CN109492404A - 一种适用于VxWorks环境的可信引导系统 - Google Patents

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李艳军
张国宇
王黎
双世勇
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李昆
朱琳
郑德利
柴振达
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Abstract

本发明属于嵌入式信息安全技术领域，具体涉及一种适用于VxWorks环境的可信引导系统。该系统针对VxWorks镜像文件和用户应用程序进行加密，解决了核心知识产权在硬盘中明文存储的问题，使破解人员无法直接进行静态反编译和动态调试，有效地增加了破解难度及系统安全性，进一步保护了核心知识产权。

Description

一种适用于VxWorks环境的可信引导系统
技术领域
本发明属于嵌入式信息安全技术领域，具体涉及一种适用于VxWorks环境的可信引导系统，其为嵌入式可信计算和安全引导(bootrom)的设计，应用于在VxWorks环境下，用户对操作系统安全性要求和用户应用程序安全性要求较高的场景。
背景技术
VxWorks操作系统是美国WindRiver公司设计的一种嵌入式实时操作系统，其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛应用于通信、军事、航空、航天等领域中，如卫星通讯、弹道制导、飞机导航等。如何更好的保证VxWorks操作系统镜像及用户应用程序，提高系统整体安全性，成为人们关注的问题。
目前，VxWorks操作系统的上电引导采用设计BootRom方式，首先上电启动后，运行BootRom程序，在BootRom中完成硬件初始化等操作，同时将VxWorks操作系统镜像加载到内存中，并跳转到镜像入口，启动操作系统内核。操作系统内核启动后，切换到系统用户态，调用用户自定义应用程序.out文件，启动用户程序。
当前的较多应用中，并无对VxWorks操作系统镜像及用户应用程序进行可信引导设计，此时编译后的镜像程序或用户应用程序可以通过静态反编译、动态调试等手段被破解，被非法人员获取到源码或开发人员思维意图，造成知识产权遭到侵犯，甚至篡改、破坏操作系统和应用程序文件，造成不可预计的严重后果。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何解决VxWorks环境下，操作系统镜像和用户应用程序安全问题，以期有效提高软件的安全性。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于VxWorks环境的可信引导系统，所述系统包括：VxWorks镜像文件读取模块、认证码生成模块、加密模块、写入模块、引导模块；
所述VxWorks镜像文件读取模块用于在系统BootRom程序中，打开VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的结构体数据，判断此VxWorks镜像文件是否已加密；如果未加密，则读取VxWorks镜像文件长度大小并申请相等内存空间，将VxWorks镜像文件的二进制数据读取到相应内存空间中；如果已加密则将加密后VxWorks镜像文件传送至引导模块；
所述认证码生成模块用于对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行HMAC认证码生成；所述认证码生成模块根据VxWorks镜像文件读取模块得到的VxWorks镜像文件的长度tlen，进行补充k比特0，得到补充后的二进制数据长度满足tlen+k＝448mod512，对补充后的二进制数据进行HMAC认证处理，生成HMAC认证码，作为软件完整性校验基准值；
所述加密模块用于对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行加密；所述加密模块将VxWorks镜像文件读取模块读取的二进制数据填充km比特0，使得tlen+km＝0mod128，形成填充后的二进制数据长度为len；对填充后的二进制数据进行加密处理，生成加密后的长度为len＝tlen+km比特的密文数据；
所述写入模块用于将加密后的密文数据回写到VxWorks镜像文件中，并在VxWorks镜像文件头部写入加密结构体数据，作为加密后的文件标记，将密文数据及文件标记回写到VxWorks镜像文件中后，形成加密后VxWorks镜像文件，然后再关闭该加密后VxWorks镜像文件；
所述引导模块用于在确认VxWorks镜像文件为加密后的情况下，打开已存在的加密后VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的加密结构体数据；对长度为len的密文数据采用对称加密算法进行解密操作，获取解密得到的HMAC认证码，依据解密得到的HMAC认证码完成VxWorks镜像文件的安全引导。
其中，所述认证码生成模块通过SHA2单向散列算法来进行HMAC认证，生成HMAC认证码。
其中，所述认证码生成模块所生成的HMAC认证码为256比特。
其中，所述加密模块通过分组加密算法AES对读取的二进制数据进行加密处理。
其中，所述加密结构体数据中包含：加密后的文件标记、密文数据长度len。
其中，所述引导模块的引导过程为：首先，解密len比特长度的密文数据，得到明文的原始二进制数据，然后依据解密得到的HMAC认证码，与由认证码生成模块生成的作为完整性校验基准值的HMAC认证码进行比较，如果两者一致，则完成可信引导，否则认证失败，退出引导过程。
其中，所述引导模块使用AES解密算法解密len比特的密文数据。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明系统性地针对VxWorks镜像文件和用户应用程序进行加密，解决了核心知识产权在硬盘中明文存储的问题，使破解人员无法直接进行静态反编译和动态调试，有效地增加了破解难度及系统安全性，进一步保护了核心知识产权。
附图说明
图1为本发明技术方案原理图。
图2为本发明技术方案流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决上述技术问题，如图1所示，本发明采用的技术方案是：根据嵌入式可信计算设计思想，在系统BootRom中读取VxWorks镜像文件，采用分组算法AES对其进行加密，采用SHA2生成镜像数据的HMAC认证码，作为完整性校验基准值，完成系统镜像的安全引导。在系统VxWorks镜像文件中，读取out用户应用程序，并采用分组算法AES对其进行加密，采用SHA2生成镜像数据的HMAC认证码，作为完整性校验基准值，完成用户应用程序的安全引导。
具体而言，为解决现有技术的问题，本发明提供为解决上述技术问题，本发明提供一种适用于VxWorks环境的可信引导系统，所述系统包括：VxWorks镜像文件读取模块、认证码生成模块、加密模块、写入模块、引导模块；
所述VxWorks镜像文件读取模块用于在系统BootRom程序中，打开VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的结构体数据，判断此VxWorks镜像文件是否已加密；如果未加密，则读取VxWorks镜像文件长度大小并申请相等内存空间，将VxWorks镜像文件的二进制数据读取到相应内存空间中；如果已加密则将加密后VxWorks镜像文件传送至引导模块；
所述认证码生成模块用于对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行HMAC认证码生成；所述认证码生成模块根据VxWorks镜像文件读取模块得到的VxWorks镜像文件的长度tlen，进行补充k比特0，得到补充后的二进制数据长度满足tlen+k＝448mod512，对补充后的二进制数据进行HMAC认证处理，生成HMAC认证码，作为软件完整性校验基准值；
所述加密模块用于对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行加密；所述加密模块将VxWorks镜像文件读取模块读取的二进制数据填充km比特0，使得tlen+km＝0mod128，形成填充后的二进制数据长度为len；对填充后的二进制数据进行加密处理，生成加密后的长度为len＝tlen+km比特的密文数据；
所述写入模块用于将加密后的密文数据回写到VxWorks镜像文件中，并在VxWorks镜像文件头部写入加密结构体数据，作为加密后的文件标记，将密文数据及文件标记回写到VxWorks镜像文件中后，形成加密后VxWorks镜像文件，然后再关闭该加密后VxWorks镜像文件；
所述引导模块用于在确认VxWorks镜像文件为加密后的情况下，打开已存在的加密后VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的加密结构体数据；对长度为len的密文数据采用对称加密算法进行解密操作，获取解密得到的HMAC认证码，依据解密得到的HMAC认证码完成VxWorks镜像文件的安全引导。
其中，所述认证码生成模块通过SHA2单向散列算法来进行HMAC认证，生成HMAC认证码。
其中，所述认证码生成模块所生成的HMAC认证码为256比特。
其中，所述加密模块通过分组加密算法AES对读取的二进制数据进行加密处理。
其中，所述加密结构体数据中包含：加密后的文件标记、密文数据长度len。
其中，所述引导模块的引导过程为：首先，解密len比特长度的密文数据，得到明文的原始二进制数据，然后依据解密得到的HMAC认证码，与由认证码生成模块生成的作为完整性校验基准值的HMAC认证码进行比较，如果两者一致，则完成可信引导，否则认证失败，退出引导过程。
其中，所述引导模块使用AES解密算法解密len比特的密文数据。
此外，本发明还提供一种适用于VxWorks环境的可信引导方法，如图2所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1：在系统BootRom程序中，打开VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的结构体数据，判断此VxWorks镜像文件是否已加密；
如果未加密，则读取VxWorks镜像文件长度大小并申请相等内存空间，将VxWorks镜像文件的二进制数据读取到相应内存空间中；
如果已加密则跳转到步骤5；
步骤2：对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行HMAC认证码生成；
根据步骤1得到的VxWorks镜像文件的长度tlen，进行补充k比特0，得到补充后的二进制数据长度满足tlen+k＝448mod512，对补充后的二进制数据进行HMAC认证处理，生成HMAC认证码，作为软件完整性校验基准值；
步骤3：对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行加密；
将步骤1读取的二进制数据填充km比特0，使得tlen+km＝0mod128，形成填充后的二进制数据长度为len；对填充后的二进制数据进行加密处理，生成加密后的长度为len＝tlen+km比特的密文数据；
步骤4：将加密后的密文数据回写到VxWorks镜像文件中，并在VxWorks镜像文件头部写入加密结构体数据，作为加密后的文件标记，将密文数据及文件标记回写到VxWorks镜像文件中后，形成加密后VxWorks镜像文件，然后再关闭该加密后VxWorks镜像文件；
步骤5：在确认VxWorks镜像文件为加密后的情况下，打开已存在的加密后VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的加密结构体数据；对长度为len的密文数据采用对称加密算法进行解密操作，获取解密得到的HMAC认证码，依据解密得到的HMAC认证码完成VxWorks镜像文件的安全引导。
其中，所述步骤2中，通过SHA2单向散列算法来进行HMAC认证，生成HMAC认证码。
其中，所述步骤2中，所述生成的HMAC认证码为256比特。
其中，所述步骤3中，通过分组加密算法AES对读取的二进制数据进行加密处理。AES(高级加密标准)是NIST(美国国家标准与技术研究所)2001年公布的算法，具有较高的安全性。
其中，所述步骤5中，加密结构体数据中包含：加密后的文件标记、密文数据长度len。
其中，所述步骤5中，首先，解密len比特长度的密文数据，得到明文的原始二进制数据，然后依据解密得到的HMAC认证码，与由步骤2生成的作为完整性校验基准值的HMAC认证码进行比较，如果两者一致，则完成可信引导，否则认证失败，退出引导过程。
其中，使用AES解密算法解密len比特的密文数据。
采用本发明技术方案后，VxWorks镜像文件和用户应用程序等核心知识产权在硬盘中采用密文存储，破解人员无法直接进行静态反编译和动态调试，有效地增加了破解难度及系统安全性，进一步保护了核心知识产权。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于VxWorks环境的可信引导系统，其特征在于，所述系统包括：VxWorks镜像文件读取模块、认证码生成模块、加密模块、写入模块、引导模块；
所述VxWorks镜像文件读取模块用于在系统BootRom程序中，打开VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的结构体数据，判断此VxWorks镜像文件是否已加密；如果未加密，则读取VxWorks镜像文件长度大小并申请相等内存空间，将VxWorks镜像文件的二进制数据读取到相应内存空间中；如果已加密则将加密后VxWorks镜像文件传送至引导模块；
所述认证码生成模块用于对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行HMAC认证码生成；所述认证码生成模块根据VxWorks镜像文件读取模块得到的VxWorks镜像文件的长度tlen，进行补充k比特0，得到补充后的二进制数据长度满足tlen+k＝448mod512，对补充后的二进制数据进行HMAC认证处理，生成HMAC认证码，作为软件完整性校验基准值；
所述加密模块用于对读取的VxWorks镜像文件的二进制数据进行加密；所述加密模块将VxWorks镜像文件读取模块读取的二进制数据填充km比特0，使得tlen+km＝0mod128，形成填充后的二进制数据长度为len；对填充后的二进制数据进行加密处理，生成加密后的长度为len＝tlen+km比特的密文数据；
所述写入模块用于将加密后的密文数据回写到VxWorks镜像文件中，并在VxWorks镜像文件头部写入加密结构体数据，作为加密后的文件标记，将密文数据及文件标记回写到VxWorks镜像文件中后，形成加密后VxWorks镜像文件，然后再关闭该加密后VxWorks镜像文件；
所述引导模块用于在确认VxWorks镜像文件为加密后的情况下，打开已存在的加密后VxWorks镜像文件，读取VxWorks镜像文件头部的加密结构体数据；对长度为len的密文数据采用对称加密算法进行解密操作，获取解密得到的HMAC认证码，依据解密得到的HMAC认证码完成VxWorks镜像文件的安全引导。
2.如权利要求1所述的适用于VxWorks环境的可信引导系统，其特征在于，所述认证码生成模块通过SHA2单向散列算法来进行HMAC认证，生成HMAC认证码。
3.如权利要求1所述的适用于VxWorks环境的可信引导系统，其特征在于，所述认证码生成模块所生成的HMAC认证码为256比特。
4.如权利要求1所述的适用于VxWorks环境的可信引导方法，其特征在于，所述加密模块通过分组加密算法AES对读取的二进制数据进行加密处理。
5.如权利要求1所述的适用于VxWorks环境的可信引导系统，其特征在于，所述加密结构体数据中包含：加密后的文件标记、密文数据长度len。
6.如权利要求1所述的适用于VxWorks环境的可信引导系统，其特征在于，所述引导模块的引导过程为：首先，解密len比特长度的密文数据，得到明文的原始二进制数据，然后依据解密得到的HMAC认证码，与由认证码生成模块生成的作为完整性校验基准值的HMAC认证码进行比较，如果两者一致，则完成可信引导，否则认证失败，退出引导过程。
7.如权利要求5所述的适用于VxWorks环境的可信引导系统，其特征在于，所述引导模块使用AES解密算法解密len比特的密文数据。
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