STM32F103RB的 Bootloader軟件安全設計方案
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隨著(zhù)嵌入式系統產(chǎn)品的發(fā)展，其功能趨向系統化、復雜化，不同場(chǎng)合和具體應用對產(chǎn)品的升級維護提出了更多的需求。廠(chǎng)商針對這一問(wèn)題普遍采用。Bootloader引導應用程序結構的嵌入式軟件，在產(chǎn)品升級和維護過(guò)程中只需提供升級程序包由Bootloader在升級模式下更新產(chǎn)品的應用程序，即可快捷地實(shí)現產(chǎn)品升級。
一直以來(lái)，嵌入式軟件的安全和知識產(chǎn)權保護是廠(chǎng)商面對市場(chǎng)競爭著(zhù)重關(guān)心的焦點(diǎn)。嵌入式系統處理器的有限硬件資源和高效率要求使得其難以應用復雜和大運算量的加密算法，對代碼的保護更多依賴(lài)于硬件，這往往具有很多潛在的安全隱患。本文就．Bootloader引導應用程序結構的軟件在STM32F103RB芯片上應用時(shí)，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
嵌入式系統產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)往往成本高、開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，一旦產(chǎn)品中的嵌入式軟件被抄襲或盜竊都將給廠(chǎng)商帶來(lái)巨大的損失。隨著(zhù)嵌入式處理器設計技術(shù)的發(fā)展，對片內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(guò)調試接口或SRAM中運行的程序讀取Flash內容，但產(chǎn)品階段保存在Flash中的代碼運行時(shí)對自身的讀取是允許的，如果非法使用者通過(guò)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(shí)際應用中顯得十分重要。
ST公司推出的STM32系列微處理器采用ARM新一代Cortex-M3內核，其中增強型的STM32F103RB具有72 MHz主頻、20 KB片內SRAM、128 KB片內Flash以及豐富的接口資源，可以很好地滿(mǎn)足廣泛的嵌入式產(chǎn)品的應用需求。較低的芯片價(jià)格和簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方式使之應用前景非常廣闊，對該芯片上代碼的安全研究也具有深遠意義。
1．2 風(fēng)險研究
Bootloader引導應用程序結構的嵌入式軟件可以滿(mǎn)足產(chǎn)品功能升級和維護的需求，在實(shí)際應用中被廠(chǎng)商普遍采用。Bootloader程序是在系統上電復位后在Flash中首先執行的一小段代碼，其基本功能模塊如圖1所示。
對于具有Bootloader引導應用程序結構的嵌入式軟件，Bootloacler部分和應用程序是相對獨立的。產(chǎn)品有了升級版本后，用戶(hù)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(guò)升級模式更新應用程序部分，將可以復制產(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(shí)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Flash的保護通過(guò)特殊位置的Option Bytes讀寫(xiě)保護控制字實(shí)現。讀、寫(xiě)保護有效時(shí)將禁止調試接口和SRAM中運行的程序對Flash讀、寫(xiě)操作。芯片特殊設計為：去除讀保護時(shí)，首先整片擦除片內Flash，從而銷(xiāo)毀產(chǎn)品軟件代碼；寫(xiě)保護的去除并不影響Flash中代碼的完整性；讀保護有效時(shí)，Flash的前3片區寫(xiě)保護自動(dòng)有效，防止中斷向量表被非法修改。
實(shí)驗在STM32F103RB的開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行，在前3片區寫(xiě)入Bootloader程序代碼后，利用升級程序包將應用程序下載至應用程序片區。檢驗程序功能正常后置芯片讀保護和所有片區寫(xiě)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(shí)驗流程如圖2所示。
用于篡改攻擊的軟件包括非法讀取Flash內容并通過(guò)串口輸出的程序和用于跳轉到非法讀取程序的指針。篡改攻擊的實(shí)現原理是芯片的讀、寫(xiě)保護只包括主Flash區域，對Option Bytes區域的擦除操作可以去除無(wú)自動(dòng)寫(xiě)保護片區的寫(xiě)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變?yōu)榇a完整而應用程序區域無(wú)寫(xiě)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(méi)有占據整個(gè)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用程序，實(shí)驗中將非法讀取程序寫(xiě)入Flash的尾部片區，并將用于跳轉至非法程序的指針自底向上遍歷Flash地址嘗試應用程序的入口地址。
實(shí)驗的結果通過(guò)PC端接收到非法讀取程序輸出的代碼數據驗證，讀取的過(guò)程是芯片上電復位后自Flash起始地址啟動(dòng)執行口，Bootloader在運行模式下將跳轉至應用程序入口地址執行。在非法跳轉指針移動(dòng)過(guò)程中，應用程序入口地址被跳轉指針覆蓋時(shí)，非法讀取程序將得到執行機會(huì )。所進(jìn)行的實(shí)驗結果如圖3所示。
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