淺談QNX安全防御啟動(dòng)設(shè)計(jì)方案

1.?Secure?Boot

安全啟動(dòng)想必大家肯定很熟悉，它是通過對(duì)啟動(dòng)過程的每個(gè)階段進(jìn)行加密驗(yàn)證，確保運(yùn)行系統(tǒng)完整性的一種安全機(jī)制。如圖1所示，QNX的安全啟動(dòng)可以保證由BootRom、PBL/SBL、IPL和IFS，最后到可選的文件系統(tǒng)的完整性。在啟動(dòng)過程中，每一個(gè)后續(xù)的固件和軟件都是由其前身進(jìn)行加密驗(yàn)證的。

圖1 QNX安全啟動(dòng)流程

QNX可以支持兩套安全啟動(dòng)方案，如圖1右側(cè)所示:

方案1：將MRK（Master?Root?Key）作為信任根，其公鑰存儲(chǔ)在OTP或EEPROM中，由OTP或EEPROM保證MRK不可篡改，由MRK的私鑰完成對(duì)CVK（Code?Verification?Key）公鑰的簽名，由CVK的私鑰完成Bootloader等后續(xù)代碼的簽名。啟動(dòng)時(shí)，BootRom使用MRK的公鑰驗(yàn)證CVK公鑰，驗(yàn)證成功后，由CVK公鑰驗(yàn)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(shí)性，CVK的公鑰不需要存儲(chǔ)在有任何保護(hù)的存儲(chǔ)器中。這在不安全的制造環(huán)境中非常有用，因?yàn)榧词笴VK被泄露，我們也可以將其進(jìn)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(chǔ)在OTP或EEPROM中。有時(shí)候?yàn)榱斯?jié)省存儲(chǔ)空間，也可以存儲(chǔ)CVK的公鑰哈希。由于沒有MRK，BootRom直接使用CVK完成代碼的驗(yàn)簽。此時(shí)代碼簽名密鑰和信任根都跟CVK關(guān)聯(lián)，一旦CVK的私鑰被泄露，基本無解，優(yōu)點(diǎn)在于ECU的設(shè)備制造商可完全掌握代碼簽名。

2.?QTD

Secure?Boot中最后一項(xiàng)是可選的完整性保護(hù)的文件系統(tǒng)，QTD便是其中一種。QTD（QNX Trusted Disk），是QNX針對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全機(jī)制，通過結(jié)合哈希樹和PKI密鑰簽名，為二進(jìn)制數(shù)據(jù)、關(guān)鍵系統(tǒng)配置等提供完整性和真實(shí)性保護(hù)。它基于 Merkle 樹，如圖2所示，在構(gòu)建 QTD 映像時(shí)，元數(shù)據(jù)哈希樹是從源文件系統(tǒng)映像的塊一層一層構(gòu)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(huì)進(jìn)行簽名保護(hù)，并納入到安全啟動(dòng)鏈中。只要保證哈希樹的RootHash未被篡改，便可以保證整個(gè)哈希樹的完整性。這樣可以帶來一個(gè)好處，在安全啟動(dòng)的時(shí)候不用驗(yàn)證整個(gè)文件系統(tǒng)，只需要驗(yàn)證哈希樹即可。當(dāng)需要實(shí)際訪問具體的某個(gè)存儲(chǔ)塊時(shí)，再通過對(duì)比哈希樹中對(duì)應(yīng)的哈希值即可發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)塊是否被更改。QTD的驅(qū)動(dòng)程序位于原始?jí)K設(shè)備和受支持的上層文件系統(tǒng)層之間（例如，fs-qnx6.so 支持的power-safe文件系統(tǒng)）。在讀取訪問時(shí)，使用哈希樹Metadata來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性。如果驗(yàn)證失敗，則會(huì)返回錯(cuò)誤。使用QTD肯定會(huì)有一定的性能開銷，好在QTD可以通過預(yù)先緩存內(nèi)部哈希計(jì)算來減少實(shí)際訪問時(shí)哈希運(yùn)算的數(shù)量。

圖3?安全啟動(dòng)中的文件系統(tǒng)保護(hù)

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(dāng)前QNX710支持的密碼學(xué)算法如表1所示。

表1?QTD密碼學(xué)算法

QTD 使用由QNX加密庫qcrypto提供的加密算法，詳細(xì)可參考?“QNX Cryptography Library”。當(dāng)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(duì)于 RSA，最多支持 16 KiB (kibibits) 的密鑰長(zhǎng)度。

QTD的掛載由??fs-qtd.so?提供支持，devb-*驅(qū)動(dòng)程序會(huì)在掛載QTD設(shè)備時(shí)加載它。以下命令構(gòu)建?QTD 映像。-P 選項(xiàng)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(yàn)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(tǒng)

Power-Safe文件系統(tǒng)是一個(gè)可靠的磁盤文件系統(tǒng)，可以承受電源故障而不丟失或損壞數(shù)據(jù)。它支持file-based加密，密鑰類型如表2所示，可以對(duì) Power-Safe 文件系統(tǒng)的全部或部分進(jìn)行加密，以保護(hù)其內(nèi)容。其中文件和文件夾被聚合到加密域中。每個(gè)域都有一個(gè)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(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序提供域密鑰，允許它解密文件密鑰并授予對(duì)加密文件內(nèi)容的訪問權(quán)限。?

表2?Power-Safe文件系統(tǒng)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(tǒng)加密類型

Power-Safe文件系統(tǒng)中一個(gè)域可以包含任意數(shù)量的文件或目錄，但一個(gè)文件或目錄最多只能屬于一個(gè)域。如果給一個(gè)目錄指定了一個(gè)域，那么隨后在該目錄中創(chuàng)建的所有文件都會(huì)被加密并繼承該域，但已經(jīng)在其中的任何文件或目錄不會(huì)加密。允許你創(chuàng)建多個(gè)加密域，你可以根據(jù)需要鎖定或解鎖這些域。在操作過程中，分配給一個(gè)域的文件被加密，只有當(dāng)相關(guān)的域被解鎖時(shí)，文件的內(nèi)容才能被使用。當(dāng)一個(gè)域被解鎖時(shí)，該域下的所有文件和目錄--無論它們?cè)诰碇械奈恢萌绾?-也被解鎖，因此可以被訪問（根據(jù)基本文件權(quán)限）。當(dāng)一個(gè)域被鎖定時(shí)，對(duì)屬于該域的文件內(nèi)容的任何訪問都被拒絕。鎖定和解鎖操作適用于整個(gè)域，而不是特定的文件或目錄。

那么如何生成一個(gè)Power-Safe文件系統(tǒng)呢？以下命令生成一個(gè)小于?2MB 的 Power-Safe 文件系統(tǒng)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(tǒng)鏡像:

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

需要注意的是Power-Safe 文件系統(tǒng)可能包含在 QTD 分區(qū)中，因此有時(shí)候需要先掛載 QTD 分區(qū)。

小結(jié)

安全啟動(dòng)和QTD可以保證從BootRom到文件系統(tǒng)時(shí)軟件的完整性，基于Power-Safe的文件加密可以保證存儲(chǔ)在該文件系統(tǒng)中文件的機(jī)密性。這些都是QNX提供的安全特性，實(shí)際應(yīng)用中可以基于芯片的安全能力，結(jié)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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