CN112165396A - 一种安全固件更新的方法 - Google Patents

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Abstract

在智能卡/MCU等安全芯片设计中，国密算法/指纹算法等固化的软件函数，是固件的常见形式，称为安全固件。安全固件多以HEX形式预存储在芯片专用NVM(Non‑Volatile Memory)区域，其更新下载的合法对象只能是算法提供方授权的合法固件数据，所以下载更新的过程需要解决数据泄露、数据篡改、数据完整性破坏等安全风险。本专利提出一种安全的固件更新方法，设计了一套预下载、密文保护以及身份验证机制，解决上述的安全风险，既可以鉴别目标下载数据的身份合法性，又可以保证目标下载数据的保密性/完整性，支持把安全固件的下载更新环节让渡到芯片普通用户的生产环节或者固件的在线升级环节。

Description

一种安全固件更新的方法
技术领域
本发明涉及一种安全固件更新的方法，适用于安全芯片设计领域中的安全固件更新下载。
背景技术
在智能卡/MCU等安全芯片设计中，国密算法/指纹算法等固化的软件函数，是固件的常见形式，称为安全固件。安全固件多以HEX形式预存储在芯片专用NVM(Non-VolatileMemory)区域。
安全固件的下载更新，是指PC主机/主控芯片等设备与目标安全芯片之间，通过约定的通信接口，将目标固件数据传输到安全芯片，由安全芯片的Loader负责完成安全固件的下载更新的过程。
安全固件往往是系统安全的逻辑基点，其更新下载的合法对象只能是算法提供方授权的合法固件数据，下载更新过程需要解决数据泄露、数据篡改、数据完整性破坏等安全风险。
其中，
防止数据泄露需要保证通信链路上数据是密文形式，加密算法多采用对称算法，但静态对称算法密钥的安全性建立在密钥的保密性，往往不可靠。基于ECDH机制生成的动态对称算法密钥(会话密钥)的安全性较强。
数据篡改是指合法数据被篡改，例如植入恶意代码数据或旁路安全相关代码数据等。
数据完整性破坏是指由恶意攻击或者下载流程错误等导致的固件数据不完整。
发明内容
本发明提供了一种安全固件更新的方法。该方法包括：通过预下载机制过滤非法数据；通过密文保护机制保护目标数据内容；通过身份验证机制确认数据的身份合法性。其中：
预下载数据结构，过滤非法数据，只允许合法数据更新到芯片存储介质；
身份验证，即预存公钥哈希值方法，通过公钥算法的验签机制确认数据的身份合法性；
密文保护机制：动态会话密钥、预存传输密钥、动态分散密钥以保护目标数据内容。
本发明中的传输密钥和分散密钥，是指国际通用对称算法的密钥。
本发明中的身份验签算法和哈希算法，是指国际通用的公钥算法。下文描述的公钥/私钥/哈希值等与公钥算法本身的定义一致。
执行安全固件更新的芯片，在内部NVM区域(仅限Loader有访问权限的存储区，普通用户没有访问权限)，预存传输密钥。传输密钥作为目标安全固件的下载数据的加解密根密钥，是对安全固件更新内容的第一级保护。
执行安全固件更新的芯片，在内部NVM区域(仅限Loader有访问权限的存储区，普通用户没有访问权限)，预存验签公钥的哈希值。验签公钥是下述预下载数据中的一部分。
见图3。
预下载是指Loader将通信接口接收的应用数据存储在缓存区的过程，而不是向NVM真正执行下载更新操作。
预下载数据存储在缓存区，一般是指SRAM。
预下载数据或脚本由安全固件开发者提供。
预下载的数据包括两类，一类是分散密钥数据，一类是目标下载数据。
预下载的分散密钥数据，见图2中的201，包含：密文格式的分散密钥、明文分散密钥的哈希值、对分散密钥哈希值的签名值、验签公钥。
密文格式的分散密钥，是使用会话密钥对明文分散密钥进行对称算法加密的密文格式。
明文分散密钥的哈希值，是对分散密钥明文进行哈希运算的结果。
对分散密钥哈希值的签名值，是使用公钥算法体系的私钥对哈希值进行签名的结果。
验签公钥，是指公钥算法体系的公钥，与上述签名过程使用的私钥互相对应。
预下载的目标下载数据，见图2中的202，包含：密文格式的目标下载数据、明文目标下载数据的哈希值、对目标下载数据哈希值的签名值、验签公钥。
密文格式的目标下载数据，是使用传输密钥与分散密钥这两级密钥异或之后的结果作为密钥，对明文目标下载数据进行对称算法加密的数据。
明文目标下载数据的哈希值，是对明文目标下载数据进行哈希运算的结果。
对明文目标下载数据哈希值的签名值，是使用公钥算法体系的私钥对哈希值进行签名的结果。
验签公钥，是指公钥算法体系的公钥，与上述签名过程使用的私钥互相对应。
提交预下载数据，是指对将缓存区的目标下载数据，进行合法性验证，合法性验证通过则向NVM执行更新下载操作。合法性验证包括：验签公钥验证、签名值验签。
验签公钥验证，是指对预下载数据中的验签公钥计算哈希值，与芯片预存的验签公钥哈希值进行比对验证，一致则公钥验证通过，否则公钥验证失败。
签名值验签，是指使用验签公钥，对预下载数据中的哈希值、签名值执行公钥算法的验签运算，运算结果表示验签通过还是失败。
固件更新过程中，通信双方首先基于标准ECDH算法，协商生成动态会话密钥。会话密钥生成过程的交互数据是明文形式。
会话密钥生成后，通信双方交互的应用数据，全部是使用会话密钥进行对称算法加密的密文格式。通信数据发送方负责对称算法加密，通信数据接收方负责对称算法解密。
预下载分散密钥数据后，执行固件更新的安全芯片对数据进行验证，即使用验签公钥执行公钥验签运算，验签通过则表示分散密钥数据合法，不通过则表示分散密钥数据不合法。
分散密钥，是对预下载的目标下载数据进行对称算法加解密的二级密钥，是对安全固件更新内容的第二级保护。
安全固件数据或脚本的提供者负责加密，执行固件更新的安全芯片Loader负责解密。
提交预下载数据后，数据验证合法，则执行固件更新的安全芯片Loader把明文数据更新到目标NVM。
下载完成后，Loader使用CRC/HASH等校验算法执行目标下载数据的完整性校验。
附图说明
图1是一种用于安全固件更新的方法流程示意图。
图2是一种用于安全固件更新的预下载数据结构示意图。
图3是一种用于安全固件更新的方法总体示意图
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。图3是本发明的一种安全固件更新的方法总体示意图。执行安全固件更新的芯片，在内部NVM区域预存传输密钥和验签公钥的哈希值，传输密钥作为目标安全固件的下载数据的加解密根密钥，是对安全固件更新内容的第一级保护。验签公钥是预下载数据中的一部分。预下载数据存储在缓存区，预下载的数据包括两类，分散密钥数据和目标下载数据。
本发明实施例的核心构思在于，定义预下载数据结构，如图2中的201和202如示，过滤非法数据，只允许合法数据更新到芯片存储介质；定义预存公钥哈希值方法，通过公钥算法的验签机制确认数据的身份合法性；定义动态会话密钥、预存传输密钥、动态分散密钥以保护目标数据内容。
预下载的目标数据块单位大小，可根据执行固件更新的安全芯片的SRAM规格灵活制定。
预下载数据中的验签公钥的哈希值，预存在执行固件更新的安全芯片的内部存储区，只有执行固件更新的Loader有访问权限。
如图1所示是本发明的一个流程示例。
步骤101中使用ECDH算法生成会话密钥，包括但不限于国密SM2/SEC ECC/NISTECC等标准密钥协商算法。
步骤102中，目标分散密钥数据下载到缓存区待验证。
步骤103/104/105中，实施预下载分散密钥数据的验证和结果处理。
步骤107中，目标下载数据数据下载到缓存区待验证。
步骤108/109/110/111中，实施预下载目标下载数据的验证和结果处理。
如果目标下载数据块不止1块，则循环多次执行步骤107～111。
步骤112中，对已下载的目标下载数据进行完整性校验。

Claims (4)

1.一种安全固件更新的方法，其特征在于，包括：预下载机制、密文保护机制、身份验证机制；
所述的预下载机制，预下载的密钥长度，预下载的目标下载数据大小，可以根据实际芯片规格的不同存在多种不同规格；
所述的密文保护机制，包括会话密钥、传输密钥和分散密钥；
所述的身份验证机制，包括公钥验证和公钥验签。
2.根据权利要求1所述的预下载机制，其特征在于，非法的目标下载数据只能在缓存区暂存，缓存区内容在芯片掉电或复位后丢失，合法的目标下载数据才会真正更新到芯片NVM存储区。
3.根据权利要求1所述的密文保护机制，其特征在于，使用国际通用的对称算法的传输密钥和分散密钥二阶保护目标下载数据的内容。
4.根据权利要求1所述的身份验证机制，其特征在于，芯片预存公钥哈希值，并使用国际通用公钥算法的验签机制，确认预下载的数据的身份合法性。
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