📚 课程目录第4章 MCUboot 交换模式之覆盖升级（Overwrite）配置与验证

4. MCUboot 交换模式之覆盖升级（Overwrite）配置与验证

任务说明

本案例目标是在MCUboot中启用镜像签名验证功能：使用Python脚本或MCUboot提供的工具，为镜像生成RSA-2048签名，并配置MCUboot在启动时对该签名进行验证。完成本案例后，未签名的镜像或签名被篡改的镜像将被启动引导程序拒绝加载。

实现方案

MCUboot支持RSA-PSS和ECDSA-P256两种签名算法。本案例采用RSA-2048 + SHA-256方案，原因在于其工具链成熟、密钥生成简单，且适用于大多数MCU平台。整体流程分为三步：生成密钥对、签名镜像、配置MCUboot启用验证。

1. 生成RSA密钥对

使用MCUboot仓库中的imgtool脚本生成RSA-2048私钥（PEM格式）：

# 克隆MCUboot仓库（如已克隆可跳过）
git clone https://github.com/mcu-tools/mcuboot.git
cd mcuboot

# 安装依赖（Python 3.6+）
pip3 install --user cryptography intelhex

# 生成RSA-2048私钥
./scripts/imgtool keygen -k rsa2048_private.pem -t rsa-2048

生成的rsa2048_private.pem为私钥文件，需妥善保管。对应的公钥将被编译进MCUboot bootloader中用于验证。

2. 签名镜像

假设已有一个待签名的应用固件app.bin（原始二进制，非hex），使用imgtool添加MCUboot头部并签名：

./scripts/imgtool sign \
    --key rsa2048_private.pem \
    --align 8 \
    --header-size 0x400 \
    --slot-size 0x80000 \
    --version 1.0.0 \
    --pad-header \
    app.bin \
    signed_app.bin

参数说明：--align 8为Flash对齐单位（需与目标MCU匹配）；--header-size 0x400为镜像头部大小；--slot-size 0x80000为每个slot的容量（512KB）；--pad-header表示头部不足时填充0xFF。输出signed_app.bin即为带签名的可引导镜像。

3. 配置MCUboot启用签名验证

在MCUboot的boot/zephyr/Kconfig或目标平台的prj.conf中启用以下配置：

# 启用签名验证
CONFIG_BOOT_SIGNATURE_TYPE_RSA=y
CONFIG_BOOT_SIGNATURE_TYPE_ECDSA_P256=n

# 指定公钥源文件（由私钥导出）
CONFIG_BOOT_SIGNATURE_KEY_FILE="rsa2048_public.pem"

公钥文件需从私钥导出：

./scripts/imgtool getpub -k rsa2048_private.pem -o rsa2048_public.pem

将生成的rsa2048_public.pem放入MCUboot的boot/zephyr/keys/目录，并在prj.conf中指定正确路径。若使用Zephyr构建系统，还需在CMakeLists.txt中确保公钥文件被编译为C数组。

4. 构建与烧录

以Zephyr+nRF52840 DK为例，构建带签名验证的bootloader：

west build -b nrf52840dk_nrf52840 -d build_boot boot/zephyr
west flash -d build_boot

烧录应用镜像时，需将签名后的signed_app.bin烧录到主slot（slot0）起始地址。使用nrfjprog或west flash均可，但必须确保烧录的是签名后的文件。

验证方法与判定标准

验证步骤：

正常启动：烧录bootloader和signed_app.bin，复位后观察串口日志，应看到Image 0 loaded且应用正常运行。
篡改测试：使用十六进制编辑器修改signed_app.bin中任意一个字节（例如偏移0x100处），重新烧录到slot0，复位后观察日志。
预期结果：篡改后的镜像启动时，串口输出Image 0 signature check failed，随后MCUboot尝试从其他slot加载（若无有效镜像则进入恢复模式或停止）。

判定标准：满足以下条件即视为验证通过：

未篡改镜像能正常引导并运行；
篡改镜像被拒绝加载，且日志中出现明确的签名验证失败信息；
若配置了多slot，MCUboot能回退到备份镜像（如有）。

关键配置说明

若目标平台Flash对齐不是8字节，需同步调整--align参数和CONFIG_BOOT_SLOT_ALIGN配置。RSA-2048签名在Cortex-M4上验证耗时约50-100ms（取决于时钟频率），对启动时间敏感的场景可改用ECDSA-P256（验证更快，但签名工具链需额外安装ecdsa包）。

本案例使用RSA-2048方案，公钥以PEM格式编译进bootloader。若需防回滚保护，可额外启用CONFIG_BOOT_UPGRADE_ONLY和镜像版本号检查，但这不是本案例的必要条件。