再筑安全屏障 SSD Secure Boot 功能简析

在数据中心中，云服务器由各种处理设备和外围组件（如加速器和存储设备）组成，这些设备通常都运行着固件。对云平台服务商来说，为保证这些设备的安全可靠，需要一种或多种机制，来保证这些设备在测试，运输，安装和使用期间都能拥有完整性校验的保护机制，禁止未经授权的代码执行并抵御潜在的攻击。

 

Secure Boot正是为此而生。它是由OCP（Open Compute Project）Security Workgroup制定的标准规范，允许设备在加电/重置之后、正式启动之前，对固件的完整性进行验证，只有验证通过，设备才被允许加载固件，进入正式的启动流程。

 

 

RoT和CoT

 

以SSD为例。要实现Secure Boot功能，SSD需要同时实现RoT（Root of Trust，信任根）和CoT（Chain of Trust，信任链）两个重要功能。RoT必须是不可变的，不被外部访问或修改，它负责对CoT进行完整性校验，而CoT又负责对主Firmware进行完整性校验。Secure Boot的大体流程如下所示：

 

 

 

签名的生成和校验

 

在存储设备中，数字签名通常用来检测数据的完整性，也就是数据是否有被篡改。数字签名算法包括签名的生成过程和签名的验证过程。每个数字签名都有相应的密钥对（Key Pairs），即我们常说的公钥和私钥，它们归签名的签署者（如OEM厂商）所有，签署者也是唯一被授权使用私钥生成数字签名的实体。

 

 

上图是数字签名的生成和验证过程：

 

• 数字签名生成过程：数据通过特定的哈希函数转换为固定长度的数据摘要，摘要通过私钥和数字签名算法形成数字签名。

 

• 数字签名验证过程：数据通过特定的哈希函数转换为固定长度的数据摘要，摘要通过公钥、数字签名和数字签名验证算法，验证被签名的数据是否具有完整性。

 

需要指出的是，私钥是签署者独有的，必须保持机密，不被公开；公钥则不需要保密，只需要保持其完整性即可，任何人均可使用公钥验证签名是否正确。

 

 

Secure Boot具体流程

 

所有支持Secure Boot功能的SSD通常会在其主控芯片内存在一个固定的、不可修改的Boot ROM单元，它是重要的RoT信任根，也是SSD上电/重置后执行的第一个组件，负责初始化Secure Boot功能，并对信任链CoT加以验证。

 

同时，在主控芯片中还存在另一个重要的RoT信任根——eFuse，负责存储公钥的摘要，也是固定在主控芯片中的根秘钥。

 

• Boot ROM首先会读取签名固件中的公钥，并把引导程序（Boot Loader）从EEPROM（或Nor Flash）中的已知位置读取到主控芯片内部的SRAM当中。注意：在进行数字签名验证和安全引导的时候，没有任何接口或外部端口可以访问内部SRAM的这个区域。

 

• Boot ROM在SRAM中计算签名固件中的公钥的哈希值，并与存储在eFuse中的根密钥的哈希值进行比较。二者如果匹配，说明公钥是完整的、可信的。

 

• Boot ROM使用该公钥对Boot Loader FW进行签名校验，通过进一步的复杂计算，获取到Boot Loader FW的摘要，并将其与用于签名Signature的摘要进行比较, 如果匹配，将进入Boot Loader FW的加载引导流程。

 

Firmware Image校验流程（引自OCP Hardware Secure Boot文档）

 

• Boot Loader校验无误后，会作为信任链CoT中的可信组件，对Main Firmware进行签名校验。如果签名的摘要校验无误，将继续进行Main Firmware的加载引导流程。至此，Secure Boot流程完成。

 

 

Secure Boot算法

 

• 对于可变代码（如Firmware）的摘要生成或公钥的生成，一般要求SHA2-256或更高级别算法；

 

• 对于Firmware Image签名的生成，可遵循多种算法，常见规范如下：

RSA PSS PKCS#1 v2.1, 3072 bit 密钥长度或更高

ECDSA 384 bit 密钥长度或更高

Digital Signature Standard (DSS) FIPS 186-4

 

• 如果需要对Firmware Image进行加密，加密算法一般遵循AES-256，AES模式可选择AES-GCM、AES-CBC或AES-XTS。

 

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参考文献

Hardware Secure Boot 1.0 by OCP Security workgroup
NIST.FIPS.186-4
NVM-Express-Base-Specification-2.0b-2021.12.18-Ratified.pdf