CN114329479B - 一种面向risc-v架构的启动验证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种面向RISC‑V架构的启动验证方法，所述启动验证方法对一阶段启动加载器进行验证成功后，进一步对二阶段启动加载器进行验证，本发明能够完成多级启动流程的逐级防护，并在各级验证机制的设计上，根据应用场景的不同，在安全性和灵活性上进行调整。提出的验证策略基于信息摘要和数字签名算法，能够在现场可编程门阵列芯片上实现高效运行，以提升系统启动阶段的安全防御能力。
Description
技术领域
本发明涉及启动加载与启动验证流程，尤其涉及一种面向RISC-V架构的启动验证方法。
背景技术
RISC-V作为一种新型的精简指令集，具有开源、开放、模块化等优点，但目前的RISC-V也具有一些明确的问题，包括软硬件生态不完善、高质量开源处理器的比例和数量有限等等。尤其在信息安全领域，RISC-V现阶段尚未形成一套公认的系统安全规范，面向RISC-V的安全处理器也非常有限。而启动安全作为系统安全机制的一部分，保证主板上只能加载经过认证过的操作系统或者硬件驱动程序，从而防止恶意软件侵入。
在这一领域，较为经典启动安全方法是面向ARM指令集的TrustZone安全导引方式：通过实现一个信任链机制，从第一段上电程序开始开始，每个被加载的组件将验证后续一个或多个模块的可信任性和完整性，并在未检测到异常的情况下加载它们。但是，一方面，TrustZone的启动安全机制并不强调硬件级别的防护；另一方面针对RISC-V处理器，在实际信任链设计过程中还存在很多需要额外考虑的因素，因而并不能直接地进行相应的移植。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种面向RISC-V架构的启动验证方法。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现的：一种面向RISC-V架构的启动验证方法，包括如下步骤：
步骤一：构建面向RISC-V指令集架构的片上系统SOC，所述片上系统SOC对一阶段启动加载器进行验证，验证成功则一阶段启动加载器被运行；
步骤二：当一阶段启动加载器被运行后，一阶段启动加载器对二阶段启动加载器和操作系统内核镜像进行验证，根据加载来源的不同，采取不同的验证方法，具体包括三种二阶段启动验证方法：本地信息摘要验证方法、远端传输信息摘要验证方法以及本地数字签名验证方法。
进一步地，所述步骤一和步骤二的具体动作均面向RISC-V指令集架构进行实现。
进一步地，所述片上系统SOC运行在独立于中央处理器(CPU)之外的专有硬件上，所述专有硬件能够利用信息摘要算法对一阶段启动加载器或二阶段启动加载器进行完整性验证，防止其被篡改。
进一步地，所述信息摘要算法包括MD5或SHA-1算法。
进一步地，所述步骤一具体为：设备上电启动后、中央处理器(CPU)运行前，所述片上系统SOC读取一阶段启动加载器的相应代码，利用信息摘要算法得到一阶段启动加载器的摘要值，将得到的摘要值与预先存储在摘要匹配库中的摘要值进行匹配，若匹配成功，则一阶段启动加载器被允许运行。
进一步地，步骤二中所述本地信息摘要验证方法针对高安全性场景或高生态封闭性场景使用，具体为一阶段启动加载器从本地存储介质中读取二阶段启动加载器及操作系统内核镜像，并利用信息摘要算法对被加载镜像进行验证，在摘要匹配库中匹配到相应的摘要值后，二阶段启动加载器才允许运行，进而启动操作系统内核镜像。
进一步地，步骤二中所述远端传输信息摘要验证方法针对存在远端统一启动和传输需求的应用场景使用，具体为一阶段启动加载器从网络中接收二阶段启动加载器及操作系统内核镜像，并利用信息摘要算法对被加载镜像进行验证，在摘要匹配库中匹配到相应的摘要值后，二阶段启动加载器以及后续的操作系统内核镜像才允许运行。
进一步地，步骤二中所述本地数字签名验证方法针对在保证安全性的前提下保证软硬件设计的解耦合以提升系统灵活性的情况使用，具体为：
S1设备出厂前，软件提供方使用自己的私钥对二阶段启动加载器和操作系统内核镜像进行签名；具体签名过程为：首先计算二阶段启动加载器和操作系统内核镜像的摘要值，然后利用512-位RSA私钥对该摘要值加密，得到的密文则为数字签名p；
S2软件提供方将自己的公钥证书、二阶段启动加载器和操作系统内核镜像以及数字签名p发送给硬件提供方，并由硬件提供方将公钥存储于公钥库中，将二阶段启动加载器和操作系统内核镜像以及数字签名p打包存放于本地存储介质中；
S3设备启动时，一阶段启动加载器从本地存储介质中读取二阶段启动加载器、操作系统内核镜像以及对应的数字签名p，利用预先存储在公钥证书库中的软件提供方的证书，对被加载镜像的的数字签名p进行验证，从而完成对软件提供方的身份验证，只有签名验证通过的镜像才被允许执行；具体验证过程为：一阶段启动加载器首先利用打包文件的信息，从公钥库中选取对应的软件提供方公钥证书，并对打包文件进行一次实时信息摘要计算，生成信息摘要m，再用对应公钥证书中的公钥对数字签名p进行解密，得到解密信息摘要e，如果m和e一致则验证通过。
本发明的有益效果如下：
本发明的方法针对RISC-V启动安全问题，设计了一套软硬件协同的启动信任链，其能够完成多级启动流程的逐级防护，并在各级验证机制的设计上，根据应用场景的不同，在安全性和灵活性上进行了权衡。在现如今RISC-V架构尚未形成公认的启动安全方案的背景下，提供了一套面向RISC-V架构可行的验证方案，以提升系统启动阶段的安全防御能力。
附图说明
图1为一种面向RISC-V架构的启动验证方法的流程图；
图2为本地数字签名验证方法的流程图。
具体实施方式
如图1所述，本发明提出了一种面向RISC-V架构的启动验证方法，包括以下步骤：
步骤一：构建面向RISC-V指令集架构的片上系统SOC，所述片上系统SOC对一阶段启动加载器进行验证，验证成功则一阶段启动加载器被运行；
所述一阶段启动加载器(First Stage Bootloader)是中央处理器(CPU)所运行的第一块代码，关系到整个设备的安全，是设备的安全基础之一；所述一阶段启动加载器固化在只读存储硬件中；为了保证一阶段启动加载器的完整性不被破坏，在设备中增加校验该代码完整性的专有硬件，并在所述专有硬件上构建片上系统SOC用于验证一阶段启动加载器的完整性。
所述片上系统SOC运行在独立于中央处理器(CPU)之外的专有硬件上，所述专有硬件在功能上能够利用信息摘要算法对一阶段启动加载器或二阶段启动加载器进行完整性验证，防止其被篡改；在性能上使用访存、缓冲、运算的三级流水线机制，在验证通过前，锁死中央处理器(CPU)的复位信号，只有验证通过，匹配到预先封在只读存储硬件中的信息摘要才允许启动。
所述信息摘要算法包括MD5或SHA-1算法，其通过对所有数据提取指纹信息以实现数据完整性校验等功能；消息摘要算法的主要特征是加密过程不需要密钥，并且经过加密所得到的数据(摘要值)无法被解密，只有输入相同的明文数据经过相同的消息摘要算法才能得到相同的摘要值。
步骤一通过以下子步骤具体实现：
(1.1)在设备出厂前，由只读存储硬件提供商计算一阶段启动加载器的MD5或SHA-1摘要值，并存储在摘要值匹配库中。
(1.2)当设备上电启动后、中央处理器(CPU)运行前，所述运行在专有硬件上的片上系统SOC读取一阶段启动加载器的相应代码，利用信息摘要算法得到一阶段启动加载器的摘要值，将得到的摘要值与预先存储在摘要匹配库中的摘要值进行匹配，若匹配成功，则一阶段启动加载器被允许运行。
步骤二：当一阶段启动加载器被运行后，一阶段启动加载器对二阶段启动加载器和操作系统内核镜像进行验证，根据加载来源的不同，采取不同的验证方法，具体包括三种二阶段启动验证方法：本地信息摘要验证方法、远端传输信息摘要验证方法以及本地数字签名验证方法；
所述二阶段启动加载器(Second Stage Boot Loader)是由一阶段启动加载器加载并执行的代码，主要用于进一步的初始化必要的设备硬件，引导系统内核的启动。在安全启动过程中，一般由一阶段启动加载器进行校验。
所述操作系统内核镜像就是操作系统安装在光盘上所有数据的克隆文件，包括了一个操作系统运行所需要的所有内容；此处将操作系统内核镜像与第二阶段启动加载器打包存放，减少系统启动过程中的验证步骤，从而增强了启动过程中的安全性。
所述三种二阶段启动验证方法分别如下：`
(2.1)本地信息摘要验证方法针对高安全性场景或高生态封闭性场景使用，具体为一阶段启动加载器从本地存储介质中读取二阶段启动加载器及操作系统内核镜像，并利用信息摘要算法对被加载镜像进行验证，验证方法与步骤一类似，在摘要匹配库中匹配到相应的摘要值后，二阶段启动加载器才允许运行，进而启动操作系统内核镜像；
所述高安全性场景指对安全性要求极高的设备和应用场景例如航空航天、金融等方面的相关设备。
所述高生态封闭性场景指运行环境封闭，不与或极少与外界交互的设备例如电子令牌等，此类设备特征在于从出厂到回收销毁都不用进行固件更新。
(2.2)远端传输信息摘要验证方法针对存在远端统一启动和传输需求的应用场景使用，具体为一阶段启动加载器从网络中接收二阶段启动加载器及操作系统内核镜像，并利用信息摘要算法对被加载镜像进行验证，在摘要匹配库中匹配到相应的摘要值后，二阶段启动加载器以及后续的操作系统内核镜像才允许运行；
所述远端统一启动和传输需求的应用场景指由控制中心统一启动并通过网络传输固件来启动终端设备的应用场景。此类终端设备往往没有或只含有极少的本地存储，其启动需要从外部获取固件。此模式一般应用于需要高度集中统一管理终端设备的场景。
(2.3)本地数字签名验证方法针对在保证安全性的前提下保证软硬件设计的解耦合以提升系统灵活性的情况下使用，如图2所示，具体包括如下步骤：
S1设备出厂前，软件提供方使用自己的私钥对二阶段启动加载器和操作系统内核镜像进行签名；具体签名过程为：首先计算二阶段启动加载器和操作系统内核镜像的摘要值，然后利用512-位RSA私钥对该摘要值加密，得到的密文则为数字签名p；
S2软件提供方将自己的公钥证书、二阶段启动加载器和操作系统内核镜像以及数字签名p发送给硬件提供方，并由硬件提供方将公钥存储于公钥库中，将二阶段启动加载器和操作系统内核镜像以及数字签名p打包存放于本地存储介质中；
S3设备启动时，一阶段启动加载器从本地存储介质中读取二阶段启动加载器、操作系统内核镜像以及对应的数字签名，利用预先存储在公钥证书库中的软件提供方的证书，对被加载镜像的的数字签名进行验证，从而完成对软件提供方的身份验证，只有签名验证通过的镜像才被允许执行。具体验证过程为：一阶段启动加载器首先利用打包文件的信息，从公钥库中选取对应的软件提供方公钥证书，并对打包文件进行一次实时信息摘要计算，生成信息摘要m，再用对应公钥证书中的公钥对数字签名p进行解密，得到解密信息摘要e，如果m和e一致则验证通过。
所述步骤一和步骤二的具体动作均面向RISC-V指令集架构进行实现。
考虑到网络远端启动可能带来复杂的安全性问题，本发明将网络远端启动的验证方式严格限制为远端传输信息摘要验证方法。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的单个实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方法进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种面向RISC-V架构的启动验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：构建面向RISC-V指令集架构的片上系统SOC，所述片上系统SOC对一阶段启动加载器进行验证，验证成功则一阶段启动加载器被运行；
步骤二：当一阶段启动加载器被运行后，一阶段启动加载器对二阶段启动加载器和操作系统内核镜像进行验证，根据加载来源的不同，采取不同的验证方法，具体包括三种二阶段启动验证方法：本地信息摘要验证方法、远端传输信息摘要验证方法以及本地数字签名验证方法；
所述本地信息摘要验证方法针对高安全性场景或高生态封闭性场景使用，具体为一阶段启动加载器从本地存储介质中读取二阶段启动加载器及操作系统内核镜像，并利用信息摘要算法对被加载镜像进行验证，在摘要匹配库中匹配到相应的摘要值后，二阶段启动加载器才允许运行，进而启动操作系统内核镜像；
所述远端传输信息摘要验证方法针对存在远端统一启动和传输需求的应用场景使用，具体为一阶段启动加载器从网络中接收二阶段启动加载器及操作系统内核镜像，并利用信息摘要算法对被加载镜像进行验证，在摘要匹配库中匹配到相应的摘要值后，二阶段启动加载器以及后续的操作系统内核镜像才允许运行；
所述本地数字签名验证方法针对在保证安全性的前提下保证软硬件设计的解耦合以提升系统灵活性的情况使用，具体为：
S1，设备出厂前，软件提供方使用自己的私钥对二阶段启动加载器和操作系统内核镜像进行签名；具体签名过程为：首先计算二阶段启动加载器和操作系统内核镜像的摘要值，然后利用512-位RSA私钥对该摘要值加密，得到的密文则为数字签名p；
S2，软件提供方将自己的公钥证书、二阶段启动加载器和操作系统内核镜像以及数字签名p发送给硬件提供方，并由硬件提供方将公钥存储于公钥库中，将二阶段启动加载器和操作系统内核镜像以及数字签名p打包存放于本地存储介质中；
S3，设备启动时，一阶段启动加载器从本地存储介质中读取二阶段启动加载器、操作系统内核镜像以及对应的数字签名p，利用预先存储在公钥证书库中的软件提供方的证书，对被加载镜像的的数字签名p进行验证，从而完成对软件提供方的身份验证，只有签名验证通过的镜像才被允许执行；具体验证过程为：一阶段启动加载器首先利用打包文件的信息，从公钥库中选取对应的软件提供方公钥证书，并对打包文件进行一次实时信息摘要计算，生成信息摘要m，再用对应公钥证书中的公钥对数字签名p进行解密，得到解密信息摘要e，如果m和e一致则验证通过。
2.根据权利要求1所述的一种面向RISC-V架构的启动验证方法，其特征在于，所述步骤一和步骤二的具体动作均面向RISC-V指令集架构进行实现。
3.根据权利要求1所述的一种面向RISC-V架构的启动验证方法，其特征在于，所述片上系统SOC运行在独立于中央处理器(CPU)之外的专有硬件上，所述专有硬件能够利用信息摘要算法对一阶段启动加载器或二阶段启动加载器进行完整性验证，防止其被篡改。
4.根据权利要求3所述的一种面向RISC-V架构的启动验证方法，其特征在于，所述信息摘要算法包括MD5或SHA-1算法。
5.根据权利要求1所述的一种面向RISC-V架构的启动验证方法，其特征在于，所述步骤一具体为：设备上电启动后、中央处理器(CPU)运行前，所述片上系统SOC读取一阶段启动加载器的相应代码，利用信息摘要算法得到一阶段启动加载器的摘要值，将得到的摘要值与预先存储在摘要匹配库中的摘要值进行匹配，若匹配成功，则一阶段启动加载器被允许运行。
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