引言：
嵌入式应用的领域越来越广泛，功能需求也越来越复杂，有些嵌入式产品要求在产品出厂后，使用过程中保留有固件升级的功能，以保证用户可以使用最新的功能和及时修正产品bug。支持固件升级就意味着在软件上留有“后门”（Bootloader与外界的交互），如果这个“后门”保护不当会造成固件代码泄露，针对这一安全隐患，本文讨论的话题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加密算法库。
我们先来了解一下什么是mbedTLS。MbedTLS前身是开源加密算法库PolarSLL，现已被arm公司收购并由arm技术团队进行维护更新，是对TLS和SSL协议实现的算法库。mbedTLS的目标是：易于理解，使用，集成和扩展。mbedTLS核心代码用C编程语言编写，实现SSL模块和各种加密算法，并提供各种加密算法的自测试代码。和其他TLS/SSL算法库实现不同，mbedTLS主要是面向小型嵌入式设备，代码紧凑，最小完整的TLS堆栈需要60KB的程序空间和64KB的RAM空间，而且执行效率高，可以说是行业内最小巧的SSL加密算法库。另外，mbedTLS是高度模块化的设计：每个组件，如加密函数，可以独立于框架的其余部分使用。mbedTLS完全是由C语言编写的，没有外部依赖，因此，mbedTLS是应用于嵌入式系统最理想的TLS加密算法库。更重要的一点是，mbedTSL是完全OpenSource的，支持Apache 2.0 license 或者GPL 2.0 license双重许可，可以自由应用于商业项目中。
上海润欣科技正在开发一个用于智能门锁等领域的指纹模块项目，用到的主控芯片是基于ARM Cortex-M4内核的MCU，但是这个MCU没有代码读出保护功能，为了避免产品被非法克隆，必须引入一种保护机制来提高产品的安全性。我们使用mbedTSL算法库中的RSASSA-PSS数字签名算法对MCU芯片中的UID和指纹传感器UID来进行签名(Sign)和验证(Verify)，保证每个被签名产品的唯一性(不可复制)和合法性。
原文签名（Sign）以及签名验证（Verify）
一、具体的实施步骤：
第1步：将mbedTLS生成的密钥对中的私钥存放与本地服务器，并禁止外部访问，以保证私钥的安全性；
第2步：利用MCU的UID和指纹传感器的UID通过上述本地服务器上的私钥及签名生成工具生成数字签名sig文件；
第3步：将上述第二步生成的sig签名文件保存到Bootloader特定区域；
第4步：将mbedTLS生成的密钥对中的公钥保存到APP固件中；
第5步：Bootloader更新APP固件时，利用APP中的公钥对Bootloader中的签名文件sig进行校验（Verify），校验通过，说明Bootloader和APP固件均为原厂合法固件，否则Bootloader拒绝引导执行APP固件，达到保护产品软硬版权的目的。
二、使用到的mbedTLS资源和API函数
1、mbedTSL代码包目录下使用VS2010或以上版本生成RSA密钥对生成工具：rsa_genkey.exe，用来生成上述步骤中第一步中的密钥对；
2、mbedTSL代码包目录下使用VS2010或以上版本生成RSASSA签名生成工具rsa_sign_pss.exe，以用来生成上述步骤中第二步中的sig文件；
3、mbedTSL代码包目录下使用VS2010或以上版本生成RSASSA签名验证工具rsa_verify_pss.exe，已确保代码的正确性；
4、MCU代码中使用到的mbedTLS API函数：
/*
* Initialize an RSA context 初始化RSA算法内容
*/
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签名算法实现函数
*/
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签名算法校验函数
*/
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 */
文章出处：润欣科技
