STM32F103RB的 Bootloader軟件安全設計方案

通過實驗，驗證了當部分應用程序內(nèi)容被修改時，Bootloader可以正常進入運行模式，在放置的跳轉(zhuǎn)指針嘗試至應用程序函數(shù)入口地址時，程序可以跳轉(zhuǎn)至非法讀取程序執(zhí)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Bootloader升級模式，將升級程序下載升級程序包覆蓋應用程序區(qū)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
實際應用中，Bootloader引導應用程序結(jié)構(gòu)的軟件在STM32F103RB芯片上使用時，廠商可以通過改進Boot-loader的設計，最大程度地避免這種篡改應用程序方式帶來的代碼被抄襲的風險。由于芯片讀保護有效時，前3片區(qū)的自動寫保護可以保證中斷向量表不被篡改，從而Bootloader在Flash地址啟動時首先執(zhí)行。
在更新應用程序的過程中，除了升級程序包采用加密、方式由Bootloader在升級模式下將內(nèi)容解密后寫入應用程序區(qū)域外，Bootloader運行模式下確認Flash中的內(nèi)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。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的寫操作需要對片區(qū)擦除后進行，可以在各片區(qū)的特定地址內(nèi)依次放置廠商設定的1～2字節(jié)偽隨機碼，組成密碼序列。在非法讀取程序或跳轉(zhuǎn)指針寫入時，對片區(qū)擦除過程將破壞偽隨機碼而不能重新寫回，導致密碼序列的破壞。
②CRC檢驗是較為常見的一種數(shù)據(jù)傳輸檢錯方式，隨著技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了能夠適用于嵌入式系統(tǒng)有限資源的快速算法。將應用程序代碼區(qū)域的CRC檢驗值在升級程序時保存在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及時發(fā)現(xiàn)篡改攻擊造成的改變，并防止非法代碼得到執(zhí)行機會。在安全設計方案驗證實驗中，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(qū)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(nèi)容未被篡改。在驗證失敗時，輸出驗證失敗信息和當前的CRC檢驗值后進入死循環(huán)，而不再啟動應用程序。
對方案的驗證實驗采用在應用程序片區(qū)的末尾寫入偽隨機碼序列和32位CRC檢驗算法，依次對Flash的4～128 片區(qū)單獨進行擦除后寫入非法代碼進行驗證，均得到圖5所示的驗證失敗信息。

實際測試中，對不同片區(qū)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芯片上運行帶來的時間開銷約為80ms，也能夠被產(chǎn)品啟動過程所接受。在廠商進行產(chǎn)品開發(fā)時，可以進一步設計Bootloader驗證失敗時進入自毀程序，通過修改讀保護狀態(tài)使芯片被整片擦除，從而銷毀所有代碼，提高代碼的安全性。

結(jié) 語
嵌入式系統(tǒng)是硬件與軟件高度結(jié)合的技術(shù)應用，通過對STM32F103RB芯片上進行Bootloader引導應用程序結(jié)構(gòu)軟件開發(fā)時的篡改攻擊風險驗證，可以看到嵌入式產(chǎn)品被抄襲風險的嚴峻性。在實際應用中，嵌入式系統(tǒng)設計應當結(jié)合軟件結(jié)構(gòu)的特點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商代碼和知識產(chǎn)權(quán)的保護。