STM32F103RB的 Bootloader軟件安全設計方案

1 篡改攻擊風險研究
1．1 研究的意義
嵌入式系統產品的開發往往成本高、開發周期長，一旦產品中的嵌入式軟件被抄襲或盜竊都將給廠商帶來巨大的損失。隨著嵌入式處理器設計技術的發展，對片內Flash中的代碼保護也日漸完善。芯片在保護狀態下，可以完全禁止通過調試接口或SRAM中運行的程序讀取Flash內容，但產品階段保存在Flash中的代碼運行時對自身的讀取是允許的，如果非法使用者通過特殊手段篡改了Flash中的部分代碼為非法讀取程序，并使之在Flash中成功運行，將使產品代碼發生部分泄漏，這就是產品面臨的篡改攻擊風險。針對這一風險的研究在實際應用中顯得十分重要。
ST公司推出的STM32系列微處理器采用ARM新一代Cortex-M3內核，其中增強型的STM32F103RB具有72 MHz主頻、20 KB片內SRAM、128 KB片內Flash以及豐富的接口資源，可以很好地滿足廣泛的嵌入式產品的應用需求。較低的芯片價格和簡單的開發方式使之應用前景非常廣闊，對該芯片上代碼的安全研究也具有深遠意義。
1．2 風險研究
Bootloader引導應用程序結構的嵌入式軟件可以滿足產品功能升級和維護的需求，在實際應用中被廠商普遍采用。Bootloader程序是在系統上電復位后在Flash中首先執行的一小段代碼，其基本功能模塊如圖1所示。

對于具有Bootloader引導應用程序結構的嵌入式軟件，Bootloacler部分和應用程序是相對獨立的。產品有了升級版本后，用戶可以得到產品和升級程序包。在對產品的篡改攻擊中，一旦Bootloader代碼泄漏，非法使用者通過升級模式更新應用程序部分，將可以復制產品的全部軟件代碼，這就使得產品被抄襲的潛在風險急劇增大。在STM32F103RB上進行的實驗也證明了抄襲的可能性。

2 基于STM32F103RB芯片的風險驗證
STM32F103RB芯片對片內Flash的保護通過特殊位置的Option Bytes讀寫保護控制字實現。讀、寫保護有效時將禁止調試接口和SRAM中運行的程序對Flash讀、寫操作。芯片特殊設計為：去除讀保護時，首先整片擦除片內Flash，從而銷毀產品軟件代碼；寫保護的去除并不影響Flash中代碼的完整性；讀保護有效時，Flash的前3片區寫保護自動有效，防止中斷向量表被非法修改。
實驗在STM32F103RB的開發板上進行，在前3片區寫入Bootloader程序代碼后，利用升級程序包將應用程序下載至應用程序片區。檢驗程序功能正常后置芯片讀保護和所有片區寫保護有效，從而得到產品階段的芯片。對芯片的篡改攻擊風險驗證實驗流程如圖2所示。

用于篡改攻擊的軟件包括非法讀取Flash內容并通過串口輸出的程序和用于跳轉到非法讀取程序的指針。篡改攻擊的實現原理是芯片的讀、寫保護只包括主Flash區域，對Option Bytes區域的擦除操作可以去除無自動寫保護片區的寫保護狀態，而讀保護仍然有效。在SRAM中運行的程序可以使芯片轉變為代碼完整而應用程序區域無寫保護的狀態。一般情況下，產品為了保持升級的空間，軟件沒有占據整個Flash空間且采取自頂向下的順序擺放。為了最大程度保持原有應用程序，實驗中將非法讀取程序寫入Flash的尾部片區，并將用于跳轉至非法程序的指針自底向上遍歷Flash地址嘗試應用程序的入口地址。
實驗的結果通過PC端接收到非法讀取程序輸出的代碼數據驗證，讀取的過程是芯片上電復位后自Flash起始地址啟動執行口，Bootloader在運行模式下將跳轉至應用程序入口地址執行。在非法跳轉指針移動過程中，應用程序入口地址被跳轉指針覆蓋時，非法讀取程序將得到執行機會。所進行的實驗結果如圖3所示。