安全

[English]

本指南概述了乐鑫解决方案中可用的整体安全功能。从 安全 角度考虑，强烈建议在使用乐鑫平台和 ESP-IDF 软件栈设计产品时参考本指南。

备注

在本指南中，最常用的命令形式为 idf.py secure-<command>，这是对应 espsecure.py <command> 的封装。基于 idf.py 的命令能提供更好的用户体验，但与基于 espsecure.py 的命令相比，可能会损失一部分高级功能。

目标

高级安全目标包括：

  1. 防止执行不受信任的代码

  2. 保护存储在外部 flash 中代码的可信度和完整性

  3. 保护设备身份

  4. 安全存储机密数据

  5. 设备身份验证与加密通信

平台安全

安全启动

安全启动功能可以确保设备仅执行通过身份认证的软件。安全启动时，会验证 应用程序的启动流程 中所涉及的所有 可变 软件实体，形成信任链。设备启动以及 OTA 更新过程中都会进行签名认证。

关于安全启动功能的更多详情，请参阅 安全启动 (secure boot) v2。

重要

强烈建议在所有生产设备上启用安全启动功能。

安全启动最佳实践

  • 在具备高质量熵源的系统上生成签名密钥。

  • 签名密钥始终保密；签名密钥泄露会危及安全启动系统。

  • 不允许第三方使用 idf.py secure- 或 espsecure.py 命令来观察密钥生成或是签名过程的任何细节，这两个过程都容易受到定时攻击或其他侧信道攻击的威胁。

  • 确保正确烧录所有安全性 eFuse，包括禁用调试接口以及非必需的启动介质（例如 UART 下载模式）等。

flash 加密

flash 加密功能可以加密外部 flash 中的内容，从而保护存储在 flash 中软件或数据的 机密性 。

关于该功能的更多详情，请参阅 flash 加密。

如果 ESP32-C5 连接了外部 SPI RAM，那么写入或读取到 SPI RAM 的内容将会分别进行加密和解密。当启用 flash 加密时，上述过程将通过 MMU 的 flash 缓存实现。以上加密和解密过程为存储在 SPI RAM 中的数据提供了额外的安全层，有助于安全地启用 CONFIG_MBEDTLS_EXTERNAL_MEM_ALLOC 等特定配置选项。

flash 加密最佳实践

  • 建议在生产环境中使用 flash 加密的发布模式。

  • 建议为每个设备生成唯一的 flash 加密密钥。

  • 启用 安全启动 作为额外保护层，防止 flash 在启动前遭受恶意攻击。

设备身份

在 ESP32-C5 中，数字签名外设借助硬件加速，通过 HMAC 算法生成 RSA 数字签名。RSA 私钥仅限设备硬件访问，软件无法获取，保证了设备上存储密钥的安全性。

ESP32-C5 还支持 ECDSA 外设，用于生成硬件加速的 ECDSA 数字签名。ECDSA 私钥支持直接编程到 eFuse 块中，并在软件中标记为读保护。

DS 或 ECDSA 外设可以建立与远程终端之间的 安全设备身份，如基于 RSA 或 ECDSA 加密算法的 TLS 双向认证。

详情请参阅 椭圆曲线数字签名算法 (ECDSA) 及 数字签名 (DS)。

内存保护

ESP32-C5 可以通过架构或 PMS 等特定外设实现 内存保护，强制执行和监控内存以及某些外设的权限属性。使用相应外设，ESP-IDF 应用程序启动代码可以配置数据内存的读取/写入权限以及指令内存的读取/执行权限。如有任何操作尝试违反这些权限属性，如写入指令内存区域，将触发违规中断，导致系统 panic。

使用该功能需启用配置选项 CONFIG_ESP_SYSTEM_MEMPROT_FEATURE，该选项默认启用。请注意，该功能的 API 是 私有 的，仅供 ESP-IDF 代码使用。

备注

内存保护功能可以防止因软件漏洞导致的远程代码注入。

防御侧信道攻击

AES 外设的伪轮次功能

ESP32-C5 在 AES 外设中集成了伪轮次功能，使该外设能够在原始操作轮次前后随机插入伪轮次，并生成一个伪密钥来执行这些虚拟操作。 这些操作不会改变原始结果，但能够通过随机化功耗特征，提高实施侧信道分析攻击的复杂性。

可以使用 CONFIG_MBEDTLS_AES_USE_PSEUDO_ROUND_FUNC_STRENGTH 选择伪轮次功能的强度。提高强度会增强该功能所提供的安全性，但会加密/解密操作的速度。

伪轮次功能的不同强度对 AES 操作性能的影响

强度

性能影响 1

低

20.9 %

中

47.6 %

高

72.4 %
1

上述性能数据通过 mbedtls 测试应用中的 AES 性能测试 test_aes_perf.c 计算得出。

考虑到上述性能影响，ESP-IDF 默认关闭伪轮次功能，避免对相关性能造成影响。但如果需要更高的安全性，仍然建议启用。

差分功耗分析 (DPA) 保护

ESP32-C5 支持针对 DPA 相关安全攻击的保护机制。DPA 保护通过动态调整加密外设的时钟频率，在其运行期间模糊了功耗轨迹。时钟变化范围会根据配置的 DPA 安全级别改变。更多详情请参阅 ESP32-C5 技术参考手册 > [PDF]。

通过 CONFIG_ESP_CRYPTO_DPA_PROTECTION_LEVEL 可以调整 DPA 级别。级别越高安全性越强，但也可能会影响性能。默认启用最低级别 DPA 保护，可以根据安全需求修改。

备注

请注意，为确保 DPA 保护机制正常工作，必须启用硬件 RNG。

调试接口

JTAG

  • 如果启用了任一安全功能，则 JTAG 接口将保持禁用。更多详情请参阅 JTAG 与 flash 加密和安全引导。

  • 如果不启用其他安全功能，也可以使用 eFuse API 禁用 JTAG 接口。

  • ESP32-C5 支持软禁用 JTAG 接口，并且可以通过 HMAC 烧录密钥重新启用，请参阅 HMAC 启用 JTAG 接口。

UART 下载模式

ESP32-C5 中，如果启用了任一安全功能，则会激活安全 UART 下载模式。

  • 要启用安全 UART 下载模式，也可以调用 esp_efuse_enable_rom_secure_download_mode()。

  • 该模式下，禁止执行通过 UART 下载模式下载的任意代码。

  • 该模式将限制部分涉及更新 SPI 配置的命令，如更改波特率、基本的 flash 写入以及通过 get_security_info 返回当前启用的安全功能摘要。

  • 要完全禁用安全 UART 下载模式，可以将 CONFIG_SECURE_UART_ROM_DL_MODE 设置为建议选项 Permanently disable ROM Download Mode，或者在运行时调用 esp_efuse_disable_rom_download_mode()。

重要

安全 UART 下载模式下，仅支持使用 --no-stub 参数调用 esptool.py。

网络安全

Wi-Fi

除传统安全协议 WEP/WPA-TKIP/WPA2-CCMP 外，ESP-IDF 的 Wi-Fi 驱动程序还支持其他先进的安全协议。详情请参阅 Wi-Fi 安全性。

TLS（传输层安全性协议）

建议在 ESP 设备的所有外部通信中使用 TLS，如云通信、OTA 更新等。mbedTLS 是 ESP-IDF 官方支持的 TLS 协议栈。

TLS 默认集成在 ESP HTTP 客户端、 HTTPS 服务器 和其他几个 ESP-IDF 预置的组件中。

备注

推荐使用 ESP-IDF 协议组件已确认安全的默认配置。请勿禁用 HTTPS 和类似的安全相关配置。

ESP-TLS 抽象层

ESP-IDF 为最常用的 TLS 功能提供了一个抽象层，因此，建议应用程序使用由 ESP-TLS 提供的 API。

TLS 服务器验证 部分着重描述了在设备端建立服务器身份的多种方式。

ESP 证书捆绑包

调用 ESP x509 证书包 API 即可包含一组自定义 x509 根证书，用于验证 TLS 服务器。对于绝大部分的标准 TLS 服务器，都可以使用证书捆绑包轻松验证服务器身份。

重要

强烈建议基于 X.509 证书验证服务器身份，谨防与 伪造 服务器建立通信。

根证书管理

内嵌在应用程序内的根证书必须谨慎管理。更新根证书列表或 ESP x509 证书包 都可能影响与远程端点的 TLS 连接，包括与 OTA 更新服务器的连接。在某些情况下，此类问题可能会在后续 OTA 更新中出现，导致设备永远无法进行 OTA 更新。

根证书列表更新可能出于以下原因：

  • 新固件的远程端点不同。

  • 现有证书过期。

  • 证书已从上游证书包中添加或撤销。

  • 市场份额统计数据的变化引起证书列表的变化（CONFIG_MBEDTLS_CERTIFICATE_BUNDLE_DEFAULT_CMN 情况）。

其他相关建议：

  • 请考虑启用 回滚过程，将成功连接至 OTA 更新服务器作为取消回滚过程的检查点，从而确保更新后的固件成功连接至 OTA 更新服务器。否则，回滚过程将导致设备回退到之前的固件版本。

  • 如果计划启用 CONFIG_MBEDTLS_HAVE_TIME_DATE 选项，请确保具备时间同步机制 (SNTP) 和足够的受信任证书。

产品安全

安全配网

安全配网是指将 ESP 设备安全接入 Wi-Fi 网络的过程。该机制还支持在初始配网阶段从配网实体（如智能手机等）获取额外的自定义配置数据。

ESP-IDF 提供了多种安全方案，可以在 ESP 设备和配网实体之间建立安全会话，具体方案请参阅 安全方案。

关于该功能的更多详情和代码示例，请参阅 Wi-Fi 配网。

备注

乐鑫提供了 Android 和 iOS 手机应用程序及其源代码，以便进一步根据产品需求定制安全配网方案。

安全 OTA 更新

  • OTA 更新必须通过安全传输进行，如 HTTPS。

  • ESP-IDF 为此提供了一个简化的抽象层，即 ESP HTTPS OTA 升级。

  • 如果启用了 安全启动，则服务器应托管已签名的应用程序镜像。

  • 如果启用了 flash 加密，则服务器端不需要额外操作，在 flash 写入时，设备将自动加密。

  • OTA 更新的 回滚过程 可以在验证完应用程序的功能后，再将应用程序切换为 active 状态。

防回滚保护

防回滚保护功能确保设备仅执行特定版本的应用程序，即应满足设备 eFuse 存储的安全版本条件。因此，即使已由合法密钥信任和签名，应用程序可能包含已撤销的安全功能或凭据，因此设备必须拒绝执行此类应用程序。

ESP-IDF 仅支持在应用程序使用该功能，并通过二级引导加载程序管理。安全版本存储在设备 eFuse 中，并在启动时和 OTA 更新期间与应用程序镜像头进行比较。

关于启用此功能的更多详情，请参阅 防回滚。

加密固件分发

OTA 更新期间，使用加密的固件分发，可以确保在从服务器 传输 到设备的过程中，应用程序保持加密。OTA 更新期间，这可以作为在 TLS 通信之上的额外保护层，保护应用程序身份。

关于加密固件分发的工作示例，请参阅 使用预加密固件进行 OTA 升级。

安全存储

安全存储指在设备上以安全方式存储应用程序的特定数据，即将数据存储在外部 flash 中。外部 flash 通常是可读写的 flash 分区，用于存储设备特定的配置数据，如 Wi-Fi 凭据。

ESP-IDF 提供了 NVS（非易失性存储） 管理组件，允许加密数据分区。该功能与上文提到的 flash 加密 平台功能相关。

关于该功能的工作原理和启用说明，请参阅 NVS 加密。

重要

ESP-IDF 组件会默认将 Wi-Fi 证书等设备特定数据写入 NVS 默认分区，建议使用 NVS 加密 功能来保护这些数据。

安全设备控制

ESP-IDF 提供了 ESP 本地控制组件，可以通过 Wi-Fi/Ethernet + HTTP 或 BLE 安全地控制 ESP 设备。

关于该功能的更多详情，请参阅 ESP 本地控制。

安全策略

ESP-IDF GitHub 代码库内含 安全政策介绍。

公告

  • 乐鑫会发布重要 安全公告 ，包括硬件和软件相关公告。

  • ESP-IDF 软件组件的相关安全公告会发布在 GitHub 仓库 。

软件更新

ESP-IDF 会及时处理针对组件和第三方库的相关报告，并修复关键安全问题。修复内容会逐步同步到 ESP-IDF 的所有适用版本分支中。

ESP-IDF 的发布说明将涵盖各 ESP-IDF 组件和第三方库的相应安全问题和 CVE 编号。

重要

为获取所有关键安全修复，建议定期更新到 ESP-IDF 的最新 Bugfix 版本。

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