2. 固件镜像结构与安全存储需求

固件并不是一个“大二进制文件”那么简单。设备上电后，BootROM 先加载一级引导，再逐级把控制权交给 U-Boot、内核、根文件系统，最终进入应用。每一级都对应一种镜像格式、一套元数据约定和一组校验规则。理解这些格式与分区布局，是设计安全存储方案的前提——因为“把什么放在哪里、用什么保护、被篡改时谁先发现”，全部由镜像结构和分区表决定。

一、三类典型镜像格式的解剖

U-Boot 镜像（uImage / FIT）：传统 uImage 由 64 字节头部加负载组成，头部字段包括魔数 0x27051956、头 CRC（ih_hcrc）、时间戳、负载长度、负载 CRC（ih_dcrc）、OS 类型、CPU 架构、镜像类型、压缩方式和负载入口地址。加载时先校验头 CRC，再校验负载 CRC，任一不符即拒绝启动。较新的 FIT（Flattened Image Tree）用设备树源码描述多个子镜像，支持哈希节点与签名节点，可对内核、DTB、ramdisk 分别做 SHA-256 摘要和 RSA 签名，实现“同一镜像内多组件独立验签”。

UEFI 固件卷（FV/FFS）：UEFI 固件以 Firmware Volume 为容器，内部由 FFS 文件组成，每个文件有头部、类型（如 PEIM、DXE 驱动）和校验。关键安全机制是 FV 的 FvHeader 校验、FFS 文件校验，以及可选的 Firmware Volume 签名。UEFI Secure Boot 依赖 PK/KEK/db/dbx 四级密钥库，镜像必须携带有效签名才能被加载，dbx 则用于吊销已知有问题的镜像哈希。

Android boot.img：由 boot header、kernel、ramdisk、second stage 和 DTB 组成。Android 8 以后引入 boot signature 与 AVB（Android Verified Boot）的 vbmeta 结构，vbmeta 中保存各分区（boot、system、vendor）的哈希与签名，启动时逐级校验。boot header 中的 kernel_size、ramdisk_size、page_size 决定各段偏移，任何字段被改动都会导致解析失败或校验不通过。

二、分区布局与元数据：安全属性的落点

镜像格式解决“单个文件怎么组织”，分区布局解决“多个镜像怎么摆放”。典型 eMMC 设备的分区顺序是：BootROM（固化只读）→ bootloader 分区 → boot/kernel 分区 → system/rootfs 分区 → userdata 分区 → vbmeta/元数据分区。这个顺序不是随意的：越靠前的分区越早被加载，可信根必须从最前面开始建立。

元数据是安全存储的“锚点”。它通常包含：镜像版本号（用于防回滚）、哈希摘要（用于完整性）、签名（用于来源认证）、加密算法标识与密钥槽编号（用于机密性）。以 Android AVB 为例，vbmeta 中每个分区条目包含 salt、digest、flags 和 rollback_index。启动时 bootloader 读取 vbmeta，用内置公钥验证其签名，再用其中的 digest 校验对应分区。如果 rollback_index 小于设备熔丝中记录的值，启动被拒绝——这就是防回滚的物理落点。

三、四项安全需求的工程化拆解

机密性：不是所有分区都需要加密。bootloader 和 kernel 通常明文存储，因为启动早期没有密钥派生环境；userdata 和含密钥的配置分区必须加密。工程上常用 AES-XTS 对块设备加密，密钥由硬件密钥槽（如 TrustZone 或 TEE）派生，而不是硬编码在镜像里。判断加密是否生效，可以读取分区头部：加密后的数据不具备可识别的文件系统魔数，且相同明文块加密后密文不同。

完整性：哈希只能发现“被改”，签名才能确认“谁改的”。推荐做法是对每个可加载镜像计算 SHA-256，再用 RSA-2048 或 ECDSA P-256 对摘要签名，公钥固化在 BootROM 或一次性可编程（OTP）区域。校验顺序必须是“先验签、后使用”，且验签失败要进入安全失败路径（如停止启动或进入恢复模式），而不是继续加载。

可用性：安全机制不能把设备变砖。A/B 双分区是标准做法：A 槽启动失败时自动切到 B 槽，同时记录失败计数。元数据分区需要冗余存放（两份 vbmeta，互为备份），并保证写入是原子操作——先写备份、再写主份、最后更新标志位。判断可用性是否达标，可以人为破坏 A 槽镜像，观察设备是否在限定次数内自动切换到 B 槽并正常启动。

防回滚：攻击者可能把已签名的旧版本固件刷回去，利用旧版本漏洞。防回滚依赖单调递增的版本号与不可篡改的存储：设备端用 eFuse 或 TPM NV 计数器保存“已见最大版本”，镜像元数据中携带版本号，启动时比较。若镜像版本低于计数器值，拒绝启动。注意版本号必须随每次发布递增，且签名覆盖版本号字段，否则攻击者可单独篡改版本号。

四、一个可对照的检查清单

把镜像格式、分区布局、元数据三者放在一起看，安全存储的设计思路就清晰了：格式决定“怎么解析”，布局决定“放在哪、谁先加载”，元数据决定“用什么校验、版本是多少”。机密性、完整性、可用性、防回滚这四项需求，最终都要落到具体的分区、具体的字段和具体的校验顺序上，而不是停留在原则层面。