安全机制

本文介绍RTL87x2G芯片的安全机制以及使用方法，主要包括以下几部分：

  • 安全启动：用于验证引导加载程序和固件的真实性和完整性，防止未经授权或恶意代码的执行。

  • Image加密：用于对固件进行加密，确保固件的机密性和完整性，防止未经授权的访问和篡改。

  • Factory data加密：用于对存储在设备内存中的敏感数据进行加密，如加密密钥或用户特定信息，从而减少数据泄露的风险。

  • eFuse烧录：用于将关键信息，如密码或加密密钥，安全存储在硬件eFuse内存中，防止数据被提取或篡改，增强设备的安全性。

  • 调试端口控制：限制对SWD接口的访问，通过密码机制只允许授权人员进行调试，防止未经授权的调试和潜在的漏洞。

总之，RTL87x2G芯片的安全机制提供了综合和可靠的方法，以保护设备及其处理的数据的完整性、机密性和可靠性。

概述

主要从以下几个方面展开介绍：安全启动、加密Image、加密Factory Data、Key安全存储、SWD接口控制 和 Password调试。

安全启动

对于安全设备来说，执行固件的真实性校验，以保护设备免受恶意软件的攻击是至关重要的。安全启动嵌入在RTL87x2G系列的ROM中，并在默认情况下禁用。要启用它，需要通过MP Tool烧录相关的eFuse。

安全启动用于确保Image的完整性和真实性，SHA256用于完整性校验，ECDSA用于真实性校验。如果任何image的验证失败，芯片将重启，不会跳转到未经验证的image。

加密Image

加密Image的方案是基于Flash Security开发的。APP Image可以根据需求选择加密与否。

Flash Security （简称Flash-Sec），又称作Flash on-the-fly，是一种能让CPU直接访问加密flash数据的技术。其原理为，CPU在访问Flash-Sec加密过的数据时，会先通过Flash-Sec硬件模块解密该数据，再实际访问解密后的数据。

Flash-Sec使用的是AES对称加密算法，加密模式为CTR Mode，加密key的长度为128 bit。Flash-Sec至多支持配置8个Flash-Sec Region。其中，Patch image默认使用Region #0，App image默认使用Region 1。

备注

需要注意的是，每个Region的首地址必须4KB对齐。

在IC启动过程中，会对加密过的image进行Flash-Sec初始化（做region配置，key设定等操作）。如果key没有烧录或者烧录的key和加密的key不匹配，都会导致Flash-Sec的解密失败。

加密Factory Data

在生产设备的过程中，可能会生成一些与生产相关的信息，这些信息被称为factory data（出厂数据）。其中一些factory data可能是具有安全敏感性的，比如用于设备认证的密钥对，即私钥和公钥。对于私钥等信息的保护至关重要。

因此，RTL87x2G提供了一种保护factory data的机制，它会对这些数据进行加密并保存到flash中，并且根据设备上的差异化信息产生加解密密钥。在设备启动时，密钥会被安全执行环境加载到AES引擎中，使得应用程序能够在不直接接触密钥的情况下解密flash存储器上的factory data。

Key安全存储

对于AES对称加密算法，加密和解密用的是同一把key，长度为128bit，所以需要特殊的机制来保护加密key不被泄露。加密key经过加密Tool加密一次得到key’， key’再发布给工厂烧录到IC Flash中。

烧录的过程中，烧录Tool会对key’解密得到原始的key，同时会读取IC的UUID和key组合成key’’并写入，以保证每块IC中烧录的key（key’’）值都是不同的。这有助于增强加密过程的安全性并减小密钥泄漏的风险。

SWD接口控制

SWD接口作为重要的调试接口，对调试程序起了很大的作用。但是同样也会增加暴露程序数据和代码的风险。所以安全机制提供了控制SWD接口的方法。有3种控制方式：开，关和Password控制。其中Password控制表示需要通过HCI UART输入正确的Password才能打开，否则是关闭状态。

Password调试

Password和加密key类似，也是烧录在IC的eFuse中。如果某个功能是设定成Password控制，就需要通过HCI UART输入正确的Password，然后IC会自动重启并检查Password是否正确，如果正确则打开该功能。每次IC重启都需要重新输入Password才能打开该功能。

安全级别

RTL87x2G提供3种安全级别：0，1和2。数字越高安全级别越高，越高的安全级别可能会对调试或者重烧eFuse有影响。以下是不同的安全级别下各个模块的功能开关控制。量产建议设定为2级。

安全级别

Security Level

SWD Control

eFuse Read

eFuse Write

0

Enable

Enable

Enable

1

Enable by password

Enable by password

Enable

2

Enable by password

Enable by password

Enable by password

使用示例

使能安全启动

安全启动是一种确保设备在启动过程中进行固件真实性校验的机制，以保护设备免受恶意软件的攻击。具体方法是对固件进行ECDSA签名，并利用位于ROM中的安全启动代码及预先烧录至eFuse中的密钥等信息，在设备启动时进行签名验证。只有当所有固件都通过验证，设备才能正常启动。（如果设备没有安全启动的需求，可以跳过本节，不影响其余的安全机制。）

生成签名密钥

Realtek 提供了一款名为 signImage 的签名工具（位于 RTL87x2G SDK\tools\SignImage），该工具集成了密钥生成和固件签名功能。用户可以通过运行“signImage.exe –help”获取具体的使用方法。 生成密钥使用方法如下：

  1. 运行“signImage.exe -g ecdsa”（其中参数 -g 代表生成密钥，ecdsa 代表密钥的类型），会生成以下三个文件：

  • key.pem（私钥）

  • key.pub（公钥）

  • key_hash.bin（公钥的 Hash 值，用于校验公钥）

../../../../_images/generate_key_with_signImage.png

使用Sign工具生成密钥对

不同的固件允许使用不同的密钥对（最多支持3组），因此可以参考以下脚本生成3组密钥对：bee4_ken_gen.bat

set key_name=%1

signImage -g ecdsa

del /f /q %key_name%.pem %key_name%.pub %key_name%_hash.bin

ren key.pem %key_name%.pem
ren key.pub %key_name%.pub
ren key_hash.bin %key_name%_hash.bin

  1. 调用 bee4_ken_gen.bat 产生对应的密钥对：

bee4_key_gen.bat bee4_ecdsa_key1
bee4_key_gen.bat bee4_ecdsa_key2
bee4_key_gen.bat bee4_ecdsa_key3

配置和烧录公钥

通过本章节，您将学习如何开启安全启动，配置签名密钥，并将其烧录到IC的efuse中。芯片在出厂时并未启用安全启动，因此可以运行未签名的固件。开启安全启动后，芯片将只能运行经过正确签名的固件。在 MP Tool RD Setting 模式下，开启安全启动（选中“Secure Boot”框），并为不同的固件选择对应的公钥，如下图所示。

需要注意一下几点：

  1. 不同的固件可以使用相同的密钥。

  2. 固件必须使用对应的私钥进行签名。

  3. eFuse 位只能从 1 烧成 0，不能从 0 烧成 1。一旦公钥被烧录，便无法修改。

  4. 对于没有使能TrustZone的项目（即没有Secure APP这个固件），仍需为Secure APP选择一把公钥。

../../../../_images/configure_secure_boot.png

配置安全启动

配置完成后，生成待烧录的 EfuseWrite.json 文件，Secure Boot部分示例如下：

{
    "secure_boot":  {
        "img_bootpatch_auth_key":   7,
        "img_ota_auth_key": 3,
        "img_securemcuapp_auth_key":    1,
        "img_stackpatch_auth_key":  7,
        "img_mcupatch_auth_key":    3,
        "img_upperstack_auth_key":  1,
        "img_mcuapp_auth_key":  7,
        "sha256_pub_auth_key1": "4337aa9d48dfd1051bcb657f9657df289f470eb3b316b2ca9dd5e1bc6752cb817689",
        "sha256_pub_auth_key2": "74ccecda5d4f8a0377731abba00c8fdeb046bad4802f90218e95e96524f5e108857a",
        "sha256_pub_auth_key3": "36df987ab627ba7eb3ee359770da34f02b2ea55dfe3f809b47a7e98149e50970758a"
    }
}

其中sha256_pub_auth_key*的值应该和4.1.1中生成的key_hash.bin中的值一致。 烧录efuse.json文件请参考4.4烧录eFuse。

固件签名

Boot Patch、OTA Header、Secure APP（如果未开启 TrustZone，则不包括此文件）、Stack Patch、System Patch、BT Host 和 APP 这些文件都需要进行签名。签名过程依然使用 生成签名密钥 中提到的签名工具（signImage）。以下是示例命令及参数说明：

E:\SignImage>signImage -b 15 -r bee4_ecdsa_key1.pem -c sha256 -p boot_patch_MP_master_1.0.206.0_b63c04e5-2f64fa643c242428e6f914c61b2d77ff.bin
sign image done:
        boot_patch_MP_master_1.0.206.0_b63c04e5-861a8611119fa1aad25746d268ba0e05.bin

  • -b 15: 表示芯片类型：RTL87x2G

  • -r bee4_ecdsa_key1.pem : 指定私钥文件（请替换为实际的私钥文件）

  • -c sha256: 对固件进行 SHA256 校验

  • -p ***.bin : 待签名的固件文件（请替换为实际的固件文件）

签名后的固件烧录方式与未签名的固件相同。

备注

注意：一旦启用安全启动，Flash布局中OTA Bank内每个大小不为0的文件都必须烧录，即使某些数据文件无需签名，否则芯片将无法正常启动。例如，在Flash布局（参见工程的flash_map.h文件）中，如果“APP Config File”设置了4KB的大小，则必须烧录此文件。

配置加密Key

编辑 tools\keys\key.json 文件，配置OCEK和PASSWORD。该文件里的OCEK和PASSWORD是明文，需要注意保护该文件。在请Realtek做IC不良分析时，需要提供此处的明文PASSWORD。

{
    "OCEK": "a1a2a3a4a5a6a7a8a9aaabacadaeafb0",
    "PASSWORD": "00112233445566778899aabbccddeeff"
}

生成加密APP Image

要生成Flash-Sec加密的APP image，需要做以下修改。

  1. 打开Flash-Sec加密APP的宏，将宏 FEATURE_FLASH_SEC 设定为1。默认设定是0，表示非加密。

../../../../_images/enable_app_encryption_by_flash-sec.png

打开Flash-Sec加密APP的宏

  1. Keil工程：修改 after_build_common.bat 文件，确保将 --aesmode CTR 加在 prepend_header 命令的末尾。

../../../../_images/modification_of_after_build_common_bat.png

after_build_common.bat修改

  1. GCC工程：修改 Makefile 文件，确保将 --aesmode CTR 加在 prepend_header 命令的末尾。

加密Factory Data

MP Tool自1.1.1.7版开始支持加密Factory Data。Factory Data加密采用AES128或256算法，支持CBC、CTR两种模式。加密Factory Data的Key被称为DEK（Data Encryption Key），最多支持4把。Factory Data以User Data的形式存储，User Data文件本身不包含地址信息，需要在MP Tool手动配置地址。

MP Tool在烧录多个Factory Data的时候，需要知道每个Factory Data的烧录地址，以及采用了哪一把DEK。这些信息可通过MP Tool RD模式配置，最终记录在 EfuseWrite.json 文件中。该文件原本用来描述待烧录的eFuse信息，此处也被用作描述DEK信息以及User Data信息（包含DEK选择，User Data地址及文件长度等）。 目前只有量产模式支持烧录该文件，所以加密Factory Data需要做到打包文件里，在量产模式和 EfuseWrite.json 一起烧录。（如果设备没有加密Factory Data的需求，可以跳过本节，不影响其余的安全机制。）

配置Factory Data及DEK

  1. 首先需要在User Data对话框配置待加密的Factory Data。

  • 当前可加密的Factory Data文件个数：软件没有此限制，仅受限于Flash容量。

  • DEK存储在Flash第一个Sector的3072字节处，地址为0x4000C00。如果把Factory Data放到第一个Sector，最大不能超过3072字节。

  • 最大支持的Factory Data大小为16K字节。

../../../../_images/configure_factory_data.png

配置待加密的Factory Data

  1. 点击 Confirm 按钮之后转到RD Seting继续配置DEK。

../../../../_images/configure_dek.png

配置DEK

  1. 参考 烧录eFuse 章节烧录 EfuseWrite.json。

  2. 使用Pack Tool打包待烧录Image及Factory Data。

APP用法

APP中包含头文件 aes_api.h，使用如下API来执行加解密操作。CBC模式要求Factory Data长度为16的整数倍，CTR模式没有限制。

crypto_err_t aes128_ctr_encrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes128_ctr_decrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes256_ctr_encrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes256_ctr_decrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes128_cbc_encrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes128_cbc_decrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes256_cbc_encrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

crypto_err_t aes256_cbc_decrypt_with_load_key(const unsigned char *input, uint8_t key_material_id, unsigned char *output, uint32_t data_len);

烧录eFuse

备注

RTL87x2G烧录eFuse时已取消2.5V ± 10%限制，只要芯片正常供电即可烧写eFuse。

  1. RD端配置生成用于烧录的eFuse文件。
    首先确保MP Tool处于调试模式：可通过MP Tool选择 类型 ‣ 调试 进入。
    ../../../../_images/generate_the_file_to_program_efuse.png

    生成用于烧录的eFuse文件

    1. 在 RD Setting 页面，点击 Browse 按钮导入 key.json 文件。

    2. 选择项使用的 Security Level。

    3. 如果要使能安全启动，请参考 配置和烧录公钥 配置安全启动。

    4. 如果要加密Factory Data，请参考 配置Factory Data及DEK 配置Factory Data。

    5. 点击 Confirm 按钮，生成 EfuseWrite.json，该文件可以提供给工厂烧录。

  2. 工厂端烧录eFuse
    首先确保MP Tool处于量产模式：可通过MP Tool选择 类型 ‣ 量产 进入。
    ../../../../_images/select_the_file_to_be_programmed_in_efuse.png

    选择eFuse烧录文件

    1. 在 MP Setting 页面勾选 Efuse，并选择eFuse烧录文件。

    2. 点击 MP Download ‣ 下载 进行烧录。

通过Password调试

为了安全起见，当安全级别设置为1或2时，SWD接口会被禁用。然而，开发人员可以使用密码调试功能重新激活SWD接口。这允许授权的开发人员在保持系统整体安全性的同时，重新获取对SWD接口的访问权限，以进行调试目的。

../../../../_images/use_password_to_unlock_swd.png

使用Password解锁SWD

步骤如下：

  1. 在调试模式 RD Download 界面打开串口。

  2. 选择 Password 。

  3. 输入 key.json 文件中的原始明文PASSWORD。

  4. 点击 Unlock 按钮。

  5. 之后IC会重启。

  6. 重启之后SWD便被打开。