Cleer Arc5耳机出厂固件签名验证流程还原

Cleer Arc5耳机出厂固件签名验证流程还原

在智能音频设备越来越“卷”的今天，各家厂商除了拼音质、拼续航， 安全能力也悄然成为高端产品的分水岭 。Cleer Arc5作为一款定价破千元的TWS耳机，不仅在硬件堆料上拉满，在软件层面更是暗藏玄机——它用了一套完整的 安全启动链（Secure Boot）机制 ，确保每一行代码都“出身清白”。

这背后最核心的一环，就是 固件签名验证 。虽然官方从未公开细节，但通过逆向分析其固件镜像和启动日志，我们成功把这套“黑盒”机制给扒了个底朝天 🕵️‍♂️。

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整个验证过程就像一场层层通关的身份审查：从芯片出厂那一刻起，信任的种子就被种下；每加载一段新代码，都要“验明正身”，否则直接拒之门外。而这一切的信任源头，正是固化在芯片里的那一小段不可篡改的ROM代码，以及藏在Flash深处的公钥。

有意思的是，我们在固件中发现了一个关键线索： 公钥模数（Modulus）被大端序存储在 0x8000 附近，指数固定为 0x10001 ——这是典型的RSA-2048配置，而且极有可能运行在BES2600系列这类支持硬件加解密引擎的蓝牙SoC上。

那么问题来了：它是怎么做到“千里走单骑，不带一寸假”的？咱们不妨顺着启动流程一步步拆解。

当耳机上电，第一棒由Mask ROM接手，它会加载并执行位于 0x0000 的一级Bootloader（Boot0）。此时，真正的较量才刚刚开始 ⚔️。Boot0的任务不是立刻跳转，而是先去读取二级引导程序BL2的镜像及其附带的数字签名，然后调用验签函数：

int verify_firmware_signature(const uint8_t *firmware, size_t fw_len,
                              const uint8_t *signature, size_t sig_len) {
    uint8_t hash_local[32];
    uint8_t hash_decrypted[32];

    // Step 1: 计算本地SHA256
    sha256_calculate(firmware, fw_len, hash_local);

    // Step 2: 使用公钥解密签名
    rsa_decrypt_pkcs1_v15(signature, sig_len,
                          CLEER_PUBLIC_KEY_N, CLEER_PUBLIC_KEY_E,
                          hash_decrypted);

    // Step 3: 比对哈希值
    if (memcmp(hash_local, hash_decrypted, 32) != 0) {
        LOG_ERR("Hash mismatch! Firmware tampered.");
        return -1;
    }

    LOG_INFO("Signature verification passed.");
    return 0;
}

这段代码看似简单，实则步步惊心 🔐。
首先，对即将加载的BL2计算一次SHA-256摘要；接着，用预存的公钥对签名块进行PKCS#1 v1.5填充模式下的RSA解密，还原出原始哈希值；最后两者比对，一致才能放行。

小贴士💡：这个过程通常跑在SRAM里，避免被恶意代码劫持。而且很多SoC（比如BES）还提供了ROM API直连硬件加速模块，一次验签甚至能压到 <15ms ！

一旦BL2通过验证，系统就会将其解压或复制到内存中并跳转执行。接下来，轮到BL2来验证主应用固件（RTOS App），形成一个 链式信任传递 结构：

[ROM Code] 
   ↓ (信任根 RoT)
[Boot0 – 验证BL2] 
   ↓ (使用公钥解密签名，比对摘要)
[BL2 – 验证App FW]
   ↓
[RTOS 启动，启用加密外设]

这种“父验子”的设计，构建了从硬件到软件的完整可信执行环境（TEE），任何中间环节被篡改都会导致启动失败。

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说到签名算法本身，目前来看Cleer Arc5采用的是 RSA-2048 + SHA-256 + PKCS#1 v1.5 组合拳。虽然ECDSA近年来更受青睐（尤其Apple生态偏爱P256曲线），但从现有证据看，Cleer还是选择了更成熟稳定的RSA方案。

为什么？很简单：工具链完善、调试方便、抗侧信道攻击能力强，特别适合资源受限的MCU平台。不过我们也注意到一个有趣的现象——固件中存在一个未启用的 ecc_verify() 函数桩 🧩。

这意味着什么？很可能未来版本会向ECDSA迁移！毕竟后者优势太明显了：

对比项	RSA-2048	ECDSA-P256
密钥长度	256字节	64字节
安全强度	~112位	~128位
验签速度	中等	快30%~50%
存储开销	高	极低

尤其是对于TWS耳机这种空间敏感型设备，省下的Flash空间可能就意味着能多塞一组音效算法或者升级蓝牙协议栈 👀。

迁移动机也很清晰：
- 缩短启动时间（更快验签 = 更快开机）
- 减少公钥存储压力（256字节 → 64字节，整整少了192字节！）
- 跟进FIPS 140-2等行业合规趋势

所以别看现在是RSA天下，下一波更新说不定就悄悄切过去了。

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再来看看这套机制在整个系统中的实际角色。我们可以画出一张简化的安全架构图：

+------------------+       +--------------------+
|   生产服务器     |<----->| OTA 更新包生成系统 |
| (私钥签名)       |       | (SignTool)         |
+------------------+       +--------------------+
          ↓ (签名固件传输)
+--------------------------------------------------+
|                 Cleer Arc5 耳机                  |
|                                                  |
|  [Mask ROM] → [Boot0] → [BL2] → [RTOS App]       |
|      ↑           ↑         ↑          ↑          |
|   固化公钥    验BL2    验App     验插件       |
|                                                  |
|  Flash布局:                                       |
|  0x0000: Boot0                                   |
|  0x8000: Public Key & Config                     |
|  0x10000: BL2                                    |
|  0x20000: Signed Firmware (+ Sig at tail)        |
+--------------------------------------------------+

整个生命周期分为两个阶段：

1. 出厂烧录阶段
制造商将公钥写入Flash特定区域（理想情况应使用OTP/eFuse一次性编程熔丝），所有后续固件均需由离线保管的私钥签名后下发至产线烧录器。这样即使产线员工想动手脚，没有私钥也无计可施。

2. OTA升级期间
新固件包包含完整签名信息，下载完成后由BL2重新触发验签流程。若失败，则自动回滚至上一可用版本，防止“变砖”。

当然，光有签名还不够，还得防降级攻击 ❌。试想一下，攻击者故意推送一个旧版漏洞固件，虽然签名合法，但安全性早已过时。为此，Cleer在固件头中嵌入了版本号字段，并由Bootloader强制校验：

struct firmware_header {
    uint32_t magic;      // 0xCLEER12
    uint32_t version;    // 0x010203 -> v1.2.3
    uint32_t image_size;
    uint8_t  sha256[32];
    // ... signature follows
};

只要检测到版本低于当前，立即拒绝安装。这一招，让“时光倒流”式的攻击彻底失效。

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但也不是没有改进空间 😅。

比如当前公钥存放于普通Flash区，而非更安全的eFuse或OTP区域——这就意味着理论上可以通过patch掉公钥的方式来绕过验证（当然前提是能获取物理访问权限+破解调试接口）。建议厂商后续加强这方面防护，至少配合CRC校验或哈希锁定机制。

另外，对于大型固件（如带DSP音效插件的场景），可以考虑引入 Merkle Tree分块验证 ，实现流式处理，避免一次性加载全部数据造成内存压力。

还有个小建议：出厂后务必熔断JTAG/SWD调试口，防止攻击者通过边界扫描提取密钥或注入代码。毕竟，再多的软件防护，也抵不过一根调试线带来的致命漏洞。

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回到最初的问题：这套机制到底解决了哪些现实威胁？

安全威胁	防御方式
伪造固件刷机	无正确私钥无法生成有效签名 ✅
中间人篡改OTA包	即使修改一字节也会导致哈希不匹配 ✅
回滚攻击（Downgrade Attack）	版本号检查 + 拒绝旧版 ✅
物理提取固件重用	若未破解私钥，仍无法修改后重新签名 ✅

可以说，这套基于非对称加密的安全启动链，已经构筑起了相当坚固的第一道防线。

更重要的是，它的设计思路具有很强的通用性。无论是做TWS耳机、智能手表，还是IoT终端，都可以参考这套模型来自研安全框架。特别是那些打算自建OTA系统的团队，完全可以拿这套流程当作蓝本，快速搭建起自己的可信启动体系。

未来随着RISC-V架构在音频SoC中的普及，类似的签名验证机制将成为标配。谁掌握了从信任根到应用层的全流程控制权，谁就能在智能硬件的安全竞赛中占据先机 🚀。

而现在，你已经知道了Cleer Arc5的秘密武器是什么。是不是感觉，听音乐的时候都多了几分安全感？🎧🔐