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10/13/2022

Secure Boot (ESP32/ARM) 비교 및 기본이해

1. 기본 Certificate 활용 및 암호화 이해 

일반 기본 암호화 개념부터 알고, 그 다음에 Cetificate 를 왜 사용하는지 부터 알아보도록하자.
정확히 Authentication(인증)이라고 하는게 맞을 것 같다. 

주로 많이 사용되는 것은 TLS/SSL일 것이며, 이를 이용한 HTTPS 비롯하여 다양한 네트워크 프로토콜에서 사용되어지고 있다. 
그리고, 이를 넘어 Security Boot 를 비롯하여, Android app 인증등 많은 곳에서 사용되어지는 암호화 기술이다. 


  • 각 기본용어확인 
Authentication 과 Public Key 기반의 Certificate 및 Format X.509

보통 Certificate는 X.509 Format로 저장되어지므로 상위 기본내용은 알아두도록 하자. 

  • 암호화 기본개념
암호화의 기본개념과 Cetificate 기반의 TLS 기본이해 

  • Android의 인증시스템 구조 
Android에서 App을 인증하는 방법으로 Cerficate 기반의 Singining 과 Verfication  

  • SELinux(Security-Enhanced Linux)
SELinux로  Linux에서 인증된 App 과 그렇지 못한 App을 구분하여 실행하는 구조이다. (상위 Android 와 비슷하다.)  
OP-TEE기능으로 구현이 되어있을 지도 모르며, Selinux 기능은 Kernel Argument로 on/off를 할 수 있는 것으로 기억하며 Kernel config도 있다. 

  • ECDSA  Key 및 Certificate 생성 및 분석 
요즘 대세인 ECSDA Cerficiate 구조 구성 및 세부분석 과 사용방법 

  • WIFI-WPA 인증(Authentication)
WIFI의 EAP methods에서도 사용되어지며, 이부분은 Layer 2부터 같이 동작되어지며, WIFI기본 동작으로 알고 있어야 한다. 



1.1 PKCS11 와 HW Module  

내가 PKCS11를 처음 접한 것은 KCMVP를 다루면서 관련 인증서들을 분석하며 알게되면서 부터일 것 같다.
 
일단 PKCS11는 HSMs/TPM/KCMVP/CMVP/SmartCard/uSIM 등에서 주로 HW 와 함께 사용되는 기술이라고 생각되면 될 꺼 같다. 

쉬운 예를들면, 특정 HW모듈에 PKCS11 Interface기반으로 인증서를 넣어 못 건들게 하고 이 기반으로 Secure Boot 부터 Network의 TLS 방식으로 암호화를 하는 것이다. 
대표적으로 쉽게 이해가능한게 TPM일 것 같다. 요즘 대부분 컴퓨터에 설치되어있으니까. 
물론, 각 기능은 사용자에 따라 사용되어지는 것이 다를 것이다.

이외에도 CMVP라고 HW모듈기반으로 TLS/DTLS 통신하는 것이 있으며, 다양한 것이 있으므로 너무 암호화를 한정적으로만  생각할 수가 없을 것 같다. 

이 내용을 Secure Boot에 다루는 이유는 이 HW기반으로 Booting에도 같이 사용되어지기 때문이며, 이외 다양하게 사용되어진다. 

  • PKCS(Public-Key Cryptography Standard) 11 관련내용
PKCS11의 경우 Token or Key를 저장하는 구조이며, 이에 관련 된 정보들은 아래 
  

2. ARM HW 암호화 구성   

ARM의 경우, TrunstZone과 다양한 HW 암호화를  제공하고 있어, ARM을 기반으로 보안기능을 제공하고 있으며, 
이 기능기반으로 Secure Boot로 뿐만 아니라 다양한 암호화 기능을 사용가능하다. 
암호화된 App 실행를 비롯하여, TLS/SSL 를 비롯하여 다양하게 사용되어진다.  

암호화에 대해서 너무 한정적으로 생각하지 말도록하자. 


2.1 ARM의 TrustZone 과 TEE 기능이해 

ARM의 경우는 TEE(Trust Execution Environment) 와 REE(Rich Execution Environment)로 ARM 내부에서 분리되어 실행되어진다. 
이는 기본으로 MMU를 기반으로 Protection을 진행하여 제어하는 방법이 필수 일 것 같다. 

  1. TEE(Trust Execution Environment) : ARM의 TrustZone을 이용하여 실행되는 환경구조 
  2. REE(Rich Execution Environment): ARM의 TrustZone을 사용안하는 환경구조 


  • ARM의 TrustZone 과 MMU 사용  
다중 Core를 사용하다보니, MMU기반으로 분리를 하는게 쉽지는 않는 것으로 보인다. 


  • ARM에서 PKCS11 기반으로 OP-TEE 사용
NXP의 i.MX8의 Secure Boot 

  • OP-TEE를 이용하여 Secure Application 실행 
TA(Truested Application)

PKCS#11 과 OP-TEE의 i.MX8 관련내용(PCKS#11 TA)

PKCS#11 과 OP-TEE 의 IoT 관련내용 

OP-TEE 사용법과 이해  


  • ARM TrustZone
ARM에서 제공하는 HW적은 암호화 기능이며, 이를 확장하여 사용하는 것 TEE/REE    

  • Uboot의 TEE(Trusted Execution Environment) 
TEE(Trusted Execution Environment) 이며, 즉 Secure Boot를 비롯하여 Secure App, 다양한 암호화를 ARM HW부터 제공한다. 
Linux Command인 TEE 명령어와 혼동하지 말도록하자 

  • Uboot의 TEE(Trusted Execution Environment) 와 OP-TEE(Open Portable TEE) 예제 
Uboot에서 TEE를 설정하여 Secure Boot를 진행가능하며, OP-TEE도 설정가능 

  • Yocto에서는 OP-TEE(Open Portable TEE) 제공
이를 이용하여 Secure Boot를 비롯하여 인증된 App을 실행가능 한걸로 기억하며, 유사기술이 SELinux인걸로 기억한다. 

기존에 알고있는것을 다 정리 할 수 없을 것 같아 상위 정도로만, ARM 관련사항 정리를 마무리하고, 
TI Sitara or DM Series 확인을 한번 더 확인 



3. ESP32 HW 암호화


ESP32의 경우는 HW 암호화 기능과 OTP(One-Time Programmable), 즉 eFUSE를 제공하며, 다양한 암호화 기능을 제공한다.  
여기서 OTP(One-Time Programmable)이며, OTP(One-Time Password)이 가 아니므로 혼동하지 말자. 

결론적으로, ESP32도  eFUSE(One Time Programing) 이곳에서는 Secure Boot  PKCS11 기반의 Secure Boot와 거의 유사하게 동작가능한걸로 보인다.
(개인적으로는 ESP32에서 SRAM부분에서 부터 놀랬지만, 여기도 ESP32의 Secure boot에서도 나에게는 너무 좀 충격이였다)
ARM처럼 HW 암호화기능 있어, 거의 유사하게 동작가능하며, 이외 ESP32 HW 암호화 기능도 제공해주고 있다. 

ESP32를 가격이 싸다고 만만히 볼만한 MPU는 아닌것 같으며, 정말로 다양한 기능을 제공하고 있다


3.1 ESP32의 Secure Boot 

ESP32의 Secure Boot의 OTP(One Time Programing,eFUSE)기반으로 진행되는 Siging/Verfication 기술이며, 이를 ESP32에서 제공을 해준다. 
ESP32의 경우도 역시 내부적으로 HW적으로 암호화 기능을 제공해지만, ARM의 TrustZone 동작방식과는 다르며,
내부적으로 간단하게 구성하여 제공해주고 있다. 
간단히만 동작만 소개하고 다음에 세부적으로 다루겠다. 



  • OTP(One Time Programing,eFUSE)
ESP32 내부에 제공해주는 1024bit 저장장소 제공해주고 있으며, 각 256bit 씩 4개의 Block으로 관리되어 지고 있다. 
OTP(eFUSE)의 경우 0 -> 1로만 변경가능하며, 한번 1로 변경되면 변경 불가능하다. 
https://blog.espressif.com/understanding-esp32s-security-features-14483e465724


  • ESP32 의 Secure Boot 의 전체 Flow  
Reset 후 ROM에서 1st stage 인 ROM에서 Boot를 하고 OTP(eFUSE)의 설정에 따라 동작이 되어진다. 
  1. OTP(eFUSE)에 저장된 Key 값 기반으로 Flash의 BootLoader를 Load 하기 전에 Verify하고 Booting  
  2. Flash의 Bootloader는 Bootloader 처럼 App image를 Verify를 진행하여 Booting 

https://blog.espressif.com/understanding-esp32s-security-features-14483e465724

상위구조를 쉽게 설명하면, OTP(One Time Programiming, eFUSE)에는 저장소의 한계 (256bit) 때문에 Hash(Token) 이용하여 한 번 더 검증하는 방식이다. 
보통 다른 곳에서는 이 Hash를 Token이라고도 많이 부르기도 한다. 


  • SecureBoot 의 BootLoader 구성 과 OTP(eFuse) 
  1. Bootloader Image:  Flash 에서 실행가능한 일반적인 image 이며, 일반부팅은 이것만 필요 
  2. RSA Signature:  Certificate의 Signature 처럼 상위 Image의 RSA3072기반으로 Private Key 로 생성 
  3. RSA 3072 Public Key: 상위 RSA Signature를 확인하기 위해서 Public Key가 필요 
  4. OTP(eFUSE): 저장된 Key의 Hash(SHA-256)로 RSA 3072 Public Key가 Verify 검증 


  • Bootloader 를 실행하기 전에 아래의 동작을 수행 
  1. OTP(eFuse)의 Hash를 이용하여 RSA 3072 Public Key가 맞는지 확인(Public Key Verfication)
  2. RSA 3072 Public Key를 이용하여 RSA Signature를 확인가능  
  3. Bootloader 실행 (RSA Signature는 이미 검증된 것임)

https://blog.espressif.com/understanding-esp32s-security-features-14483e465724

일반 PKCS11 기반하고 할 경우에는 Certificate 와 Key 기반으로 이를 하지만, 상위처럼 Memory 한계 때문에, 한번 더 대칭키(Hash)를 추가하여 사용한다.


  • Flash 의 App Image의 기본구성 
상위와 동일한 구조 구조 이므로 생략 

  • Flash Encryption 
Secure Boot 기능을 넘어  Flash 저장된 정보를 ESP32 HW적으로 AES Key기반으로 Decrytion을 하여 동작가능하게 하는 기능이다. 
하지만, 이 기능을 사용하면, ESP32 성능과 Flash 기반의 XiP가 어떻게 될지가 좀 의문이다. 
그림상으로는 완벽하지만, 항상 실행해보면 문제가 생기는 경험을 많이 했기때문에, 나중에 한번 해보고 말을 해야 할 것 같다. 
(특히, SRAM 문제, Cache도 SRAM에 포함되며, 설정에 따라 SRAM 사용구조가 변경)

https://blog.espressif.com/understanding-esp32s-security-features-14483e465724




ESP32-S2 Secure Boot 
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