STM32F103RB的 Bootloader軟件安全設計方案

通過(guò)實(shí)驗，驗證了當部分應用程序內容被修改時(shí)，Bootloader可以正常進(jìn)入運行模式，在放置的跳轉指針嘗試至應用程序函數入口地址時(shí)，程序可以跳轉至非法讀取程序執行讀取命令，得到Bootloader程序和被部分修改的應用程序代碼。復制到新的芯片中后運行啟動(dòng)Bootloader升級模式，將升級程序下載升級程序包覆蓋應用程序區域，就得到了完整的Bootloader程序和應用程序代碼。

3 雙重完整性檢驗安全方案設計與驗證
實(shí)際應用中，Bootloader引導應用程序結構的軟件在STM32F103RB芯片上使用時(shí)，廠(chǎng)商可以通過(guò)改進(jìn)Boot-loader的設計，最大程度地避免這種篡改應用程序方式帶來(lái)的代碼被抄襲的風(fēng)險。由于芯片讀保護有效時(shí)，前3片區的自動(dòng)寫(xiě)保護可以保證中斷向量表不被篡改，從而B(niǎo)ootloader在Flash地址啟動(dòng)時(shí)首先執行。
在更新應用程序的過(guò)程中，除了升級程序包采用加密、方式由Bootloader在升級模式下將內容解密后寫(xiě)入應用程序區域外，Bootloader運行模式下確認Flash中的內容為完整的合法程序和阻止非法程序的運行是安全設計方案的出發(fā)點(diǎn)。下面介紹的是采用雙重完整性檢驗的方案提高代碼安全性的方法：
①由于STM32F103RB芯片的Falsh的寫(xiě)操作需要對片區擦除后進(jìn)行，可以在各片區的特定地址內依次放置廠(chǎng)商設定的1～2字節偽隨機碼，組成密碼序列。在非法讀取程序或跳轉指針寫(xiě)入時(shí)，對片區擦除過(guò)程將破壞偽隨機碼而不能重新寫(xiě)回，導致密碼序列的破壞。
②CRC檢驗是較為常見(jiàn)的一種數據傳輸檢錯方式，隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現了能夠適用于嵌入式系統有限資源的快速算法。將應用程序代碼區域的CRC檢驗值在升級程序時(shí)保存在Flash中的約定位置。對應用程序代碼的非法修改將使CRC檢驗值改變。
加入了雙重完整性檢驗方案的Bootloader功能模塊流程如圖4所示。

方案的設計可以使芯片上電復位后，自Flash起始地址運行的Bootloader及時(shí)發(fā)現篡改攻擊造成的改變，并防止非法代碼得到執行機會(huì )。在安全設計方案驗證實(shí)驗中，設計Bootloader在運行模式下驗證密碼序列的完整性，并將應用程序區域的CRC檢驗值與保存在約定位置中初始檢驗值比較，從而驗證Flash內容未被篡改。在驗證失敗時(shí)，輸出驗證失敗信息和當前的CRC檢驗值后進(jìn)入死循環(huán)，而不再啟動(dòng)應用程序。
對方案的驗證實(shí)驗采用在應用程序片區的末尾寫(xiě)入偽隨機碼序列和32位CRC檢驗算法，依次對Flash的4～128 片區單獨進(jìn)行擦除后寫(xiě)入非法代碼進(jìn)行驗證，均得到圖5所示的驗證失敗信息。

實(shí)際測試中，對不同片區的篡改操作得到不同的CRC檢驗值與合法應用程序CRC檢驗值互不相同。雙重完整性檢驗方案在STM32F103RB芯片上運行帶來(lái)的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)約為80ms，也能夠被產(chǎn)品啟動(dòng)過(guò)程所接受。在廠(chǎng)商進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)，可以進(jìn)一步設計Bootloader驗證失敗時(shí)進(jìn)入自毀程序，通過(guò)修改讀保護狀態(tài)使芯片被整片擦除，從而銷(xiāo)毀所有代碼，提高代碼的安全性。

結 語(yǔ)
嵌入式系統是硬件與軟件高度結合的技術(shù)應用，通過(guò)對STM32F103RB芯片上進(jìn)行Bootloader引導應用程序結構軟件開(kāi)發(fā)時(shí)的篡改攻擊風(fēng)險驗證，可以看到嵌入式產(chǎn)品被抄襲風(fēng)險的嚴峻性。在實(shí)際應用中，嵌入式系統設計應當結合軟件結構的特點(diǎn)和硬件提供的保護特性，靈活使用不同的保護方式，有效地提高程序的安全性，達到最大程度地對廠(chǎng)商代碼和知識產(chǎn)權的保護。