淺談QNX安全防御啟動設計方案

1.?Secure?Boot

安全啟動想必大家肯定很熟悉，它是通過對啟動過程的每個階段進行加密驗證，確保運行系統完整性的一種安全機制。如圖1所示，QNX的安全啟動可以保證由BootRom、PBL/SBL、IPL和IFS，最后到可選的文件系統的完整性。在啟動過程中，每一個后續的固件和軟件都是由其前身進行加密驗證的。

圖1 QNX安全啟動流程

QNX可以支持兩套安全啟動方案，如圖1右側所示:

方案1：將MRK（Master?Root?Key）作為信任根，其公鑰存儲在OTP或EEPROM中，由OTP或EEPROM保證MRK不可篡改，由MRK的私鑰完成對CVK（Code?Verification?Key）公鑰的簽名，由CVK的私鑰完成Bootloader等后續代碼的簽名。啟動時，BootRom使用MRK的公鑰驗證CVK公鑰，驗證成功后，由CVK公鑰驗證下面代碼的簽名。這樣做可以將代碼簽名密鑰CVK和信任根MRK解綁。由于CVK由MRK保證其真實性，CVK的公鑰不需要存儲在有任何保護的存儲器中。這在不安全的制造環境中非常有用，因為即使CVK被泄露，我們也可以將其進行替換，而MRK則由芯片廠家保管。

方案2：不使用MRK，將CVK作為信任根，其公鑰存儲在OTP或EEPROM中。有時候為了節省存儲空間，也可以存儲CVK的公鑰哈希。由于沒有MRK，BootRom直接使用CVK完成代碼的驗簽。此時代碼簽名密鑰和信任根都跟CVK關聯，一旦CVK的私鑰被泄露，基本無解，優點在于ECU的設備制造商可完全掌握代碼簽名。

2.?QTD

Secure?Boot中最后一項是可選的完整性保護的文件系統，QTD便是其中一種。QTD（QNX Trusted Disk），是QNX針對數據存儲的安全機制，通過結合哈希樹和PKI密鑰簽名，為二進制數據、關鍵系統配置等提供完整性和真實性保護。它基于 Merkle 樹，如圖2所示，在構建 QTD 映像時，元數據哈希樹是從源文件系統映像的塊一層一層構建的，直至RootHash。

圖2?QTD哈希樹

與AVB中的DM-Verity類似，如圖3所示。RootHash會進行簽名保護，并納入到安全啟動鏈中。只要保證哈希樹的RootHash未被篡改，便可以保證整個哈希樹的完整性。這樣可以帶來一個好處，在安全啟動的時候不用驗證整個文件系統，只需要驗證哈希樹即可。當需要實際訪問具體的某個存儲塊時，再通過對比哈希樹中對應的哈希值即可發現存儲塊是否被更改。QTD的驅動程序位于原始塊設備和受支持的上層文件系統層之間（例如，fs-qnx6.so 支持的power-safe文件系統）。在讀取訪問時，使用哈希樹Metadata來驗證數據的完整性。如果驗證失敗，則會返回錯誤。使用QTD肯定會有一定的性能開銷，好在QTD可以通過預先緩存內部哈希計算來減少實際訪問時哈希運算的數量。

圖3?安全啟動中的文件系統保護

需要注意的是，不同QNX版本支持的摘要算法和簽名算法不同，當前QNX710支持的密碼學算法如表1所示。

表1?QTD密碼學算法

QTD 使用由QNX加密庫qcrypto提供的加密算法，詳細可參考?“QNX Cryptography Library”。當前支持 ECC?和 RSA 簽名，其中私鑰必須是 PKCS#8 格式，公鑰必須是 X.509 格式，所有密鑰都必須使用 PEM 編碼。對于 RSA，最多支持 16 KiB (kibibits) 的密鑰長度。

QTD的掛載由??fs-qtd.so?提供支持，devb-*驅動程序會在掛載QTD設備時加載它。以下命令構建?QTD 映像。-P 選項精確指定 2 MB 的鏡像:

mkqfs qtd -s -vv -B 4096?-H sha256 -S ecdsa-sha256 -K ec_test_private_key.pem?-P 2097152 -o?qtd.img qnx6.img

以下命令通過全盤驗證掛載 QTD 鏡像：

mount -t qtd -o key=/proc/boot/ec_test_public_key.pem,stats,verbose,verify /dev/hd1 /dev/qtd-1

3. Power-Safe文件系統

Power-Safe文件系統是一個可靠的磁盤文件系統，可以承受電源故障而不丟失或損壞數據。它支持file-based加密，密鑰類型如表2所示，可以對 Power-Safe 文件系統的全部或部分進行加密，以保護其內容。其中文件和文件夾被聚合到加密域中。每個域都有一個唯一的加密密鑰，稱之為域密鑰，用于加密唯一的文件密鑰。訪問文件需要一些外部參與者使用主密鑰解鎖域密鑰，向文件系統驅動程序提供域密鑰，允許它解密文件密鑰并授予對加密文件內容的訪問權限。?

表2?Power-Safe文件系統密鑰種類

具體使用的加密算法如表3所示。

表3?Power-Safe文件系統加密類型

Power-Safe文件系統中一個域可以包含任意數量的文件或目錄，但一個文件或目錄最多只能屬于一個域。如果給一個目錄指定了一個域，那么隨后在該目錄中創建的所有文件都會被加密并繼承該域，但已經在其中的任何文件或目錄不會加密。允許你創建多個加密域，你可以根據需要鎖定或解鎖這些域。在操作過程中，分配給一個域的文件被加密，只有當相關的域被解鎖時，文件的內容才能被使用。當一個域被解鎖時，該域下的所有文件和目錄--無論它們在卷中的位置如何--也被解鎖，因此可以被訪問（根據基本文件權限）。當一個域被鎖定時，對屬于該域的文件內容的任何訪問都被拒絕。鎖定和解鎖操作適用于整個域，而不是特定的文件或目錄。

那么如何生成一個Power-Safe文件系統呢？以下命令生成一個小于?2MB 的 Power-Safe 文件系統鏡像 (QNX)：

mkxfs -t qnx6fsimg qnx6.build qnx6.img

可以使用以下命令掛載?Power-Safe 文件系統鏡像:

mount -t qnx6 /dev/qtd-1 /fs

需要注意的是Power-Safe 文件系統可能包含在 QTD 分區中，因此有時候需要先掛載 QTD 分區。

小結

安全啟動和QTD可以保證從BootRom到文件系統時軟件的完整性，基于Power-Safe的文件加密可以保證存儲在該文件系統中文件的機密性。這些都是QNX提供的安全特性，實際應用中可以基于芯片的安全能力，結合QNX的安全屬性，搭建更加完善的防御體系。

編輯：黃飛

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