CN114417360A - 一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法 - Google Patents

一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信息安全技术领域，公开了一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，包括以下步骤：制作Linux系统镜像中U‑boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs的数字签名；将签名和公钥一起附加到各文件尾部；烧录系统镜像到嵌入式电力设备中；验证内核文件签名；验证U‑boot文件签名；验证根文件系统签名；验证APP文件签名；加载APP。本发明基于国密SM3算法对系统分区内各个文件进行数字签名和签名验证，在系统启动时，验证文件是否被人恶意篡改，系统是否完整，避免了应用程序和操作系统被篡改后仍可正常启动的现象，确保了系统安全启动，保证了嵌入式电力设备在恶劣不可控的环境下运行的安全性。

Description

一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法
技术领域
本发明涉及信息安全技术领域，尤其涉及一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法。
背景技术
由于Linux系统的开放性，整个分区的数据均是未加密的，而且采用了Linux系统的嵌入式电力设备所处的环境也是开放不可控的，所以在电力领域，嵌入式电力设备的系统安全性无法得到保障。如今虽然MCU厂商为了安全考虑，也会在SOC中自带安全检测，能够在系统烧录和启动阶段验证引导加载程序（Bootloader）、内核和文件系统镜像是否为可信任的来源，但这种方式无法对篡改系统systemd等文件的攻击行为起到保护作用，若这些文件一旦被篡改，则系统安全性将无法得到保证。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，基于国密SM3算法对系统分区内各个文件进行数字签名和签名验证，在系统启动时，验证文件是否被人恶意篡改，系统是否完整，避免了应用程序和操作系统被篡改后仍可正常启动的现象，确保了系统安全启动。
本发明提供的一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，包括以下步骤：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名；
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部；
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到嵌入式电力设备中；
S4：嵌入式电力设备上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则表明数据未被篡改，进入S5；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机；
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则表明数据未被篡改，进入S6；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机；
S6：读取根文件系统Rootfs尾部的数字签名和公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对Rootfs进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果均相同则表明数据未被篡改，进入S7；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机；
S7：挂载根文件系统Rootfs，读取APP文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对APP文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则通过systemd加载APP，嵌入式电力设备系统安全启动；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机。
进一步地，所述根文件系统Rootfs包括systemd文件、APP管理文件、rc.local文件、各后台service及配置文件。
进一步地，所述SM3算法可替换为MD2算法、MD4算法、MD5算法、SHA-0算法、SHA-1算法、SHA224算法、SHA256算法、SHA384算法、SHA512算法。
本发明的有益技术效果：基于国密SM3算法对系统分区内各个文件进行数字签名和签名验证，在系统启动时，验证文件是否被人恶意篡改，系统是否完整，避免了应用程序和操作系统被篡改后仍可正常启动的现象，确保了系统安全启动，保证了嵌入式电力设备在恶劣不可控的环境下运行的安全性。
附图说明
图1为本发明所述系统正常启动的流程图；
图2为本发明所述的系统启动验证流程图；
图3为本发明中数字签名的流程图；
图4为本发明中验证数字签名的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
结合附图1、2，一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，包括以下步骤：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名；其中SM3算法可替换为MD2算法、MD4算法、MD5算法、SHA-0算法、SHA-1算法、SHA224算法、SHA256算法、SHA384算法、SHA512算法。其中根文件系统Rootfs包括systemd文件、APP管理文件、rc.local文件、各后台service及配置文件。
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部，如图3所示。
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到嵌入式电力设备中。
S4：嵌入式电力设备上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则表明数据未被篡改，进入S5；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机，如图4所示。
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则表明数据未被篡改，进入S6；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机，如图4所示。
S6：读取根文件系统Rootfs尾部的数字签名和公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对Rootfs进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果均相同则表明数据未被篡改，进入S7；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机，如图4所示。
S7：挂载根文件系统Rootfs，读取APP文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对APP文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则通过systemd加载APP，嵌入式电力设备系统安全启动；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机，如图4所示。
实施例1：
篡改了采用本方法的智能电表中的内核文件后，本方法工作流程如下：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、systemd文件、APP管理文件、rc.local文件、各后台service及配置文件分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名。
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部。
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到智能电表中。
S4：智能电表上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果不相同，则表明数据可能被篡改，终止智能电表的启动，设备关机。
实施例2：
篡改了采用本方法的智能电表中的U-boot文件后，本方法工作流程如下：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名。
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部。
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到智能电表中。
S4：智能电表上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S5。
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果不相同，表明数据可能被篡改，终止智能电表的启动，设备关机如图4所示。
实施例3：
篡改了采用本方法的智能电表的根文件系统Rootfs中的APP管理文件后，本方法工作流程如下：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名。
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部。
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到智能电表中。
S4：智能电表上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S5。
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S6。
S6：读取Rootfs尾部的数字签名和公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对Rootfs进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，发现摘要值结果不相同，表明数据可能被篡改，终止智能电表的启动。
实施例4：
篡改了采用本方法的智能电表中的APP文件后，本方法工作流程如下：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名。
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部。
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到智能电表中。
S4：智能电表上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S5。
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S6。
S6：读取Rootfs尾部的数字签名和公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对Rootfs进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果均相同，表明数据未被篡改，进入S7。
S7：挂载根文件系统Rootfs，读取APP文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对APP文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果不相同，表明数据可能被篡改，终止智能电表的启动，设备关机。
实施例5：
选择一台未被篡改文件的智能电表，本方法工作流程如下：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名。
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部。
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到智能电表中。
S4：智能电表上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S5。
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，表明数据未被篡改，进入S6。
S6：读取Rootfs尾部的数字签名和公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对Rootfs进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果均相同，表明数据未被篡改，进入S7。
S7：挂载根文件系统Rootfs，读取APP文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对APP文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同，通过systemd加载APP，嵌入式电力设备系统安全启动。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：通过SM3算法，对Linux系统镜像中U-boot文件、内核文件、APP文件、根文件系统Rootfs分别进行杂凑运算形成数字摘要，再对数字摘要用签名私钥做非对称加密，形成数字签名；
S2：约定格式后，将得到的数字签名和签名公钥一起附加到上述各文件尾部；
S3：打包Linux系统镜像，将其烧录到嵌入式电力设备中；
S4：嵌入式电力设备上电，系统启动，启动U-boot，读取内核文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对内核文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则表明数据未被篡改，进入S5；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机；
S5：启动内核，读取U-boot文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对U-boot文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则表明数据未被篡改，进入S6；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机；
S6：读取根文件系统Rootfs尾部的数字签名和公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对Rootfs进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果均相同则表明数据未被篡改，进入S7；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机；
S7：挂载根文件系统Rootfs，读取APP文件尾部的数字签名和签名公钥，使用签名公钥解密数字签名得到数字摘要，使用SM3算法对APP文件进行杂凑运算形成数字摘要，将两个摘要值进行对比，结果相同则通过systemd加载APP，嵌入式电力设备系统安全启动；结果不相同则表明数据可能被篡改，终止嵌入式电力设备的启动，设备关机。
2.根据权利要求1所述的一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，其特征在于，所述根文件系统Rootfs包括systemd文件、APP管理文件、rc.local文件、各后台service及配置文件。
3.根据权利要求1所述的一种应用于嵌入式电力设备的系统安全启动方法，其特征在于，所述SM3算法可替换为MD2算法、MD4算法、MD5算法、SHA-0算法、SHA-1算法、SHA224算法、SHA256算法、SHA384算法、SHA512算法。
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