（Secure Core），運行安全世界的代碼。

　　兩個虛擬的核以基于時間片的方式運行，根據需要實時占用物理核，并通過Monitor Mode在安全世界和非安全世界之間切換，類似同一CPU下的多應用程序環(huán)境。

　　不同的是多應用程序環(huán)境下操作系統實現的是進程間切換，而Trustzone下的Monitor Mode實現了同一CPU上兩個操作系統間的切換。

　　OPTEE

　　OPTEE是一個通常運行在 Secure World EL1 權限中的內核程序，比較常見的是基于開源的 ARM Trusted Firmware 進行擴展修改的，別的實現還有基于 Little Kernel 的，以及一些芯片廠家自己的實現。

　　它的主要作用是給 Secure World 中運行的程序提供一個基本的系統內核，實現多任務調度、虛擬內存管理、System Call 回調、硬件驅動、IPC 通訊等等。

　　ATF

　　TF(Trusted Firmware)是ARM在Armv8引入的安全解決方案，為安全提供了整體解決方案。它包括啟動和運行過程中的特權級劃分，對Armv7中的TrustZone（TZ）進行了提高，補充了啟動過程信任鏈的傳導，細化了運行過程的特權級區(qū)間。

　　TF實際有兩種Profile，對ARM Profile A的CPU應用TF-A，對ARM Profile M的CPU應用TF-M。我們一般接觸的都是TF-A，又因為這個概念是ARM提出的，有時候也縮寫做ATF（ARM Trusted Firmware）。

　　ATF帶來最大的變化是信任鏈的建立（Trust Chain），整個啟動過程包括從EL3到EL0的信任關系的打通。

　　ATF的啟動流程包括5個單獨的啟動階段，在不同的異常級別運行，如下表所示。

　　TrustZone，ATF，OPTEE 這三者有什么關系呢？

　　TrustZone是一種架構，支持ATF的硬件。ATF是軟件，包含bl2 + bl31 + bl32 + bl33，bl32=optee-os，bl33=u-boot。

　　secure boot啟動流程

　　信任鏈的構建

　　由于操作系統啟動時可能需要多級啟動鏡像，而只要其中任意一級鏡像未執(zhí)行secure boot流程，則其后的所有鏡像實際上都是不可信的。典型的例子如下：

　　以上例子中bootrom驗證了spl鏡像，若spl未驗證uboot鏡像，則一旦uboot鏡像被替換以后，那么攻擊者就可以控制后面所有的啟動流程。如被替換的uboot可以從其它位置加載非法的linux鏡像，而在該linux鏡像中任意植入后門等。

　　因此，secure boot需要建立安全啟動的信任鏈，在啟動流程中，每一級鏡像都由其前級鏡像執(zhí)行合法性驗證。

　　這樣只要保證第一級鏡像是合法的，那么第二級鏡像的合法性由第一級鏡像保證，第三級鏡像的合法性由第二級鏡像保證。從而像鏈條一樣將整個啟動流程的信任鏈連接起來，最終保證整個系統是可信的。

　　由于信任鏈建立流程中，鏡像合法性是由其前級鏡像驗證的，那么第一級鏡像的合法性如何保證呢？既然無法由前級鏡像為其背書，那么按照慣例，軟件沒辦法解決的問題自然就需要硬件上馬了。

　　我們知道rom是一種只讀存儲器，它只能被編程一次且內容在其后不能被再次更改。因此若在SOC內部集成一片ROM，并在芯片生產時就將第一級啟動鏡像刷到這塊ROM中，那么也就保證了它是可信的，這也是現代SOC的普遍做法。一般SOC在出廠時就已經在rom固定區(qū)域中集成了bootrom鏡像，每次芯片啟動時都會從bootrom開始執(zhí)行。

　　鏡像校驗方式

　　下面我們介紹一種常見的鏡像簽名和校驗方法。

　　使用hash算法計算鏡像的hash值用私鑰將hash值簽名后，將簽名的結果一起打進鏡像中，存放在特定位置。上電后拿到公鑰，將存儲在鏡像中特定位置的hash解密。將解密的hash值與設備中當前計算的hash值做對比，二者一致則校驗通過。

　　總結

　　以上就介紹了secure boot相關的基本概念和框架，希望大家能對secure boot有更加深刻的理解。secure boot的具體實現方案各個廠家都有所差別，但原理都是相同的。下一篇文章將介紹一種主流的開源的secure boot的實現方案。

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電子技術應用專欄作家  嵌入式與Linux那些事

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