嵌入式固件安全启动链设计：基于TF-M的PSA Certified认证实践
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引言
在物联网和嵌入式设备广泛应用的当下，设备固件的安全性至关重要。安全启动链能够确保设备在启动过程中只运行经过认证的固件，防止恶意代码的加载和执行。平台安全架构（Platform Security Architecture，PSA）由ARM提出，旨在为物联网设备提供标准化的安全框架。可信固件-M（Trusted Firmware-M，TF-M）是PSA架构的开源参考实现，通过基于TF-M的安全启动链设计，设备能够满足PSA Certified认证要求，提升整体安全性。
PSA Certified认证与安全启动链
PSA Certified认证是针对物联网设备安全性的权威认证，涵盖了设备从硬件到软件的全生命周期安全。安全启动链是PSA Certified认证中的关键环节，它通过验证每个启动阶段的固件完整性、真实性和来源可靠性，确保设备启动在安全的环境下进行。一个完整的安全启动链通常包括多个阶段，如引导加载程序（Bootloader）、操作系统内核、关键应用程序等，每个阶段都需对下一阶段的固件进行认证。
基于TF-M的安全启动链设计
TF-M提供了丰富的安全服务，包括加密、认证、安全存储等，可用于构建安全启动链。以下是基于TF-M的安全启动链设计要点及部分代码示例。
1. 固件签名与认证
在构建安全启动链时，首先需要为每个阶段的固件生成数字签名。签名过程使用私钥对固件的哈希值进行加密，生成签名文件。在设备启动时，使用对应的公钥对签名进行验证。
示例代码：使用OpenSSL生成固件签名
c
#include <stdio.h>
#include <openssl/evp.h>
#include <openssl/pem.h>
#include <openssl/err.h>
#include <string.h>
// 生成固件哈希
void generate_firmware_hash(const unsigned char *firmware, size_t firmware_size, unsigned char *hash) {
EVP_MD_CTX *mdctx;
const EVP_MD *md;
md = EVP_sha256();
mdctx = EVP_MD_CTX_new();
EVP_DigestInit_ex(mdctx, md, NULL);
EVP_DigestUpdate(mdctx, firmware, firmware_size);
EVP_DigestFinal_ex(mdctx, hash, NULL);
EVP_MD_CTX_free(mdctx);
}
// 使用私钥对哈希进行签名
int sign_hash(const unsigned char *hash, size_t hash_len, const char *private_key_file, unsigned char *signature, size_t *signature_len) {
FILE *fp = fopen(private_key_file, "r");
if (!fp) {
fprintf(stderr, "Failed to open private key file\n");
return 0;
}
EVP_PKEY *pkey = PEM_read_PrivateKey(fp, NULL, NULL, NULL);
fclose(fp);
if (!pkey) {
fprintf(stderr, "Failed to read private key\n");
return 0;
}
EVP_MD_CTX *mdctx = EVP_MD_CTX_new();
EVP_PKEY_CTX *pctx = NULL;
EVP_DigestSignInit(mdctx, &pctx, EVP_sha256(), NULL, pkey);
EVP_DigestSignUpdate(mdctx, hash, hash_len);
if (EVP_DigestSignFinal(mdctx, signature, signature_len) <= 0) {
fprintf(stderr, "Signature generation failed\n");
EVP_PKEY_free(pkey);
EVP_MD_CTX_free(mdctx);
return 0;
}
EVP_PKEY_free(pkey);
EVP_MD_CTX_free(mdctx);
return 1;
}
2. TF-M中的安全启动实现
在TF-M中，可以利用其安全服务接口实现固件的认证。例如，在引导加载程序阶段，使用TF-M的加密服务验证下一阶段固件的签名。
示例代码：TF-M中验证固件签名（伪代码逻辑）
c
#include "tfm_crypto_api.h"
int verify_firmware_signature(const unsigned char *firmware, size_t firmware_size,
const unsigned char *signature, size_t signature_len,
const unsigned char *public_key, size_t public_key_len) {
unsigned char hash[32]; // SHA-256哈希值长度
generate_firmware_hash(firmware, firmware_size, hash);
// 调用TF-M的加密服务进行签名验证
psa_status_t status = tfm_crypto_asymmetric_verify(PSA_KEY_TYPE_RSA_PUBLIC_KEY,
public_key, public_key_len,
PSA_ALG_RSA_PKCS1V15_SHA256,
hash, sizeof(hash),
signature, signature_len);
if (status != PSA_SUCCESS) {
return 0; // 验证失败
}
return 1; // 验证成功
}
3. 安全启动链的阶段划分与跳转
将安全启动链划分为多个阶段，每个阶段完成自身的初始化后，对下一阶段的固件进行认证，认证通过则跳转到下一阶段执行。
结论
基于TF-M的嵌入式固件安全启动链设计，结合PSA Certified认证要求，能够有效提升嵌入式设备的安全性。通过固件签名与认证、利用TF-M的安全服务以及合理的阶段划分与跳转机制，确保设备在启动过程中只运行可信的固件。在实际应用中，还需根据具体硬件平台和安全需求进行进一步的优化和定制，以满足不同场景下的安全标准。随着物联网设备的不断发展，基于TF-M的安全启动链设计将在保障设备安全方面发挥越来越重要的作用。
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