STM32F103RB的 Bootloader軟件安全設(shè)計方案
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隨著嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展，其功能趨向系統(tǒng)化、復(fù)雜化，不同場合和具體應(yīng)用對產(chǎn)品的升級維護提出了更多的需求。廠商針對這一問題普遍采用。Bootloader引導(dǎo)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的嵌入式軟件，在產(chǎn)品升級和維護過程中只需提供升級程序包由Bootloader在升級模式下更新產(chǎn)品的應(yīng)用程序，即可快捷地實現(xiàn)產(chǎn)品升級。
一直以來，嵌入式軟件的安全和知識產(chǎn)權(quán)保護是廠商面對市場競爭著重關(guān)心的焦點。嵌入式系統(tǒng)處理器的有限硬件資源和高效率要求使得其難以應(yīng)用復(fù)雜和大運算量的加密算法，對代碼的保護更多依賴于硬件，這往往具有很多潛在的安全隱患。本文就．Bootloader引導(dǎo)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的軟件在STM32F103RB芯片上應(yīng)用時，遭到篡改攻擊后所面臨的代碼泄漏風(fēng)險進(jìn)行研究和驗證，并提出了改進(jìn)Bootloader的安全設(shè)計方案，加強代碼的安全性。
1 篡改攻擊風(fēng)險研究
1．1 研究的意義
嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)往往成本高、開發(fā)周期長，一旦產(chǎn)品中的嵌入式軟件被抄襲或盜竊都將給廠商帶來巨大的損失。隨著嵌入式處理器設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，對片內(nèi)Flash中的代碼保護也日漸完善。芯片在保護狀態(tài)下，可以完全禁止通過調(diào)試接口或SRAM中運行的程序讀取Flash內(nèi)容，但產(chǎn)品階段保存在Flash中的代碼運行時對自身的讀取是允許的，如果非法使用者通過特殊手段篡改了Flash中的部分代碼為非法讀取程序，并使之在Flash中成功運行，將使產(chǎn)品代碼發(fā)生部分泄漏，這就是產(chǎn)品面臨的篡改攻擊風(fēng)險。針對這一風(fēng)險的研究在實際應(yīng)用中顯得十分重要。
ST公司推出的STM32系列微處理器采用ARM新一代Cortex-M3內(nèi)核，其中增強型的STM32F103RB具有72 MHz主頻、20 KB片內(nèi)SRAM、128 KB片內(nèi)Flash以及豐富的接口資源，可以很好地滿足廣泛的嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用需求。較低的芯片價格和簡單的開發(fā)方式使之應(yīng)用前景非常廣闊，對該芯片上代碼的安全研究也具有深遠(yuǎn)意義。
1．2 風(fēng)險研究
Bootloader引導(dǎo)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的嵌入式軟件可以滿足產(chǎn)品功能升級和維護的需求，在實際應(yīng)用中被廠商普遍采用。Bootloader程序是在系統(tǒng)上電復(fù)位后在Flash中首先執(zhí)行的一小段代碼，其基本功能模塊如圖1所示。
對于具有Bootloader引導(dǎo)應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)的嵌入式軟件，Bootloacler部分和應(yīng)用程序是相對獨立的。產(chǎn)品有了升級版本后，用戶可以得到產(chǎn)品和升級程序包。在對產(chǎn)品的篡改攻擊中，一旦Bootloader代碼泄漏，非法使用者通過升級模式更新應(yīng)用程序部分，將可以復(fù)制產(chǎn)品的全部軟件代碼，這就使得產(chǎn)品被抄襲的潛在風(fēng)險急劇增大。在STM32F103RB上進(jìn)行的實驗也證明了抄襲的可能性。
2 基于STM32F103RB芯片的風(fēng)險驗證
STM32F103RB芯片對片內(nèi)Flash的保護通過特殊位置的Option Bytes讀寫保護控制字實現(xiàn)。讀、寫保護有效時將禁止調(diào)試接口和SRAM中運行的程序?qū)lash讀、寫操作。芯片特殊設(shè)計為：去除讀保護時，首先整片擦除片內(nèi)Flash，從而銷毀產(chǎn)品軟件代碼；寫保護的去除并不影響Flash中代碼的完整性；讀保護有效時，F(xiàn)lash的前3片區(qū)寫保護自動有效，防止中斷向量表被非法修改。
實驗在STM32F103RB的開發(fā)板上進(jìn)行，在前3片區(qū)寫入Bootloader程序代碼后，利用升級程序包將應(yīng)用程序下載至應(yīng)用程序片區(qū)。檢驗程序功能正常后置芯片讀保護和所有片區(qū)寫保護有效，從而得到產(chǎn)品階段的芯片。對芯片的篡改攻擊風(fēng)險驗證實驗流程如圖2所示。
用于篡改攻擊的軟件包括非法讀取Flash內(nèi)容并通過串口輸出的程序和用于跳轉(zhuǎn)到非法讀取程序的指針。篡改攻擊的實現(xiàn)原理是芯片的讀、寫保護只包括主Flash區(qū)域，對Option Bytes區(qū)域的擦除操作可以去除無自動寫保護片區(qū)的寫保護狀態(tài)，而讀保護仍然有效。在SRAM中運行的程序可以使芯片轉(zhuǎn)變?yōu)榇a完整而應(yīng)用程序區(qū)域無寫保護的狀態(tài)。一般情況下，產(chǎn)品為了保持升級的空間，軟件沒有占據(jù)整個Flash空間且采取自頂向下的順序擺放。為了最大程度保持原有應(yīng)用程序，實驗中將非法讀取程序?qū)懭隖lash的尾部片區(qū)，并將用于跳轉(zhuǎn)至非法程序的指針自底向上遍歷Flash地址嘗試應(yīng)用程序的入口地址。
實驗的結(jié)果通過PC端接收到非法讀取程序輸出的代碼數(shù)據(jù)驗證，讀取的過程是芯片上電復(fù)位后自Flash起始地址啟動執(zhí)行口，Bootloader在運行模式下將跳轉(zhuǎn)至應(yīng)用程序入口地址執(zhí)行。在非法跳轉(zhuǎn)指針移動過程中，應(yīng)用程序入口地址被跳轉(zhuǎn)指針覆蓋時，非法讀取程序?qū)⒌玫綀?zhí)行機會。所進(jìn)行的實驗結(jié)果如圖3所示。
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