📚 课程目录第2章基于AES-128-CBC的固件加密存储与解密执行

2. 基于AES-128-CBC的固件加密存储与解密执行

任务目标

本案例实现一个基于AES-128-CBC的固件加密存储与解密执行方案：固件镜像以密文形式存放于外部Flash，MCU上电后通过Bootloader将密文读取到RAM，解密后跳转执行，防止攻击者通过读取外部Flash直接提取固件明文。

方案架构

存储布局：外部Flash 0x0000～0x0FFF存放AES密钥（16字节）与IV（16字节），0x1000起存放密文固件。
执行流程：Bootloader（内部Flash）→ 读取密钥/IV → 从外部Flash读取密文 → AES-128-CBC解密到RAM → 跳转至RAM执行。
安全边界：密钥仅存在于内部Flash与MCU运行时RAM，外部Flash始终只有密文。

硬件依赖

MCU：STM32F407（Cortex-M4，内部Flash 1MB，RAM 192KB）
外部Flash：W25Q64（SPI接口，8MB）
密码库：mbedTLS 2.28（仅使用AES-128-CBC部分）

关键完整代码

// ========== crypto_boot.h ==========
#ifndef CRYPTO_BOOT_H
#define CRYPTO_BOOT_H

#include <stdint.h>

#define AES_KEY_SIZE     16
#define AES_BLOCK_SIZE   16
#define FIRMWARE_MAX_SIZE  (64 * 1024)  // 64KB
#define FLASH_KEY_ADDR    0x0000
#define FLASH_FW_ADDR     0x1000

// 外部Flash驱动接口（由硬件层提供）
void ext_flash_read(uint32_t addr, uint8_t *buf, uint32_t len);

// 解密并跳转
void boot_decrypt_and_run(void);

#endif

// ========== crypto_boot.c ==========
#include "crypto_boot.h"
#include "mbedtls/aes.h"
#include <string.h>

// 内部Flash中存储的密钥（编译时写入，实际产品可配合OTP）
static const uint8_t aes_key[AES_KEY_SIZE] = {
    0x2B, 0x7E, 0x15, 0x16, 0x28, 0xAE, 0xD2, 0xA6,
    0xAB, 0xF7, 0x15, 0x88, 0x09, 0xCF, 0x4F, 0x3C
};

// 应用程序入口地址（RAM中解密后的跳转目标）
#define APP_ENTRY_ADDR   0x20010000

void boot_decrypt_and_run(void) {
    uint8_t iv[AES_BLOCK_SIZE];
    uint8_t ciphertext[FIRMWARE_MAX_SIZE];
    uint8_t plaintext[FIRMWARE_MAX_SIZE];
    uint32_t fw_size;
    mbedtls_aes_context aes_ctx;

    // 1. 读取IV（外部Flash头部）
    ext_flash_read(FLASH_KEY_ADDR + AES_KEY_SIZE, iv, AES_BLOCK_SIZE);

    // 2. 读取密文固件大小（密文前4字节存储明文长度）
    uint8_t size_buf[4];
    ext_flash_read(FLASH_FW_ADDR, size_buf, 4);
    fw_size = (size_buf[0] << 24) | (size_buf[1] << 16) |
              (size_buf[2] << 8)  | size_buf[3];

    // 3. 读取密文（跳过4字节长度头）
    ext_flash_read(FLASH_FW_ADDR + 4, ciphertext, fw_size);

    // 4. AES-128-CBC解密
    mbedtls_aes_init(&aes_ctx);
    mbedtls_aes_setkey_dec(&aes_ctx, aes_key, 128);
    mbedtls_aes_crypt_cbc(&aes_ctx, MBEDTLS_AES_DECRYPT,
                          fw_size, iv, ciphertext, plaintext);
    mbedtls_aes_free(&aes_ctx);

    // 5. 跳转到RAM中的应用程序
    void (*app_entry)(void) = (void (*)(void))(APP_ENTRY_ADDR);
    memcpy((void *)APP_ENTRY_ADDR, plaintext, fw_size);
    __DSB();
    app_entry();
}

// ========== 固件加密工具（上位机，Python） ==========
/*
  用于生成外部Flash烧录文件：encrypt_fw.py
  输入：app.bin（明文固件）
  输出：fw_encrypted.bin（含4字节长度头 + 密文）
*/

上位机加密脚本（encrypt_fw.py）

#!/usr/bin/env python3
from Crypto.Cipher import AES
import struct, sys

KEY = bytes([0x2B, 0x7E, 0x15, 0x16, 0x28, 0xAE, 0xD2, 0xA6,
             0xAB, 0xF7, 0x15, 0x88, 0x09, 0xCF, 0x4F, 0x3C])
IV  = bytes([0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07,
             0x08, 0x09, 0x0A, 0x0B, 0x0C, 0x0D, 0x0E, 0x0F])

def pad(data):
    pad_len = 16 - (len(data) % 16)
    return data + bytes([pad_len] * pad_len)

def encrypt_fw(input_file, output_file):
    with open(input_file, 'rb') as f:
        fw = f.read()
    fw_padded = pad(fw)
    cipher = AES.new(KEY, AES.MODE_CBC, IV)
    encrypted = cipher.encrypt(fw_padded)
    with open(output_file, 'wb') as f:
        f.write(struct.pack('>I', len(fw)))   # 明文长度
        f.write(encrypted)
    print(f"Encrypted {len(fw)} bytes -> {len(encrypted)+4} bytes")

if __name__ == '__main__':
    encrypt_fw(sys.argv[1], sys.argv[2])

运行与烧录步骤

编译Bootloader：将crypto_boot.c加入工程，链接时确保Bootloader位于内部Flash起始地址（0x08000000）。
生成密文固件：python3 encrypt_fw.py app.bin fw_encrypted.bin
烧录外部Flash：将fw_encrypted.bin烧录至W25Q64的0x1000偏移处；将IV（16字节）烧录至0x0010偏移处。
烧录Bootloader：通过SWD将Bootloader烧入MCU内部Flash。
上电执行：复位后Bootloader自动完成解密与跳转。

验证方法与判定标准

功能验证：在app.bin中让LED以1Hz闪烁。若上电后LED正常闪烁，说明解密执行链路完整。
安全验证：使用SPI Flash编程器直接读取W25Q64 0x1000处数据，搜索app.bin中的明文字符串（如固件版本号），若无法找到，证明固件以密文存储。
边界测试：故意篡改外部Flash中任一密文字节，重新上电，观察程序不应正常运行（解密失败导致崩溃或看门狗复位），证明密文完整性校验生效。

常见问题

RAM不足：若固件超过64KB，需改用DMA分段解密或增大RAM；本案例适用于中小型固件。
对齐要求：mbedTLS的CBC解密要求输入长度为16的倍数，上位机脚本已做PKCS7填充处理。
密钥保护：实际产品应将密钥存于MCU内部OTP或使用MPU配置内部Flash为不可读，防止通过调试接口提取。