基于mbedTLS实现的嵌入式固件知识产权保护方案

本文摘要：章节：嵌入式应用的领域更加普遍，功能市场需求也更加简单，有些嵌入式产品拒绝在产品出厂后，用于过程中保有有固件升级的功能，以确保用户可以用于近期的功能和及时修正产品bug。反对固件升级就意味著在软件上尚存“后门”（Bootloader与外界的交互），如果这个“后门”维护失当不会导致固件代码泄漏，针对这一安全隐患，本文辩论的话题就是如何提升嵌入式Bootloader程序的安全性，有效地避免黑客的hacking和cloning，利用的工具是arm的mbedTLS加密算法库。

章节：嵌入式应用的领域更加普遍，功能市场需求也更加简单，有些嵌入式产品拒绝在产品出厂后，用于过程中保有有固件升级的功能，以确保用户可以用于近期的功能和及时修正产品bug。反对固件升级就意味著在软件上尚存“后门”（Bootloader与外界的交互），如果这个“后门”维护失当不会导致固件代码泄漏，针对这一安全隐患，本文辩论的话题就是如何提升嵌入式Bootloader程序的安全性，有效地避免黑客的hacking和cloning，利用的工具是arm的mbedTLS加密算法库。我们再行来理解一下什么是mbedTLS。

MbedTLS前身是开源加密算法库PolarSLL，现被arm公司并购并由arm技术团队展开确保改版，是对TLS和SSL协议构建的算法库。mbedTLS的目标是：更容易解读，用于，构建和拓展。mbedTLS核心代码用C编程语言撰写，构建SSL模块和各种加密算法，并获取各种加密算法的自测试代码。

和其他TLS/SSL算法库构建有所不同，mbedTLS主要是面向小型嵌入式设备，代码灵活，大于原始的TLS堆栈必须60KB的程序空间和64KB的RAM空间，而且继续执行效率高，可以说道是行业内最小巧的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，可以独立国家于框架的其余部分用于。mbedTLS几乎是由C语言撰写的，没外部倚赖，因此，mbedTLS是应用于嵌入式系统最理想的TLS加密算法库。更加最重要的一点是，mbedTSL是几乎OpenSource的，反对Apache2.0license或者GPL2.0license双重许可，可以权利应用于商业项目中。

上海润欣科技正在研发一个用作智能门锁等领域的指纹模块项目，中用的主控芯片是基于ARMCortex-M4内核的MCU，但是这个MCU没代码朗读维护功能，为了防止产品被非法克隆，必需引进一种维护机制来提升产品的安全性。我们用于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来展开亲笔签名(Sign)和检验(Verify)，确保每个被亲笔签名产品的唯一性(不能拷贝)和合法性。原文亲笔签名（Sign）以及亲笔签名检验（Verify）一、明确的实行步骤：第1步：将mbedTLS分解的密钥对中的私钥存放在与本地服务器，并禁令外部采访，以确保私钥的安全性；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亲笔签名分解工具分解数字签名sig文件；第3步：将上述第二步分解的sig签名文件留存到Bootloader特定区域；第4步：将mbedTLS分解的密钥对中的公钥留存到APP固件中；第5步：Bootloader改版APP固件时，利用APP中的公钥对Bootloader中的签名文件sig展开校验（Verify），校验通过，解释Bootloader和APP固件皆为原厂合法固件，否则Bootloader拒绝接受引领继续执行APP固件，超过维护产品韧版权的目的。

二、用于到的mbedTLS资源和API函数1、mbedTSL代码包在目录下用于VS2010或以上版本分解RSA密钥对分解工具：rsa_genkey.exe，用来分解上述步骤中第一步中的密钥对；2、mbedTSL代码包在目录下用于VS2010或以上版本分解RSASSA亲笔签名分解工具rsa_sign_pss.exe，以用来分解上述步骤中第二步中的sig文件；3、mbedTSL代码包在目录下用于VS2010或以上版本分解RSASSA亲笔签名检验工具rsa_verify_pss.exe，已保证代码的正确性；4、MCU代码中用于到的mbedTLSAPI函数：/**InitializeanRSAcontext初始化RSA算法内容*/voidmbedtls_rsa_init(mbedtls_rsa_context*ctx,intpadding,inthash_id){memset(ctx,0,sizeof(mbedtls_rsa_context));mbedtls_rsa_set_padding(ctx,padding,hash_id);#ifdefined(MBEDTLS_THREADING_C)mbedtls_mutex_init(ctx-mutex);#endif}#ifdefined(MBEDTLS_PKCS1_V21)/**ImplementationofthePKCS#1v2.1RSASSA-PSS-SIGNfunction*RSASSA-PSS亲笔签名算法构建函数*/intmbedtls_rsa_rsassa_pss_sign(mbedtls_rsa_context*ctx,int(*f_rng)(void*,unsignedchar*,size_t),void*p_rng,intmode,mbedtls_md_type_tmd_alg,unsignedinthashlen,constunsignedchar*hash,unsignedchar*sig){size_tolen;unsignedchar*p=sig;unsignedcharsalt[MBEDTLS_MD_MAX_SIZE];unsignedintslen,hlen,offset=0;intret;size_tmsb;constmbedtls_md_info_t*md_info;mbedtls_md_context_tmd_ctx;if(mode==MBEDTLS_RSA_PRIVATEctx-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){/*Gatherlengthofhashtosign*/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(olenhlen+slen+2)return(MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA);memset(sig,0,olen);/*Generatesaltoflengthslen*/if((ret=f_rng(p_rng,salt,slen))!=0)return(MBEDTLS_ERR_RSA_RNG_FAILED+ret);/*Note:EMSA-PSSencodingisoverthelengthofN-1bits*/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)gotoexit;/*GenerateH=Hash(M)*/if((ret=mbedtls_md_starts(md_ctx))!=0)gotoexit;if((ret=mbedtls_md_update(md_ctx,p,8))!=0)gotoexit;if((ret=mbedtls_md_update(md_ctx,hash,hashlen))!=0)gotoexit;if((ret=mbedtls_md_update(md_ctx,salt,slen))!=0)gotoexit;if((ret=mbedtls_md_finish(md_ctx,p))!=0)gotoexit;/*Compensateforboundaryconditionwhenapplyingmask*/if(msb%8==0)offset=1;/*maskedDB:ApplydbMasktoDB*/if((ret=mgf_mask(sig+offset,olen-hlen-1-offset,p,hlen,md_ctx))!=0)gotoexit;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*/#ifdefined(MBEDTLS_PKCS1_V21)/**ImplementationofthePKCS#1v2.1RSASSA-PSS-VERIFYfunction*RSASSA-PSS亲笔签名算法校验函数*/intmbedtls_rsa_rsassa_pss_verify_ext(mbedtls_rsa_context*ctx,int(*f_rng)(void*,unsignedchar*,size_t),void*p_rng,intmode,mbedtls_md_type_tmd_alg,unsignedinthashlen,constunsignedchar*hash,mbedtls_md_type_tmgf1_hash_id,intexpected_salt_len,constunsignedchar*sig){intret;size_tsiglen;unsignedchar*p;unsignedchar*hash_start;unsignedcharresult[MBEDTLS_MD_MAX_SIZE];unsignedcharzeros[8];unsignedinthlen;size_tobserved_salt_len,msb;constmbedtls_md_info_t*md_info;mbedtls_md_context_tmd_ctx;unsignedcharbuf[MBEDTLS_MPI_MAX_SIZE];if(mode==MBEDTLS_RSA_PRIVATEctx-padding!=MBEDTLS_RSA_PKCS_V21)return(MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA);siglen=ctx-len;if(siglen16||siglensizeof(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){/*Gatherlengthofhashtosign*/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-PSSverificationisoverthelengthofN-1bits*/msb=mbedtls_mpi_bitlen(ctx-N)-1;if(buf[0](8-siglen*8+msb))return(MBEDTLS_ERR_RSA_BAD_INPUT_DATA);/*Compensateforboundaryconditionwhenapplyingmask*/if(msb%8==0){p++;siglen-=1;}if(siglenhlen+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)gotoexit;ret=mgf_mask(p,siglen-hlen-1,hash_start,hlen,md_ctx);if(ret!=0)gotoexit;buf[0]=0xFF(siglen*8-msb);while(phash_start-1*p==0)p++;if(*p++!=0x01){ret=MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING;gotoexit;}observed_salt_len=hash_start-p;if(expected_salt_len!=MBEDTLS_RSA_SALT_LEN_ANYobserved_salt_len!=(size_t)expected_salt_len){ret=MBEDTLS_ERR_RSA_INVALID_PADDING;gotoexit;}/**GenerateH=Hash(M)*/ret=mbedtls_md_starts(md_ctx);if(ret!=0)gotoexit;ret=mbedtls_md_update(md_ctx,zeros,8);if(ret!=0)gotoexit;ret=mbedtls_md_update(md_ctx,hash,hashlen);if(ret!=0)gotoexit;ret=mbedtls_md_update(md_ctx,p,observed_salt_len);if(ret!=0)gotoexit;ret=mbedtls_md_finish(md_ctx,result);if(ret!=0)gotoexit;if(memcmp(hash_start,result,hlen)!=0){ret=MBEDTLS_ERR_RSA_VERIFY_FAILED;gotoexit;}exit:mbedtls_md_free(md_ctx);return(ret);}/**SimplifiedPKCS#1v2.1RSASSA-PSS-VERIFYfunction*/intmbedtls_rsa_rsassa_pss_verify(mbedtls_rsa_context*ctx,int(*f_rng)(void*,unsignedchar*,size_t),void*p_rng,intmode,mbedtls_md_type_tmd_alg,unsignedinthashlen,constunsignedchar*hash,constunsignedchar*sig){mbedtls_md_type_tmgf1_hash_id=(ctx-hash_id!。

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