2023年02月28日 | STM32安全固件更新的安全挑战

2023-02-28 来源：zhihu

固件更新是我们软件生命周期中必须面临的问题。软件生命周期中有多种原因让我们需要固件更新，而固件更新也会带来安全问题，如使用固件更新来攻击电子钱包。

STM32 已经提供了很多的安全技术来应对固件更新的安全挑战。在这里和大家一起探讨，如何利用 STM32 安全技术，软件以及硬件安全技术，进行安全的升级固件。

讲座内容既包括了固件更新的一般原理，以及安全固件更新的额外设计。

安全固件更新离不开安全启动。STM32 安全启动为 STM32 安全固件更新提供了安全的运行环境。

什么是安全固件更新?

固件更新是指部分或者完全替换设备上的软件的操作，包括添加新应用，修改已有功能，或者去修复软件里的问题。安全固件更新，则是以安全的方式去实施固件更新。安全，也就是是防止固件在更新实施过程中被修改，被假冒以及被窃取的威胁。安全的三要素是保密，完整，可用，需要在安全固件更新的准备以及实施过程得到保证。完整可靠属于我们谈到的安全属性里的完整属性。

- 保密

- 完整

- 可靠

新功能带来新弱点，为什么需要固件更新

“离开软件，芯片就是一堆沙子”( Silicon Without Software is Just Sand)。芯片确实是从沙子中来。芯片需要晶圆，晶圆就是纯化的硅，需要从沙子中提炼。但是芯片有了软件，就可以执行各种各样的输入输出与计算，如同黄金般的珍贵。这句话还可以加一句，“离开固件更新，芯片就在回归沙子的路上＂。因为，如果没有固件更新，软件不再适合应用场景，或者停止工作，那么这个芯片也可以说重新变成了沙子。

固件更新很重要，可以从以下几个方面理解：

① 固件更新可以解决系统的功能缺陷或者安全漏洞。

软件总是人开发的，人总是不完美的。人类要想在软件中一个Bug 都没有，那几乎是不可能的事情。所以固件更新的一个最重要的用途，就是给开发人员一个修改的机会，在这个产品生命周期内修复系统缺陷。这些缺陷也可以包括安全弱点。

② 固件更新可以给系统提供新功能新价值。

我们的安卓手机，在硬件不变的情况下，新的功能可以通过安装新的App 获得。同样，对于MCU 来说，固件更新可以提供先前所没有的价值。

③ 固件更新可以帮助产品加快进入市场的进度。

完全可以先实现一个最小的完备系统，支持基础性功能，同时带有固件更新的能力。那么，产品就可以进入工厂进行制造，不需要等待所有功能完成。这样可以加快进入市场的进度。

④ 固件更新可以降低设备的维护成本

有了固件更新，可以要求所有的设备都运行在某一个版本或者该版本之上。那么，支持的版本个数就减少了，从而支持多个版本的成本就可以显著降低。

为什么需要安全固件更新？

固件更新作为一个系统的修改入口，是可以被恶意的攻击者利用。同时，对安全来说，新功能总会带来新弱点，固件更新的自身的功能设计也可能带来新的安全弱点。黑客可以有多中手段对固件更新进行攻击。

① 攻击固件本身

黑客可以在更新的起点替换固件。如果固件来源不可靠，则固件轻则不能运行，重则运行起来破坏这个设备。同样如果这个固件是不完整的，被破坏了，则固件更新了，还能不能运行就是个问号。如果固件一部分被注入了恶意软件，则固件更新之后系统就有了后门，也就相当于家里进了小偷或者强盗。

② 攻击固件传输的过程

如果在固件传输过程中，没有做到保密，则固件可以被所有人获得。同样，固件在传输过程中也可能被人为修改。

③ 攻击固件烧写的过程

即使我们在固件传输过程采取了固件加密措施，如果设备在烧写固件时，不采取相应的安全防护，那么固件的内容还是通过固件更新的过程泄密了。

④ 攻击固件的存储位置

固件的存储位置对固件更新的安全也有影响。当然，即使没有固件更新，用户固件存储的位置也会对系统安全的作用也不可忽视。

a. 存储在MCU 内部

用户固件可以存储在MCU 内部。存储在MCU 内部，可以很方便的使用MCU 自带的硬件安全技术来保护固件。例如，使用STM32 的RDP 级别2 来防止外部攻击，保护固件的保密，以及固件的完整可靠性。

b. 使用外扩Flash

外扩Flash 会带来极高的风险。攻击者可以将Flash 吹掉，放在读写器上读出Flash 里的内容。同时，外扩Flash 的引脚，会暴露在攻击者的枪口之下，即使固件得到验证后，也不应该直接从外扩Flash 直接执行。攻击者完全可以欺骗安全启动，在执行的一刹那，将外扩Flash 换成不安全的内容(hot-swapping)。

- 攻击固件的版本

就像我们提到的，新的版本可以解决系统的bug。这些bug 可以包含系统可能被攻击者利用的安全弱点。理论上新的版本总是比旧的版本要安全。而攻击者则反其道而行之，他们可以利用旧的版本来替换新的版本，从而降低系统的安全性。

a. 旧的版本

攻击者可以故意利用旧版本来替换新版本。旧版本带有明显的安全漏洞，则攻击者会利用该漏洞作为入口对系统进行攻击。

b. 介于新旧之间的版本

对于离线设备，攻击者可以利用一个有弱点的中间版本，来攻击设备。该中间版本，比设备上的版本新；但是又不是厂家的最新版本。在这种情况下，设备是很难分辨是否应该要升级。

STM32 安全固件更新

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