【嵌入式linux】uboot的env加密存储和解密加载

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已于 2022-11-24 17:48:39 修改 · 2.6k 阅读

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#linux #嵌入式 #c语言

于 2022-11-18 00:46:17 首次发布

一般在uboot里除了可以使用默认的env变量，还可以使用存自定义的env并且存储在外部存储介质（如flash）中，然后使能从存储介质读取加载env，当uboot加载env时候会检测env driver，若能成功读取存储介质的env分区并且crc校验成功后就会将env加载到uboot中。但是使用linux的mkenvimage生成的env镜像依旧是以明文形式存在flash中，若自定义了一些对于系统非常重要的env变量（如开机密码、一些key或者重要信息等），很容易从env窃取到重要的启动信息或其他内容。
下图是使用mkenvimage生成并写入flash的env镜像。cat进入查看内容仍可以看到全部的明文信息，保密性不强。
在这里插入图片描述
因此这里实现一种对mkenvimage生成的env镜像加密并且在uboot读取env镜像后先进行解密再进行校验加载。综合考虑后使用AES对称加密，AES加密安全性高且uboot有相关的AES的接口。
简要提一下uboot里env的初始化大概流程：
board_init_r→init_sequence_r→initr_env→env_relocate→env_load(若没有使能了外部存储加载env则使用env_default.h默认的env)→找到对应存储介质的env driver→调用env driver→load→调用spi_flash_read根据ENV_SIZE和ENV_OFFSET读取flash的env镜像到内存buf->最后env_import将buf进行crc检验，检验成功后拷贝到uboot的env映射表中。
下图使能了从spi flash加载env
在这里插入图片描述

在PC上编写AES加密程序：

int main(int argc,char**argv)
{
   
   
	u8 commkey[] = {
   
   		//128bits key，自行定义		
	0x12, 0x34, 0x56, 0x78,
	0x27, 0x7E, 0x1B, 0xFD,
	0xEE, 0x0A, 0x45, 0x50,
	0x41, 0X83, 0X22, 0xF1};
	if(argc!=3)
	{
   
   
		printf("[./env_encrypt] [src_file] [dst_file]\n");
		return -1;
	}
	u32 size=0;
	int i;

	if (access(argv[1], F_OK)!=0) //加密的源文件
	{
   
   
		printf("%s not found!\n",argv[1]);
		return -1;
	}
	FILE *fp_src=fopen(argv[1],"r+");
	FILE *fp_dst=fopen(argv[2],"w+");
	if(fp_src==NULL||fp_dst==NULL)
	{
   
   
		printf("fp =NULL\n");
		return -1;
	}
	struct stat file_info;
	stat(argv[1] ,&file_info);
	size=file_info.st_size;	//获得源文件大小
	printf("src_file size=%d\n",size);
	char buf[size];
	char encrypt_data[size];
	char decrypt_data[size];
	memset(buf,0,size);
	memset(encrypt_data,0,size);
	int pos=0;
	fread(buf,1,size,fp_src);
	fclose(fp_src);
	u8 tin[16];
	u8 tout[16];
	u8 expand_key[256];
	memset(expand_key,0x00,256*sizeof(u8));
	aes_expand_key(commkey, expand_key);//初始化和拓展aes key
	for(i=0;i<size;i=i+16)
	{
   
   
		memset(tin,0x00,16);
		memset(tout,0x00,16);
		memcpy(tin,(char *)buf+i,16);
		aes_encrypt(tin,expand_key,tout);	//分组加密
		memcpy(encrypt_data+i,tout,16);
	}
	fwrite(encrypt_data,1,size,fp_dst);
	printf("encrypt ok\n");
	fclose(fp_dst);
	return 0;
}

在uboot->env->sf.c->env_sf_load（使用的是qspi flash，若不同的flash找到对应的驱动文件）添加AES解密步骤：

static int env_sf_load(void)
{
   
   
	int ret;
	char *buf = NULL;
	
	buf = (char *)memalign(ARCH_DMA_MINALIGN, CONFIG_ENV_SIZE);
	if (!buf) {
   
   
	set_default_env("malloc() failed", 0);
	return -EIO;
	}
	
	ret = setup_flash_device();
	if (ret)
		goto out;
	
	ret = spi_flash_read(env_flash,
	CONFIG_ENV_OFFSET, CONFIG_ENV_SIZE, buf);	//从spi flash的偏移读取env镜像，在上图设置了CONFIG_ENV_OFFSET=0x200000 CONFIG_ENV_SIZE=0x10000
	if (ret) {
   
   
		set_default_env("spi_flash_read() failed", 0);
		goto err_read;
	}
	#if defined MY_ENVENCRYPT
	puts("decrypting env\n");
	int i;
	u8 tin[16];
	u8 tout[16];
	
	u8 commkey[] = {
   
   		//128bits key，自行定义，跟加密的key一样		
	0x12, 0x34, 0x56, 0x78,
	0x27, 0x7E, 0x1B, 0xFD,
	0xEE, 0x0A, 0x45, 0x50,
	0x41, 0X83, 0X22, 0xF1};
	
	u8 *expand_key = NULL;
	expand_key = (u8 *)malloc(sizeof(u8)*256);
	memset(expand_key,0x00,sizeof(u8)*256);
	
	aes_expand_key(commkey, expand_key);
	
	for(i=0;i<CONFIG_ENV_SIZE;i=i+16){
   
   
		memset(tin,0x00,16);
		memset(tout,0x00,16);
		memcpy(tin,(char *)buf+i,16);
		aes_decrypt(tin, expand_key, tout);//分组解密
		memcpy(buf+i,tout,16);
	}
	
	free(expand_key);
	printf("decrypting env ok \n");
	#endif
	ret = env_import(buf, 1);//该接口将解密得到的buf传入env映射表
	if (!ret)
	gd->env_valid = ENV_VALID;//设置全局变量gd的标志表示env加载成功
	
	err_read:
	spi_flash_free(env_flash);
	env_flash = NULL;
	out:
	free(buf);
	
	return ret;
}

最后重新编译uboot,烧录uboot和加密后的env镜像到flash后重新启动uboot能正常加密和加载env，通过uboot命令行能查看到自定义变量。
在这里插入图片描述

举一反三，也可以用这种思路去加密kernel和rootfs，如果想进一步提高安全性，可以将秘钥写入CPU的硬件逻辑区域（前提是CPU支持，这里使用的xilinx zynq-7010是支持写入AES秘钥到可信硬件区域的EFUSE寄存器上（熔丝，只能写一次），然后加密二进制系统镜像并且在启动的时候使能硬解密引擎，解密后将镜像加载到内存实现安全启动的）。

附在uboot/lib/aes.c下有aes加解密源码

// SPDX-License-Identifier: GPL-2.0+
/*
 * Copyright (c) 2011 The Chromium OS Authors.
 * (C) Copyright 2011 NVIDIA Corporation www.nvidia.com
 */

/*
 * advanced encryption standard
 * author: karl malbrain, malbrain@yahoo.com
 *
 * This work, including the source code, documentation
 * and related data, is placed into the public domain.
 *
 * The orginal author is Karl Malbrain.
 *
 * THIS SOFTWARE IS PROVIDED AS-IS WITHOUT WARRANTY
 * OF ANY KIND, NOT EVEN THE IMPLIED WARRANTY OF
 * MERCHANTABILITY. THE AUTHOR OF THIS SOFTWARE,
 * ASSUMES _NO_ RESPONSIBILITY FOR ANY CONSEQUENCE
 * RESULTING FROM THE USE, MODIFICATION, OR
 * REDISTRIBUTION OF THIS SOFTWARE.
*/
#ifndef USE_HOSTCC
#include <common.h>
#else
#include <string.h>
#endif
#include "uboot_aes.h"

/* forward s-box */
static const u8 sbox[256] = {
   
   
	0x63, 0x7c, 0x77, 0x7b, 0xf2, 0x6b, 0x6f, 0xc5,
	0x30, 0x01, 0x67, 0x2b, 0xfe, 0xd7, 0xab, 0x76,
	0xca, 0x82, 0xc9, 0x7d, 0xfa, 0x59, 0x47, 0xf0,
	0xad, 0xd4, 0xa2, 0xaf, 0x9c, 0xa4, 0x72, 0xc0,
	0xb7, 0xfd, 0x93, 0x26, 0x36, 0x3f, 0xf7, 0xcc,
	0x34, 0xa5, 0xe5, 0xf1, 0x71, 0xd8, 0x31, 0x15,
	0x04, 0xc7, 0x23, 0xc3, 0x18, 0x96, 0x05, 0x9a,
	0x07, 0x12, 0x80, 0xe2, 0xeb, 0x27, 0xb2, 0x75,
	0x09, 0x83, 0x2c, 0x1a, 0x1b, 0x6e, 0x5a, 0xa0,
	0x52, 0x3b, 0xd6, 0xb3, 0x29, 0xe3, 0x2f, 0x84,
	0x53, 0xd1, 0x00, 0xed, 0x20, 0xfc, 0xb1, 0x5b,
	0x6a, 0xcb, 0xbe, 0x39, 0x4a, 0x4c, 0x58, 0xcf,
	0xd0, 0xef, 0xaa, 0xfb, 0x43, 0x4d, 0x33, 0x85,
	0x45, 0xf9, 0x02, 0x7f, 0x50, 0x3c, 0x9f, 0xa8,
	0x51, 0xa3, 0x40, 0x8f, 0x92, 0x9d, 0x38, 0xf5,
	0xbc, 0xb6, 0xda, 0x21, 0x10, 0xff, 0xf3, 0xd2,
	0xcd, 0x0c, 0x13, 0xec, 0x5f, 0x97, 0x44, 0x17,
	0xc4, 0xa7, 0x7e, 0x3d, 0x64, 0x5d, 0x19, 0x73,
	0x60, 0x81, 0x4f, 0xdc, 0x22, 0x2a, 0x90, 0x88,
	0x46, 0xee, 0xb8, 0x14, 0xde, 0x5e, 0x0b, 0xdb,
	0xe0, 0x32, 0x3a, 0x0a, 0x49, 0x06, 0x24, 0x5c,
	0xc2, 0xd3, 0xac, 0x62, 0x91, 0x95, 0xe4, 0x79,
	0xe7, 0xc8, 0x37, 0x6d, 0x8d, 0xd5, 0x4e, 0xa9,
	0x6c, 0x56, 0xf4, 0xea, 0x65, 0x7a, 0xae, 0x08,
	0xba, 0x78, 0x25, 0x2e, 0x1c, 0xa6, 0xb4, 0xc6,
	0xe8, 0xdd, 0x74, 0x1f, 0x4b, 0xbd, 0x8b, 0x8a,
	0x70, 0x3e, 0xb5, 0x66, 0x48, 0x03, 0xf6, 0x0e,
	0x61, 0x35, 0x57, 0xb9, 0x86, 0xc1, 0x1d, 0x9e,
	0xe1, 0xf8, 0x98, 0x11, 0x69, 0xd9, 0x8e, 0x94,
	0x9b, 0x1e, 0x87, 0xe9, 0xce, 0x55, 0x28, 0xdf,
	0x8c, 0xa1, 0x89, 0x0d, 0xbf, 0xe6, 0x42, 0x68,
	0x41, 0x99, 0x2d, 0x0f, 0xb0, 0x54, 0xbb, 0x16
};

/* inverse s-box */
static const u8 inv_sbox[256] = {
   
   
	0x52, 0x09, 0x6a, 0xd5, 0x30, 0x36, 0xa5, 0x38,
	0xbf, 0x40, 0xa3, 0x9e, 0x81, 0xf3, 0xd7, 0xfb,
	0x7c, 0xe3, 0x39, 0x82, 0x9b, 0x2f, 0xff, 0x87,
	0x34, 0x8e, 0x43, 0x44, 0xc4, 0xde, 0xe9, 0xcb,
	0x54, 0x7b, 0x94, 0x32, 0xa6, 0xc2, 0x23, 0x3d,
	0xee, 0x4c, 0x95, 0x0b, 0x42, 0xfa, 0xc3, 0x4e,
	0x08, 0x2e, 0xa1, 0x66, 0x28, 0xd9, 0x24, 0xb2,
	0x76, 0x5b