[发明专利]一种嵌入式分区映像安全认证及内核可信引导方法及其设备

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式系统安全领域，尤其涉及一种嵌入式分区映像安全认证及内核可信引导方法及其设备。

背景技术

嵌入式系统应用开发不同于PC机，其开发过程同时涉及软硬件，需要将硬件平台的设计、操作系统以及上层应用开发综合考虑。由于应用和成本约束，嵌入式系统的硬件平台需根据应用量身定制，通常所用的PMU、存储器、外围设备等有多种选择余地，而且软件调试技术特殊，使得嵌入式平台的操作系统多样化并且差异化比较大，但是各种嵌入式操作系统从上电到系统启动完成的整个过程即嵌入式系统的引导和启动过程基本是一致的，差别主要是体现在各个系统在这一系列过程中的具体操作，比如对某一硬件的初始化流程、对文件系统的操作方式等，而系统的装载、执行过程再无大的差别。对于嵌入式操作系统来说，如图-1，其启动过程大致可以划分成三个阶段，即系统引导过程、操作系统内核启动过程、文件系统加载过程。

嵌入式系统的引导程序通常称为Bootloader，类似于PC系统上的BIOS。嵌入式系统的Bootloader一般由两部分构成：第一部分是片上(SOC)及板级系统(BSP)初始化代码，主要功能是通过设置MCU功能寄存器初始化各硬件单元初始工作模式，如设置时钟、存储器访问时序、中断控制寄存器等，完成内存映射，初始化MMU/MPU，初始化系统中断向量表等；第二部分是加载嵌入式操作系统内核程序，其功能是将操作系统内核映像从只读存储器装载或拷贝到系统RAM中，并跳转到内核映像入口处继续执行然后将系统控制权交给操作系统。嵌入式操作系统是嵌入式系统加电运行后的资源管理(包括硬件及软件资源)及调度平台，负责嵌入式实时任务的管理。如图-1基于以上两部的引导和执行，完成了系统引导及系统内核加载运行(注：嵌入式操作系统执行环境的初始化代码主要由硬件抽象层HAL代码、设备驱动程序初始化代码和操作系统执行初始化代码三部分构成)。操作系统加载运行后，将启动文件系统加载，文件系统存储了系统配置文件、系统程序、用户应用程序和必需的驱动程序，文件系统和操作系统紧密相连，对文件系统的操作和管理都由操作系统来完成。如图-2所示，嵌入式系统引导启动是一个线性的过程，在这个过程中Bootloader扮演极其重要的角色，操作系统以及后面的应用程序都由他装载并获得执行。在加载操作系统内核时有两个必要条件，包括：操作系统内核入口地址；操作系统内核初始化参数。操作系统内核入口地址由Bootloader在装载内核映像文件时根据映像文件的描述信息查找到其入口位置并记录该位置相对起始的偏移量，然后在合适的时机直接跳转到内核入口处开始执行内核程序。Bootloader根据系统的启动模式加载与模式相匹配的环境配置文件，然后生成内核执行时所需要的初始化参数，在引导内核启动时传给操作系统内核。目前嵌入系统所使用的Bootloader不是由芯片厂商提供的就是使用开源的项目，正是由于Bootloader的开放性使得其很容易被有针对性地分析研究，也即如果没有安全机制的嵌入，则嵌入式系统或应用程序极有可能存在被恶意篡改、安装后门等风险，给用户的利益和安全带来极大危害。为了尽量避免这种安全风险，目前各大厂商为了获得独有的系统价值、系统的稳定运行、用户信息安全等，采取的主要措施是对系统Bootloader加锁。加锁的Bootloader仅能引导原厂提供的固件，对任何第三方固件都不予识别，加锁后的Bootloader虽然第三方不能更改Bootloader的行为，但是仍可以对系统的启动过程进行监听分析，然后绕过Bootloader威胁系统安全。