【转】安全加密（五）：如何使用AES防止固件泄露

本文导读

随着电子产品更新换代速度的加快，往往都会进行系统升级或APP功能维护升级，但是由此产生了两个主要问题。首先，由于更新过程中出现错误，该设备可能变得无用；另外一个主要问题是：如何避免未经授权的用户访问目标产品的固件？

在嵌入式领域，根据嵌入式系统的MCU存储结构和更新原理，提出了通过加密方式升级设备功能的方法，其中最常用的方法为BootLoader加密升级。

Bootloader 是在操作系统或用户应用程序运行之前执行的一小段程序，通过这一小段程序，我们可以初始化硬件设备（如 CPU、SDRAM、Flash、串口等）、建立内存空间的映射表，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，为最终调用操作系统内核或者用户应用程序准备好正确的环境。

如何使用BootLoader加密升级可以防止竞争对手/恶意用户获得对固件代码的访问权限？

首先是使用代码加密来保护固件。这里需要实现对称密码，以及私钥的引导加载程序中的生成和包含。在制造商方面，需要保护相同的私钥，用于加密新固件版本。如图1所示，一般对称加密算法流程。

对于常见的AES-128加密算法，由于AES处理的单位是字节，128位的输入明文或固件P和输入的密钥K都被分为16个字节，一般我们会将明文分组用字节为单位的正方形状态矩阵来描述，在每一轮的算法中，状态矩阵的内容不断发生变化，最终的结果作为密文输出。如图2所示，AES-128分块加密。

AES算法是基于置换和代替的，置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。AES算法使用了多重循环实现置换和代替，在规范中被称为Bytes Sub(字节替换)-对数据的每个字节应用非线性变换；Shift Rows(行位移变换)-对每一行字节循环重新排序；Mix Columns(列混合变换)-对矩阵的列应用线性变换；Add Round Key（轮密钥加）-对状态和每轮的子密钥进行异或操作。该算法对内存的需求非常低，使得它很适应于资源受限制的环境。

AES（AES-128）加解密的流程，如图3所示。

对于实际AES（AES-128）加密过程中，在第一轮的迭代之前，会将明文和原始密钥进行异或加密运算，然后正常执行从第一轮到第九轮一样的加密函数，其中都会包含四个操作：字节代换、行位移、列混合和轮密钥加；在最后一轮迭代不执行列混合运算。

解密的过程仍然为10轮，每一轮的操作都是加密操作的你操作。由于AES一轮的4个操作都是可逆的，因此解密操作的一轮就是执行逆行一位、逆字节代换、轮密钥加和逆列混合；同加密操作类似，最后一轮不执行逆列混合，在第一轮解密之前，执行一次密钥加操作。

如图4所示，为Boot Loader固件升级流程图。

用户程序升级成功之后，可以通过函数指针的方式调用该程序。函数在编译时都会被分配一个入口地址，该地址就是函数的指针。只要用一个指针变量指向这个函数的入口地址，就可以通过指针变量调用这个函数。函数指针的本质是指针变量，只不过该指针变量指向函数，读出程序标志区的运行地址就可以通过指针变量调用新写入的程序。

固件升级的数据加密方案，对于具有IAP功能的芯片具有普遍意义，不仅适用于网络远程升级，同样适用于本地升级。至于加密算法可以根据MCU的能力进行灵活选择。

例如NXP推出的跨界MCU-iMX.RT1052系列MCU具有强大的安全组件，出于安全目的，数据协处理器（DCP）提供硬件加速和密码算法；其内置加密算法：AES-128（ECB和CBC模式）、哈希算法：SHA-1和SHA256、CRC-32等。

SNVS、DCP内部密钥存储或通用存储器中进行密钥选择，当一个密钥被写入时，内部存储器可存储多达四个AES-128密钥，它只能由DCP AES-128引擎读取。

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