使用STM32H7 安全新特性实现敏感数据(密钥)的安全存储与使用

密钥的安全存储与使用

安全通信、用户数据加密存储等都离不开密钥，密钥安全存储与使用是嵌入式系统中常见的安全功能需求之一。MCU上对于密钥的保护通常会从几个方面着眼 ：

• 调试端口访问：避免通过调试端口获取密钥，通常通过调试端口保护机制来实现

• 软件代码访问：禁止任意软件直接读取密钥，避免由于软件漏洞可能带来的密钥被恶意代码获取的风险，可以通过隔离机制来实现

• 运行期间对密钥使用的保护：如果加解密操作通过软件实现，那么软件隔离机制是方法之一；如果加解密操作可以通过硬件单元完成，那么让密钥只能由硬件直接操作而不允许CPU/DMA访问也是一 种有效的方法

STM32H7新特性提供基于片上Flash的安全存储

• 调试端口连接可控：在RDP0条件下也可实现对调试端口的保护:上电调试接口即不可连接(类似RDP2的效果)；比RDP2更灵活:可以由用户代码控制调试端口访问权限，实现安全调试，并保留修改选项字节的可能性

• PCROP区域阻断D-Bus访问，防止程序窃取敏感数据

• 用户片上Flash进一步隔离：保护根密钥不被木马程序盗取

• CRYP的KEY寄存器具有只写属性：普通代码可以使用它对存储在普通区域的敏感数据密文做解密操作，但是无法拿到密钥本身

PCROP保护的设置和撤销

• PCROP区域的设置：每个bank可设置一个PCROP区:大小从512字节到整个bank;粒度，256字节；由以下选项字节指定有效范围PROT_AREA_START1/2、*** _END1/2；起始地址 > 结尾地址，保护无效

• PCROP区域范围只能增大，不能减小，除非撤销区域保护后重新设置范围

• PCROP区域的撤销：RDP降级 + PCROP范围无效，同时进行；若此时RDP=0，要先升级到RDP1再做降级

• PCROP区域的保留-由于其他原因需要做RDP降级，但同时想保留PCROP区域里的内容，以及保护效果：区域范围保持不变(起始地址 < 结束地址)；DMEP1/2 = 0

STM32H7上的安全存储

▲ STM32H7上的安全存储. 启动代码

▲ STM32H7上的安全存储. 应用代码

▲ 安全STM32H7 安全存储示例

安全存储例程使用说明

• 解压缩软件包，使用熟悉的IDE分别打开Boot和App两个工程，分别编译

• App工程可以使用IDE或者熟悉的烧录工具下载

• Boot工程：Boot工程image，占据片上Flash第一个Sector;密钥恢复函数所在的PCROP区域，也在第一个Sector里面；使用IDE对Boot工程编译即可，得到Boot.hex。不要继续使用IDE来下载

• 密钥恢复函数的生成和下载：到命令行窗口，分别使用两个脚本生成 “密钥恢复函数”，以及下载密钥 和Boot image到片上Flash的第一个Sector(如下图)

• 打开串口调试助手:115200波特率，8bit数据位，1bit停止位;无校验位，无流控

• 启动STM32H753-Nucleo板(复位按键+用户按键)

▲ Boot 工程菜单

密钥的预装载和后续使用

• 密钥，由运行于安全用户存储区的Boot在上电的时候从PCROP保护区域执行代码，预装到CRYP硬件模块的密钥寄存器，该寄存器具有“WO”属性

• 在后续的CRYP操作中，HAL驱动不能再去修改密钥寄存器，因而示例程序中的HAL Driver已经做了如下一些修改：仅仅在初始化结构体中，使用空指针赋值pKey是不够的；还需要对初始化结构体中的KeyIVConfigSkip成员进行特别规定，添加新的选项(***_Never)

▲ App工程

▲ 加解密操作的验证

▲ AES-GCM 注意事项

注意事项

• SEC_AREA没有安全区时，只能由RSS来初始化;有了安全区后，运行在其中的代码可以修改SEC_AREA;STM32CubeProgrammer是无法操作SEC_AREA成功的

• SECURITY=1，IDE下载可能会失败;要么从STM32CubeProgramer连接后，清零SECURITY;要么修改工程的复位连接方式

调试Boot工程 (对PCROP区域代码的调用)

• Flash保护没有打开时，可以在Boot工程调试PCROP区域里的 “密钥恢复函数”

• Boot image和 “密钥恢复函数”，在同一个可擦除Sector，由脚本一起烧录

• 调试Boot image时，需要去掉对应的flash loader设置:三种IDE配置如下

密钥恢复函数

• 使用脚本把密钥数据转换成 “密钥函数”

• 把密钥恢复到该函数的调用参数中：fp ((uint8_t *)&(CRYP->K2LR)) // 给CRYP使用；fp(&key[0]) // 用于打印到串口屏幕，供第三方 加解密工具做同样操作，来比对加解密结果

• 为进一步提高安全性：密钥恢复函数不接受任何参数，固定是把密钥恢复到CRYP密钥寄存器中；参见 “密钥函数” 生成脚本做相应修改

小结

安全STM32H7能够提供片上存储的安全性安全硬件，助力安全存储：

• 安全用户存储区-选项字节设置，上电即生效

• PCROP保护-选项字节设置，上电即生效

• CRYP密钥寄存器WO

• 调试端口连接可控 — 上电缺省不可连接