信息安全专题 | 安全存储（2）STM32WB的用户密钥存储 (CKS)

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我们都知道STM32WB是双核多协议无线微控制器，即主频为64 MHz的 Arm®Cortex®‐M4内核（应用处理器）和主频为32 MHz的Arm®Cortex®‐M0+内核（网络处理器），支持Bluetooth™ 5和IEEE 802.15.4无线标准。双核的好处是可以优化对资源的安全使用，保证和RF协议栈相关处理的实时性，并可同时提供电源管理的灵活性。

STM32WB的信息安全是以双核隔离为基础的。

STM32WB双核架构和双核间的隔离机制

调试端口访问：

出厂的芯片缺省关闭CM0+一侧的调试端口访问，即使在RDP0的状态下也只能调试CM4内核。

Option Byte：

OptionByte中包含双核隔离相关的安全设置，例如CM0+才能访问的Flash区间等等。这些OptionByte受到保护，无法随意被修改。缺省出厂芯片已经使能CM0+的保护，相关的一些OptionByte设置无法通过调试端口或CM4进行修改。

片上Flash：

Flash的一部分只能由CM0+访问，CM4无法对该部分Flash进行读、写、擦。

片上SRAM：

SRAM的一部分只能由CM0+访问，CM4无法对该部分SRAM进行读、写。

CRYPTO硬件资源：如AES，TRNG，PKA

系统上电复位时，缺省CRYPTO相关的硬件CM4可以使用。CM0+内核可以通过修改SystemConfig相应的寄存器使得这些硬件资源只能由CM0+内核进行控制，也称为把这些硬件资源配置成Secure访问模式。其中当AES1被配置为Secure时，CM4内核无法访问密钥寄存器，但是依旧可以访问AES1的其他寄存器使用AES1硬件单元进行加解密操作。

CKS(Customer Key Storage)

AES算法是应用程序中经常用到的一种保障数据机密性和完整性的方法，例如用于隐私数据的加密存储、加密通信等。其中，密钥作为最敏感的信息也需要受到保护。

STM32WB的CKS功能提供在MCU上的密钥安全存储和安全使用方法 ：

• 存储在片上安全Flash的密钥无法通过调试端口获取（即使在RDP0条件下）
• 运行在CM4内核的应用程序代码也无法获得片上安全Flash中存储的密钥，避免软件漏洞带来的风险
• 应用程序代码依旧能够通过CKS和AES1硬件模块使用存储的密钥进行加解密操作
• CKS能够存储多组密钥，应用程序代码可以通过密钥索引来指定AES运算所使用的密钥
  

用户密钥存储

用户密钥存储在"安全"Flash区域，用户代码和调试端口不可访问

• CKS最多可以存储100个用户应用密钥（用于AES运算）
• 允许存储128位或者256位的AES密钥
  1 M8 d( l- G0 i& Y: U

对密钥的操作只能通过用户代码调用FUS接口完成

• 把密钥写到“安全”Flash区域，需要安全的操作环境
  

用户密钥的写入 (Key Provisioning)

可以通过用户代码完成，也可以通过CubeProgrammer的GUI或者命令行完成

• 写入应用密钥的明文//simple key，需要安全的操作环境
• 写入应用密钥的密文//encrypted key，无需安全的操作环境
• 基于AES-128 GCM
• 写入用于解密encrypted key的密钥的明文//master key，需要安全的操作环境
  

该操作在手册中用“write”或“load”表示

用户密钥的写入通过应用代码实现

参考例程：

• STM32Cube_FW_WB_Vxxx\Projects\P-NUCLEO-WB55.Nucleo\Applications\CKS\
• 给CKS_param赋值
    F( ?& R7 f. n8 [7 w

1. typedef PACKED_STRUCT{
   
2. uint8_t KeyType;
   
3. uint8_t KeySize;
   
4. uint8_t KeyData[32 + 12];
   ! A, K) }1 X: V' U, d8 P
5. } SHCI_C2_FUS_StoreUsrKey_Cmd_Param_t;
   6 ~$ c/ U4 j4 ^/ q2 D/ D  v5 R
6. SHCI_C2_FUS_StoreUsrKey_Cmd_Param_t CKS_param;
   9 a' r& P2 r/ Z
7. CKS_param.KeyType = …;
   ; p) n2 }' U1 N8 V
8. CKS_param.KeySize = …;
   
9. memcpy(CKS_param.KeyData, pKeySimple_128, 16)

复制代码

' f1 }1 J1 B5 z0 y: o7 q  w* G

调用FUS服务：SHCI_C2_FUS_StoreUsrKey

• 输入：CKS_param结构体
• 输出：芯片为该密钥分配的索引
  . T0 p2 U* K! V

1. SHCI_C2_FUS_StoreUsrKey (&CKS_param, &key_simple_128_idx );

复制代码

用户密钥的写入使用STM32CubeProgrammer GUI实现

STM32CubeProgrammer 从2.4版本开始支持

• 芯片切换到系统 Bootloader 启动运行DFU，
• STM32CubeProgrammer 以USB方式连接芯片
  # g: G# Q9 X/ F% C

步骤：选择KEY文件 ——> 指定KEY类型 ——> 写入KEY

注意：GUI界面没有返回为该密钥分配的索引，需要用户自己记录

应用密钥的装载和使用

Load：AES1的密钥装载

• SHCI_C2_FUS_LoadUsrKey (key_simple_128_idx)该操作会把AES1密钥寄存器配置成Secure
• SAES1@SYSCFG_SIPCR
  

• 只能由运行在CM0+上的FUS来配置
• 运行在CM4上的用户代码可以读取其状态
• 安全状态和AES1时钟是否使能没有关系
  , ~! \$ f' b" Z; ]

使用步骤

Step1：AES1模块初始化

• 初始化结构体的pKey，设置为空指针即可
• 使能AES1时钟
  

Step2：密钥装载

• 要在AES1模块disable1的时候 (EN=0)
  # `7 M4 U; A6 s6 U* i2 l  c5 s' C

Step3：使用AES1做加解密

1. hcryp1.Init.DataType = CRYP_DATATYPE_8B;
   
2. hcryp1.Init.KeySize = CRYP_KEYSIZE_128B;
   
3. hcryp1.Init.Algorithm = CRYP_AES_CBC;
   8 J3 i1 h0 Z1 q- |1 X
4. /* Key will be provided by CKS service */
   
5. hcryp1.Init.pKey = NULL;
   . r- N, f! b( f: j
6. hcryp1.Init.pInitVect = AESIV;
   
7. HAL_CRYP_Init (&hcryp1);
   6 c. I; }& S1 w$ I
8. SHCI_C2_FUS_LoadUsrKey (key_simple_128_idx);
   
9. HAL_CRYP_Encrypt(&hcryp1, Plaintext, size, EncryptedBuf, timeout)

复制代码

7 {& H3 f* }8 e/ M* G3 A8 s

应用密钥的使用

Lock：

• SHCI_C2_FUS_LockUsrKey (key_simple_128_idx)
• 对某个key lock之后，将无法再对该key进行 Load操作，再次Load该Key时FUS API返回 错误代码0xFF；但是不影响已经在AES1密 钥寄存器中的key
• 对该key load的禁止操作，会一直生效直到 下次系统复位
  - c" g0 s& L. f- W3 `7 g, l  F

注意事项：关于后续更新

• 为了避免有效密钥一直存在于AES1密钥寄存 器中，建议使用完毕后Load一个dummy key 或者disableAES1
• 后续FUS版本（从STM32CUbeWB1.11开始）会增加API：Unload
• 早期出厂芯片预装的FUS版本较老，在FUS升级的时候，通过CSK存储在芯片里的用户 key会被擦除
• 从FUS1.1.1.1或者FUS1.2.0开始，再做FUS升 级，不会影响到已经存在的用户key 应用密钥的使用
  * T: a. Z% Z0 w* c& s& ?6 y

小结

使用CKS对AES密钥进行保护，与传统的直接将AES密钥存储在Flash中的做法有明显的优势：

• CKS存储的密钥数据无法通过调试端口获取，已经存储的密钥数据，即使在RDP为0的情况下也不能通过调试端口访问。
• 密钥使用过程中应用程序代码虽然可以使用密钥进行加解密操作，但是始终无法直接获取密钥数据本身，降低了软件漏洞可能带来的风险。
  

© THE END

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