基于mbedTLS实现的嵌入式固件知识产权保护方案

　　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，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性(不可复制)和合法性。

　　基于mbedTLS实现的嵌入式固件知识产权保护方案
　　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；
　　基于mbedTLS实现的嵌入式固件知识产权保护方案
　　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 */