MCU如何安全啟動以及安全啟動的信任鏈如何建立

隨著汽車智能化的發展，車輛已經成為萬物互聯的一部分。我們知道，不管何種終端設備，一旦聯網，就存在著信息泄露的風險。自然，車輛也不例外，一旦車輛聯網，那么，車輛就有被黑客或者第三方攻擊、截獲信息的風險。因此，車輛信息安全，已成為車企關注的焦點。本文，主要討論MCU如何安全啟動（Secure Boot），以及安全啟動的信任鏈如何建立。

1、安全啟動

討論汽車信息安全的話題，繞不過"安全啟動"的討論。所謂安全啟動就是確保每一個可執行程序都是可信的、沒有被篡改的。目前，針對安全啟動的方案有硬件（eg：HSM，Hardware Security Module）啟動方案、軟件啟動兩種方案。本文主要討論基于HSM的硬件實現方案，不管哪種方案，"信任根"和"信任鏈"是所有安全啟動設計中，不可規避的兩個點。

（一）信任根

既然要安全啟動，那么，啟動總得有一個起點，而這個起點需要無條件信任，即：信任根。信任根必須具有不可攻破性，它可以是一段固化的程序或者硬件。以TC3xx為例，信任根是BootRom（也稱為固件）。

（二）信任鏈

有了信任根以后，就可以從信任根開始，展開軟件程序的逐級驗證。工程中，常見的信任鏈驗證方式如下：

如上圖，從芯片加電開始，程序從信任根開始執行，逐級的驗證下一級程序，只有每級程序驗證通過才能啟動下一級程序，以此確保每個程序是安全的、可信的。

一般來說，程序可分為"安全啟動程序"和"用戶程序"。兩者的CPU可以使用相同的內核架構，也可以使用不同的內核架構。一般，兩者屬于核間通信（Inter-Processor Communication）。

如上安全啟動方式有一個不足：由于采用逐級驗證方式，啟動時間過長。如果OEM（Original Equipment Manufacturer）有嚴苛的啟動時間要求，則這個方案很可能不能滿足要求。

所以，工程上的另一種安全啟動方案："安全啟動程序"和"用戶程序"并行啟動，如下所示：

并行啟動方案雖然可以縮短啟動時間，但是，并行啟動方案有被篡改用戶入口程序地址的風險（如果用戶程序入口存放在BootRom，幾乎不可能修改）。所以，為了兼顧啟動時間和安全性，工程上還有另一種方案：對程序采取部分校驗的方式，縮短啟動時間的同時，兼顧一定的安全性。

2、驗證內容及驗證方法

（一）公鑰存儲

信任鏈的校驗自然脫離不了密碼學的方法論，而密碼學又和密鑰緊密關聯。工程上，不管程序刷寫還是程序啟動，均需要使用公鑰驗簽，所以，加強公鑰的保護，至關重要。如果公鑰被第三方識別和替換，那么，第三方即可通過配對的私鑰偽造簽名信息，進而"為所欲為"，信息安全也不復存在。

我們知道，在車輛下線時，OEM會在產線端分配根公鑰（也就是產品公鑰），產線刷寫時，車輛不連接網絡，也就不存在被網絡攻擊的風險，因此，根公鑰的刷寫是安全的（PS：不考慮異常斷電場景）。一般來說，根公鑰可以刷寫到HSM專屬的OTP（One Time Program）存儲區，此區域，不允許Host端訪問。如果根公鑰對應的算法是RSA-2048、RSA-3072等，根公鑰的長度較長，所以，工程上，常存儲根公鑰的哈希值，通過校驗根公鑰的哈希值，確認根公鑰的完整性。

（二）級聯校驗內容

級聯校驗內容及時序如下所示：

首先，安全啟動程序（eg：HSM）通過計算User Bootloader中的根公鑰，得到根公鑰的Hash Value，如果與HSM中的根公鑰Hash Value比對一致，則校驗通過，之后，HSM通過根公鑰得到UserBootloader+AppPublic KeyHashValue簽名信息，如果與UserBootloader中的簽名信息一致，則校驗通過，程序可以進入User Bootloader程序。

User Bootloader+App Public Key Hash Value驗證通過，則說明User Bootloader中的App Public Key Hash Value完整。User Bootloader通過指定地址找到App Public Key，進一步計算Application程序中的Application Public Key Hash Value，如果一致，則Application Public Key可以用于驗證User Application，如果兩者的Application簽名信息一致，則驗證通過，程序完成安全啟動。

拓展思考：程序第一次燒錄時，HSM中沒有根公鑰的Hash Value怎么辦？答：程序啟動時，如果發現HSM沒有根公鑰Hash Value，則認為是首次啟動，User Bootloader去指定地址獲取Root Public Key，計算得到的Root Public Key Hash Value，并存儲到HSM，之后，執行復位，重新啟動程序，并進行驗證。

審核編輯：湯梓紅