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混混小说衡镶入:SNVS Master Key仅在i.RDRT10kx Hab解除时才能用于更换墨粉盒加解密


  大家好,我是痞子衡,是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家介绍的是i.MXRT系列中数据协处理器DCP使用SNVS Master Key加解密的注意事项

  i.MXRT不仅仅是处理性能超强的MCU,也是安全等级极高的MCU。如果大家用过痞子衡开发的一站式安全启动工具 NXP-MCUBootUtility,应该会从其 用户手册 3.3节中了解到i.MXRT支持的几种安全启动等级,其中HAB加密启动方式和BEE/OTFAD加密启动方式中都提及了一种神秘的密钥 – SNVS Master Key,今天痞子衡就跟大家聊聊这个密钥用于DCP模块的注意事项(文中仅以i.MXRT1060为例,其他RT10xx型号或许有微小差别)。

一、DCP模块简介

  先来给大家科普下DCP模块,DCP是Data Co-Processor的简称,从名字上看是个通用数据协处理器。在i.MXRT1060 Security Reference Manual中有一张系统整体安全架构简图,这个简图中标出了DCP模块的主要功能 :CRC-32算法、AES算法、Hash算法、类DMA数据搬移。

混混小说衡镶入:SNVS Master Key仅在i.RDRT10kx Hab解除时才能用于更换墨粉盒加解密

  看到DCP支持的功能,你就能明白其模块命名的由来了。本质上它就是一个数据处理加速器,如果说CRC-32/Hash算法只是算出一个结果(下图中Mode3),而AES算法则是明文数据到密文数据的转换(存在数据迁移,下图中Mode2),DMA式数据搬移则更明显了(下图中Mode1),DCP内部集成了memcopy功能,可以实现比普通DMA方式效率更高的内存到内存数据块搬移,memcopy功能还支持blit模式,支持传输矩形数据块到frame buffer用于LCD显示。

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  我们今天主要是聊DCP的AES加解密功能,其支持AES-128算法,包含Electronic Code Book (ECB)和Cipher Block Chaining (CBC)模式,算法标准符合 NIST US FIPS PUB 197 (2001)规范,AES运算的最小单元是16字节。

二、DCP-AES密钥来源

  对于加解密而言,一个很重要的特性就是密钥管理。DCP的AES密钥(长度均为128bits)来源很丰富,按性质可分成四类:

  • SRAM-based keys: 用户自定义的存放于SRAM中的密钥,最终会被写入DCP的KEY_DATA寄存器中,最多四组。
  • Payload key: 用户自定义的跟加解密数据放一起的密钥,操作时DCP直接解析。
  • eFuse SW_GP2 key: 用户烧录到eFuse SW_GP2区域的密钥,可锁定住让软件无法访问,但DCP可通过内置专用途径获取到。
  • SNVS Master key: 芯片出厂时预存的唯一密钥,密钥值无法获知,DCP可通过内置专用途径获取到。

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  选用SRAM-based keys和Payload key仅需要在DCP模块内部配置即可,而选用eFuse SW_GP2 key和SNVS Master key则要在如下IOMUXC_GPR寄存器中额外设置。

  IOMUXC_GPR_GPR10寄存器用于选择Key是来自eFuse SW_GP2还是SNVS Master Key:

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  IOMUXC_GPR_GPR3寄存器用于选择Key是来自SNVS Master Key(总256bits)的低128bit还是高128bit(注意此寄存器对eFuse SW_GP2其实不生效,因为SW_GP2仅128bits):

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三、什么是SNVS Master Key?

  SNVS全称Secure Non-Volatile Storage,它既是DCP的配套模块,也是芯片系统的安全事务监测中心。它能够提供一个独特的Master Key给DCP模块,这个Master Key可有三种产生方式(在SNVS_LPMKCR中设置):

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  • OTPMK:这种就是直接使用eFuse里出厂预烧录的OTPMK(256bits),这个OTPMK是每个芯片唯一的,并且被锁住了软件不可访问。
  • ZMK:这种是利用存在SNVS_LP ZMKRx寄存器组中的密钥,该秘钥可由用户写入,此密钥在芯片主电源断掉时会继续保留(因为在LP域可由纽扣电池供电),在芯片受到安全攻击时密钥会被自动擦除。
  • CMK:前两者组合后的Key,即OTPMK和ZMK的异或结果。

  一般来说,使用最多的SNVS Master Key就是默认的OTPMK。

四、两种DCP驱动

  关于DCP模块的驱动,在下载的芯片SDK包里有两种:

  • ROM版本:\SDK_2.x.x_EVK-MIMXRT1060\devices\MIMXRT1062\drivers\fsl_dcp.c
  • SDK版本:\SDK_2.x.x_EVK-MIMXRT1060\middleware\mcu-boot\src\drivers\dcp\fsl_dcp.c

  middleware里的DCP驱动是ROM team负责的,他们是在芯片Tapeout之前写的,属于早期驱动;device包里的DCP驱动才是SDK team负责的,是芯片Tapeout之后写的,是正式版本。

  两版驱动都实现了AES加解密,不过代码风格不同。比如ROM版本驱动的dcp_aes_ecb_crypt()函数同时支持加密和解密模式,而在SDK版本驱动里则分成两个函数:DCP_AES_EncryptEcb() – 加密 、DCP_AES_DecryptEcb() – 解密。

五、DCP正确获取SNVS Master Key

  前面铺垫了那么多,终于来到正题了。DCP模块如何拿到正确的SNVS Master Key?让我们以\SDK_2.x.x_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\driver_examples\dcp 例程来做个测试。

  这个dcp例程演示了五种DCP工作模式,我们就测试第一种TestAesEcb(),将宏DCP_TEST_USE_OTP_KEY改为1,即使用OTPMK低128bits作为DCP的密钥:

#define DCP_TEST_USE_OTP_KEY 1 /* Set to 1 to select OTP key for AES encryption/decryption. */
int main(void)
{
dcp_config_t dcpConfig;
// ...
/* Initialize DCP */
DCP_GetDefaultConfig(&dcpConfig);
#if DCP_TEST_USE_OTP_KEY
/* Set OTP key type in IOMUX registers before initializing DCP. */
/* Software reset of DCP must be issued after changing the OTP key type. */
DCP_OTPKeySelect(kDCP_OTPMKKeyLow);
#endif
/* Reset and initialize DCP */
DCP_Init(DCP, &dcpConfig);
/* Call DCP APIs */
TestAesEcb();
// ...
}

  在初始芯片状态(Hab Open)下,使用J-Link下载工程进RAM直接单步调试看一看,在执行完DCP_AES_EncryptEcb()函数后查看cipher[]数组,可以看到其值为0xCF, 0x2E, 0xA3…,好吧我们根本不知道SNVS Master Key到底是多少,所以这个密文是否正确也无从知晓。

混混小说衡镶入:SNVS Master Key仅在i.RDRT10kx Hab解除时才能用于更换墨粉盒加解密

  既然无法得知SNVS Master Key,那我们做个小实验,使用SRAM-based keys来做一次加密,密钥姑且设个全0吧,再看一下结果,你发现了什么,cipher[]的值是不是很熟悉?跟之前SNVS Master Key加密的结果一致,难道这颗芯片的SNVS Master Key是全0?想想不可能,肯定是流程哪里出了问题!

混混小说衡镶入:SNVS Master Key仅在i.RDRT10kx Hab解除时才能用于更换墨粉盒加解密

  现在让我们再回忆 MCUBootUtility 用户手册里关于测试HAB加密以及BEE/OTFAD加密使用SNVS Master Key的前提条件,是的,芯片状态需要先设置为Hab Close,好,让我们现在在eFuse里将SEC_CONFIG[1:0]设为2’b10(Hab Close),然后再次使用J-Link调试进去看一看,怎么回事?cipher[]值依旧是0xCF, 0x2E, 0xA3…

混混小说衡镶入:SNVS Master Key仅在i.RDRT10kx Hab解除时才能用于更换墨粉盒加解密

  上面的测试对TestAesEcb()函数做了一个简单的修改,将cipher[]值通过串口打印出来,那我们就将程序通过NXP-MCUBootUtility下载到Flash里由ROM来启动运行吧(退出调试状态),我们再来看串口打印,哈哈,终于值变了,这意味着DCP终于拿到了正确的SNVS Master Key(非0)。

混混小说衡镶入:SNVS Master Key仅在i.RDRT10kx Hab解除时才能用于更换墨粉盒加解密

  总结一下,SNVS Master Key仅在芯片Hab状态是Close并且非调试状态下才能被DCP正常获取,否则DCP获取到的是全0的假Key。

  至此,i.MXRT系列中数据协处理器DCP使用SNVS Master Key加解密的注意事项痞子衡便介绍完毕了,掌声在哪里~~~

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