大家好，我是良许。
最近几年，随着物联网设备的爆发式增长，嵌入式系统的安全问题越来越受到重视。
我记得几年前做汽车电子项目的时候，客户对安全的要求还比较宽松，但现在不一样了，几乎每个项目都会被问到"你们的加密方案是什么？
""如何防止固件被破解？"这些问题。
今天就和大家聊聊嵌入式安全和加密技术这个话题。
1. 为什么嵌入式系统需要安全保护
1.1 嵌入式系统面临的安全威胁
嵌入式设备不像服务器那样有专人维护，它们往往部署在各种环境中，面临的威胁也更加多样化。
我在做汽车电子的时候就遇到过这样的案例：有黑客通过 CAN 总线注入恶意指令，导致车辆的某些功能异常。
这还只是冰山一角，实际上嵌入式系统面临的威胁包括：
物理攻击：攻击者可以直接接触到设备，通过 JTAG、UART 等调试接口读取内存数据，甚至可以用显微镜观察芯片内部结构进行侧信道攻击。
我见过有人用热风枪把 Flash 芯片拆下来，直接用编程器读取固件。
网络攻击：现在的嵌入式设备大多联网，黑客可以通过网络漏洞入侵设备。
比如很多智能家居设备使用弱密码或者默认密码，很容易被攻破。
固件逆向：攻击者获取固件后，可以通过反汇编、反编译等手段分析代码逻辑，找出加密算法和密钥，甚至可以修改固件植入后门。
供应链攻击：在生产、运输、维护等环节，设备可能被植入恶意代码或硬件木马。
1.2 安全防护的必要性
对于我们做嵌入式开发的来说，安全不再是可选项，而是必选项。
特别是在汽车、医疗、工控等关键领域，一旦出现安全问题，后果不堪设想。
我之前在外企做项目的时候，有一次因为安全测试没通过，整个项目延期了三个月,损失了上百万。
所以现在我做项目，都会在设计阶段就把安全考虑进去，而不是等到最后才想起来打补丁。
2. 嵌入式加密技术基础
2.1 对称加密算法
对称加密是最常用的加密方式，加密和解密使用同一个密钥。
在嵌入式系统中，AES（高级加密标准）是最流行的对称加密算法。
AES 加密原理：AES 支持 128 位、192 位、256 位三种密钥长度，加密过程包括字节替换、行移位、列混淆、轮密钥加等步骤。
对于嵌入式系统来说，AES-128 通常就足够了，因为它在安全性和性能之间取得了很好的平衡。
下面是一个使用 STM32 的硬件 AES 加密的示例代码：
#include "stm32f4xx_hal.h"
CRYP_HandleTypeDef hcryp;
// 初始化AES硬件加密模块
void AES_Init(void)
{
__HAL_RCC_CRYP_CLK_ENABLE();
hcryp.Instance = CRYP;
hcryp.Init.DataType = CRYP_DATATYPE_8B;
hcryp.Init.KeySize = CRYP_KEYSIZE_128B;
hcryp.Init.Algorithm = CRYP_AES_ECB;
if (HAL_CRYP_Init(&hcryp) != HAL_OK)
{
Error_Handler();
}
}
// AES加密函数
HAL_StatusTypeDef AES_Encrypt(uint8_t *plaintext, uint8_t *key,
uint8_t *ciphertext, uint16_t length)
{
HAL_StatusTypeDef status;
// 设置密钥
hcryp.Init.pKey = (uint32_t *)key;
if (HAL_CRYP_Init(&hcryp) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
// 执行加密
status = HAL_CRYP_Encrypt(&hcryp, (uint32_t *)plaintext,
length/4, (uint32_t *)ciphertext, 1000);
return status;
}
// AES解密函数
HAL_StatusTypeDef AES_Decrypt(uint8_t *ciphertext, uint8_t *key,
uint8_t *plaintext, uint16_t length)
{
HAL_StatusTypeDef status;
hcryp.Init.pKey = (uint32_t *)key;
if (HAL_CRYP_Init(&hcryp) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
status = HAL_CRYP_Decrypt(&hcryp, (uint32_t *)ciphertext,
length/4, (uint32_t *)plaintext, 1000);
return status;
}
这段代码展示了如何使用 STM32 的硬件加密模块进行 AES 加密和解密。
使用硬件加密的好处是速度快、功耗低，而且密钥不会暴露在软件中，安全性更高。
我在实际项目中，只要芯片支持硬件加密，都会优先使用。
2.2 非对称加密算法
非对称加密使用一对密钥：公钥和私钥。
公钥用于加密，私钥用于解密。
最常用的非对称加密算法是 RSA 和 ECC（椭圆曲线加密）。
RSA vs ECC：在嵌入式系统中，我更倾向于使用 ECC 而不是 RSA，原因很简单：ECC 在相同安全强度下，密钥长度更短，计算速度更快，占用的存储空间也更小。
比如 256 位的 ECC 密钥，安全强度相当于 3072 位的 RSA 密钥。
下面是一个使用 mbedTLS 库进行 ECC 签名验证的示例：
#include "mbedtls/ecdsa.h"
#include "mbedtls/entropy.h"
#include "mbedtls/ctr_drbg.h"
// ECC签名验证函数
int verify_firmware_signature(uint8_t *firmware, size_t fw_len,
uint8_t *signature, size_t sig_len)
{
int ret;
mbedtls_ecdsa_context ctx;
mbedtls_entropy_context entropy;
mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg;
uint8_t hash[32];
// 初始化
mbedtls_ecdsa_init(&ctx);
mbedtls_entropy_init(&entropy);
mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);
// 计算固件的SHA256哈希
mbedtls_sha256(firmware, fw_len, hash, 0);
// 加载公钥（这里假设公钥已经存储在设备中）
// 实际项目中，公钥通常烧录在OTP区域或者安全存储区
ret = load_public_key(&ctx);
if (ret != 0)
{
goto cleanup;
}
// 验证签名
ret = mbedtls_ecdsa_read_signature(&ctx, hash, sizeof(hash),
signature, sig_len);
cleanup:
mbedtls_ecdsa_free(&ctx);
mbedtls_entropy_free(&entropy);
mbedtls_ctr_drbg_free(&ctr_drbg);
return ret;
}
这个函数用于验证固件的数字签名，确保固件没有被篡改。
在实际项目中，我会在 Bootloader 阶段就进行签名验证，只有验证通过的固件才允许运行。
2.3 哈希算法
哈希算法用于生成数据的"指纹"，常用的有 SHA-256、SHA-3 等。
哈希算法有两个重要特性：单向性（不可逆）和抗碰撞性（很难找到两个不同的输入产生相同的输出）。
在嵌入式系统中，哈希算法主要用于：
- 固件完整性校验
- 密码存储（存储密码的哈希值而不是明文）
- 数字签名（先对数据进行哈希，再对哈希值签名）
#include "mbedtls/sha256.h"
// 计算固件的SHA256哈希值
void calculate_firmware_hash(uint8_t *firmware, size_t length,
uint8_t *hash_output)
{
mbedtls_sha256_context ctx;
mbedtls_sha256_init(&ctx);
mbedtls_sha256_starts(&ctx, 0); // 0表示SHA-256
mbedtls_sha256_update(&ctx, firmware, length);
mbedtls_sha256_finish(&ctx, hash_output);
mbedtls_sha256_free(&ctx);
}
// 验证固件完整性
int verify_firmware_integrity(uint8_t *firmware, size_t length,
uint8_t *expected_hash)
{
uint8_t calculated_hash[32];
calculate_firmware_hash(firmware, length, calculated_hash);
// 比较计算出的哈希值和预期的哈希值
if (memcmp(calculated_hash, expected_hash, 32) == 0)
{
return 0; // 验证通过
}
else
{
return -1; // 验证失败
}
}
3. 密钥管理
3.1 密钥存储
密钥的安全存储是整个加密系统的基础。
如果密钥泄露，再强的加密算法也没用。
在嵌入式系统中，密钥存储有几种方案：
硬编码在代码中：这是最不安全的方式，但我见过很多项目都这么做。
攻击者只要反编译固件，就能轻松找到密钥。
千万不要这样做！
存储在 Flash 中：比硬编码稍好一点，但 Flash 的内容可以被读取出来。
如果一定要存在 Flash 中，至少要对密钥进行加密存储，使用一个主密钥来加密其他密钥。
存储在 OTP 区域：OTP（One-Time Programmable）区域只能写入一次，写入后无法修改，而且通常有读保护功能。
这是比较安全的方式，我在项目中经常使用。
使用安全芯片：最安全的方式是使用专门的安全芯片（如 TPM、SE 等）来存储密钥。
这些芯片有防篡改机制，即使攻击者物理接触到芯片，也很难提取出密钥。
3.2 密钥派生
在实际应用中，我们通常不会直接使用原始密钥，而是通过密钥派生函数（KDF）从主密钥派生出多个子密钥。
这样做的好处是：
- 不同的功能使用不同的密钥，即使一个密钥泄露，其他功能仍然安全
- 可以定期更换子密钥，而不需要更换主密钥
#include "mbedtls/hkdf.h"
// 使用HKDF派生密钥
int derive_key(uint8_t *master_key, size_t master_key_len,
uint8_t *info, size_t info_len,
uint8_t *derived_key, size_t derived_key_len)
{
const mbedtls_md_info_t *md_info;
md_info = mbedtls_md_info_from_type(MBEDTLS_MD_SHA256);
return mbedtls_hkdf(md_info, NULL, 0,
master_key, master_key_len,
info, info_len,
derived_key, derived_key_len);
}
// 示例：派生不同用途的密钥
void generate_session_keys(uint8_t *master_key)
{
uint8_t encryption_key[16];
uint8_t authentication_key[32];
// 派生加密密钥
derive_key(master_key, 32,
(uint8_t *)"encryption", 10,
encryption_key, 16);
// 派生认证密钥
derive_key(master_key, 32,
(uint8_t *)"authentication", 14,
authentication_key, 32);
}
4. 安全启动（Secure Boot）
4.1 安全启动的原理
安全启动是嵌入式系统安全的第一道防线。
它的核心思想是：在系统启动的每个阶段，都验证下一阶段代码的完整性和真实性，形成一条信任链。
信任链的建立：
- 芯片厂商在芯片出厂时，会在 ROM 中烧录一段不可修改的启动代码（Boot ROM），这是信任的根（Root of Trust）
- Boot ROM 验证 Bootloader 的签名，确保 Bootloader 没有被篡改
- Bootloader 验证应用程序的签名，确保应用程序是可信的
- 只有验证通过，系统才会继续启动，否则进入安全模式或者拒绝启动
4.2 实现安全启动
下面是一个简化的安全启动流程示例：
#define APP_START_ADDR 0x08010000
#define APP_SIZE 0x00070000
#define SIGNATURE_ADDR 0x08080000
typedef void (*app_func_t)(void);
// 安全启动主函数
void secure_boot(void)
{
uint8_t *app_code = (uint8_t *)APP_START_ADDR;
uint8_t *signature = (uint8_t *)SIGNATURE_ADDR;
int ret;
// 1. 验证应用程序签名
ret = verify_firmware_signature(app_code, APP_SIZE,
signature, 64);
if (ret != 0)
{
// 签名验证失败，进入安全模式
enter_safe_mode();
return;
}
// 2. 验证应用程序哈希值
uint8_t expected_hash[32];
uint8_t calculated_hash[32];
// 从安全存储区读取预期的哈希值
read_expected_hash(expected_hash);
calculate_firmware_hash(app_code, APP_SIZE, calculated_hash);
if (memcmp(expected_hash, calculated_hash, 32) != 0)
{
// 哈希验证失败
enter_safe_mode();
return;
}
// 3. 验证通过，跳转到应用程序
app_func_t app = (app_func_t)(*(uint32_t *)(APP_START_ADDR + 4));
// 设置应用程序的栈指针
__set_MSP(*(uint32_t *)APP_START_ADDR);
// 跳转到应用程序
app();
}
// 安全模式处理
void enter_safe_mode(void)
{
// 记录错误日志
log_security_error();
// 可以尝试恢复出厂固件
// 或者等待通过安全通道更新固件
while(1)
{
// 闪烁LED指示错误
HAL_GPIO_TogglePin(ERROR_LED_GPIO_Port, ERROR_LED_Pin);
HAL_Delay(500);
}
}
5. 通信安全
5.1 TLS/DTLS 协议
对于需要网络通信的嵌入式设备，使用 TLS（传输层安全）或 DTLS（数据报传输层安全）协议是必须的。
TLS 用于 TCP 连接，DTLS 用于 UDP 连接。
在嵌入式 Linux 系统中，我通常使用 mbedTLS 库来实现 TLS 通信。
下面是一个简单的 TLS 客户端示例：
#include "mbedtls/net_sockets.h"
#include "mbedtls/ssl.h"
#include "mbedtls/entropy.h"
#include "mbedtls/ctr_drbg.h"
int tls_client_connect(const char *server_addr, const char *server_port)
{
int ret;
mbedtls_net_context server_fd;
mbedtls_ssl_context ssl;
mbedtls_ssl_config conf;
mbedtls_entropy_context entropy;
mbedtls_ctr_drbg_context ctr_drbg;
// 初始化
mbedtls_net_init(&server_fd);
mbedtls_ssl_init(&ssl);
mbedtls_ssl_config_init(&conf);
mbedtls_entropy_init(&entropy);
mbedtls_ctr_drbg_init(&ctr_drbg);
// 初始化随机数生成器
ret = mbedtls_ctr_drbg_seed(&ctr_drbg, mbedtls_entropy_func,
&entropy, NULL, 0);
if (ret != 0)
{
return -1;
}
// 连接到服务器
ret = mbedtls_net_connect(&server_fd, server_addr,
server_port, MBEDTLS_NET_PROTO_TCP);
if (ret != 0)
{
return -1;
}
// 设置SSL配置
mbedtls_ssl_config_defaults(&conf, MBEDTLS_SSL_IS_CLIENT,
MBEDTLS_SSL_TRANSPORT_STREAM,
MBEDTLS_SSL_PRESET_DEFAULT);
mbedtls_ssl_conf_rng(&conf, mbedtls_ctr_drbg_random, &ctr_drbg);
// 设置SSL上下文
mbedtls_ssl_setup(&ssl, &conf);
mbedtls_ssl_set_bio(&ssl, &server_fd, mbedtls_net_send,
mbedtls_net_recv, NULL);
// 执行SSL握手
while ((ret = mbedtls_ssl_handshake(&ssl)) != 0)
{
if (ret != MBEDTLS_ERR_SSL_WANT_READ &&
ret != MBEDTLS_ERR_SSL_WANT_WRITE)
{
return -1;
}
}
// 握手成功，可以开始安全通信
return 0;
}
5.2 消息认证码（MAC）
对于一些资源受限的设备，可能无法使用完整的 TLS 协议。
这时候可以使用消息认证码（MAC）来保证消息的完整性和真实性。
常用的 MAC 算法有 HMAC（基于哈希的消息认证码）。
#include "mbedtls/md.h"
// 计算HMAC
int calculate_hmac(uint8_t *key, size_t key_len,
uint8_t *message, size_t msg_len,
uint8_t *mac_output)
{
const mbedtls_md_info_t *md_info;
md_info = mbedtls_md_info_from_type(MBEDTLS_MD_SHA256);
return mbedtls_md_hmac(md_info, key, key_len,
message, msg_len, mac_output);
}
// 验证消息的HMAC
int verify_message_hmac(uint8_t *key, size_t key_len,
uint8_t *message, size_t msg_len,
uint8_t *received_mac)
{
uint8_t calculated_mac[32];
calculate_hmac(key, key_len, message, msg_len, calculated_mac);
if (memcmp(calculated_mac, received_mac, 32) == 0)
{
return 0; // 验证通过
}
else
{
return -1; // 验证失败
}
}
6. 防护措施和最佳实践
6.1 代码混淆和加固
即使使用了加密技术，如果攻击者能够轻松逆向你的代码，找出加密算法的实现细节，安全性还是会大打折扣。
因此，代码混淆和加固也很重要。
代码混淆技术：
- 控制流平坦化：把代码的控制流打乱，让逆向分析变得困难
- 虚假控制流：插入永远不会执行的代码分支，干扰静态分析
- 字符串加密：把代码中的字符串常量加密，运行时再解密
防调试技术：
- 检测调试器：通过检测调试寄存器、时间差异等方式判断是否在调试状态
- 反 JTAG：禁用或加密 JTAG 接口
- 读保护：启用芯片的读保护功能，防止通过调试接口读取 Flash 内容
6.2 安全更新机制
再安全的系统也可能存在漏洞，因此需要有安全的固件更新机制。
我在项目中实现 OTA（Over-The-Air）更新时，会遵循以下原则：
双区更新：Flash 分为两个区域，一个运行区，一个备份区。
更新时先把新固件写入备份区，验证通过后再切换。
这样即使更新失败，也能回退到旧版本。
增量更新：对于大型固件，可以只传输变化的部分，减少传输时间和流量消耗。
安全通道：固件传输必须使用加密通道，防止中间人攻击。
签名验证：新固件必须经过签名验证，确保来自可信的源。
// OTA更新流程
int ota_update(uint8_t *new_firmware, size_t fw_size,
uint8_t *signature)
{
// 1. 验证签名
if (verify_firmware_signature(new_firmware, fw_size,
signature, 64) != 0)
{
return -1; // 签名验证失败
}
// 2. 写入备份区
if (write_to_backup_area(new_firmware, fw_size) != 0)
{
return -2; // 写入失败
}
// 3. 验证写入的数据
if (verify_backup_area(new_firmware, fw_size) != 0)
{
return -3; // 验证失败
}
// 4. 设置启动标志，下次启动时切换到新固件
set_boot_flag(BOOT_FROM_BACKUP);
// 5. 重启系统
NVIC_SystemReset();
return 0;
}
6.3 日志和审计
安全事件的记录和审计也很重要。我在项目中会记录以下事件：
- 启动失败（签名验证失败、哈希验证失败等）
- 非法访问尝试
- 固件更新记录
- 密钥更换记录
这些日志可以帮助我们及时发现安全问题，分析攻击手段。
当然，日志本身也需要保护，防止被篡改。
7. 总结
嵌入式安全是一个系统工程，需要从硬件、软件、通信等多个层面来考虑。
我这些年做项目的经验告诉我，安全不是事后补救，而应该在设计阶段就融入到系统中。
虽然增加安全机制会带来一些额外的开发工作量和成本，但相比于出现安全问题后的损失，这些投入是完全值得的。
最后给大家几点建议：第一，不要自己发明加密算法，使用经过验证的标准算法。
第二，密钥管理是重中之重，一定要妥善保护。
第三，保持学习，安全技术在不断发展，攻击手段也在不断进化，我们需要持续关注最新的安全动态。
希望这篇文章能够帮助大家更好地理解嵌入式安全和加密技术，在实际项目中应用这些知识，开发出更安全可靠的嵌入式系统。
更多编程学习资源
