警告

This document is not updated for ESP32C5 yet, so some of the content may not be correct.

This warning was automatically inserted due to the source file being in the add_warnings_pages list.

# NVS 加密

[English]

## 概述

本文档主要介绍 NVS 加密功能，这一功能有助于实现设备在 flash 中的安全存储。

存储在 NVS 分区中的数据可以用 XTS-AES 进行加密，与磁盘加密标准 IEEE P1619 中提到的加密方式类似。加密时，每个条目都被视作一个 `sector`，而条目的相对地址（相对于分区起始位置）作为 `sector-number` 输入加密算法。

根据要使用的具体方案，可以选择启用 CONFIG_NVS_ENCRYPTION 和 CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECTION_SCHEME > `CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECT_USING_FLASH_ENC` 或 `CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECT_USING_HMAC` 实现 NVS 加密。

## NVS 加密：基于 flash 加密的方案

在这个方案中，NVS 加密所需的密钥存储在另一个分区中，该分区用 flash 加密 进行保护。因此，使用该方案时，必须先启用 flash 加密。

启用 flash 加密 时需同时启用 NVS 加密，因为 Wi-Fi 驱动程序会将凭据（如 SSID 和密码）储存在默认的 NVS 分区中。如已启用平台级加密，那么则需要同时启用 NVS 加密。

要用这一方案进行 NVS 加密，分区表中必须包含 NVS 密钥分区。在分区表选项 ( `menuconfig` > `Partition Table` ) 中，有两个包含 NVS 密钥分区 的分区表，可通过项目配置菜单 ( `idf.py menuconfig`) 进行选择。要了解如何配置和使用 NVS 加密功能，请参考示例 security/flash_encryption。

### NVS 密钥分区

应用如果要使用 NVS 加密（使用基于 flash 加密的方案）编译时，须使用类型为 `data` 和子类型为 `nvs_keys` 的密钥分区。该分区应被标记为 `encrypted` 且最小为 4 KB （最小分区大小）。参考 分区表 了解详情。在分区表选项 ( `menuconfig` > `Partition Table`) 中，有两个包含 NVS 密钥分区 的额外分区表，可以直接用于 NVS 加密。分区的结构如下所示：

    +-----------+--------------+-------------+----+
    |              XTS encryption key (32)        |
    +---------------------------------------------+
    |              XTS tweak key (32)             |
    +---------------------------------------------+
    |                  CRC32 (4)                  |
    +---------------------------------------------+

可以通过以下两种方式之一生成 NVS 密钥分区 中的 XTS 加密密钥：

在 ESP32-C5 芯片上生成密钥

> - 启用 NVS 加密时，可使用 API 函数 `nvs_flash_init()` 来初始化加密的默认 NVS 分区。该 API 函数会内部生成 ESP 芯片的 XTS 加密密钥，并找到第一个 NVS 密钥分区。

> - 然后，该 API 函数使用 nvs_flash/include/nvs_flash.h 提供的 `nvs_flash_generate_keys()` API 函数，自动生成 NVS 密钥并存储到该分区。只有当相应的密钥分区为空时，才会生成和存储新密钥。然后，就可以利用 `nvs_flash_secure_init_partition()` 用此密钥分区来读取安全配置，以初始化自定义的加密 NVS 分区。

> - API 函数 `nvs_flash_secure_init()` 和 `nvs_flash_secure_init_partition()` 不会内部生成密钥。如果要使用这两个 API 函数初始化加密的 NVS 分区，可以在启动后使用 `nvs_flash.h` 提供的 `nvs_flash_generate_keys()` API 函数生成密钥，然后由该 API 函数将生成的密钥以加密形式写入密钥分区中。

> 备注

> 请注意，在使用此方法启动应用程序前，必须完全擦除 `nvs_keys` 分区。否则，应用程序可能会生成 `ESP_ERR_NVS_CORRUPT_KEY_PART` 错误代码，该代码假设 `nvs_keys` 分区不为空并且包含格式错误的数据。可以使用以下命令来实现：

>     parttool.py --port PORT --partition-table-file=PARTITION_TABLE_FILE --partition-table-offset PARTITION_TABLE_OFFSET erase_partition --partition-type=data --partition-subtype=nvs_keys

>     # 如果启用了 Flash Encryption 或 Secure Boot，需要使用 "--esptool-erase-args=force" 来抑制错误：
>     # "Active security features detected, erasing flash is disabled as a safety measure.  Use --force to override ..."
>     parttool.py --port PORT --esptool-erase-args=force --partition-table-file=PARTITION_TABLE_FILE --partition-table-offset PARTITION_TABLE_OFFSET erase_partition --partition-type=data --partition-subtype=nvs_keys

使用预生成的 NVS 密钥分区

> 如果 NVS 密钥分区 中的密钥不是由应用程序生成，则需要使用预先生成的密钥分区。可以使用 NVS 分区生成程序 生成包含 XTS 加密密钥的 NVS 密钥分区。然后使用以下两个命令将预生成的密钥分区存储到 flash 上：

> 1. 构建并烧写分区表

>     idf.py partition-table partition-table-flash

> 2. 使用 parttool.py （参见 分区表 中分区工具相关章节）将密钥存储在 flash 上的 NVS 密钥分区 中

>     parttool.py --port PORT --partition-table-offset PARTITION_TABLE_OFFSET write_partition --partition-name="name of nvs_key partition" --input NVS_KEY_PARTITION_FILE

>     # 如果启用了 Flash Encryption 或 Secure Boot，需要使用 "--esptool-erase-args=force" 来抑制错误：
>     # "Active security features detected, erasing flash is disabled as a safety measure.  Use --force to override ..."
>     parttool.py --port PORT --esptool-erase-args=force --partition-table-offset PARTITION_TABLE_OFFSET write_partition --partition-name="name of nvs_key partition" --input NVS_KEY_PARTITION_FILE

> 备注

> 如果设备是在 flash 加密开发模式下加密的，那么要更新 NVS 密钥分区就需要使用 parttool.py 来加密 NVS 密钥分区，并提供一个指向你构建目录中未加密分区表的指针 (build/partition_table)，因为设备上的分区表也是加密的。命令如下：

>     parttool.py --esptool-write-args encrypt --port PORT --partition-table-file=PARTITION_TABLE_FILE --partition-table-offset PARTITION_TABLE_OFFSET write_partition --partition-name="nvs_key 分区名称" --input NVS_KEY_PARTITION_FILE

>     # 如果启用了 Flash Encryption 或 Secure Boot，需要使用 "--esptool-erase-args=force" 来抑制错误：
>     # "Active security features detected, erasing flash is disabled as a safety measure.  Use --force to override ..."
>     parttool.py --esptool-erase-args=force --esptool-write-args encrypt --port PORT --partition-table-file=PARTITION_TABLE_FILE --partition-table-offset PARTITION_TABLE_OFFSET write_partition --partition-name="name of nvs_key partition" --input NVS_KEY_PARTITION_FILE

由于密钥分区被标记为 `encrypted`，且 flash 加密 已启用，引导加载程序会在首次启动时使用 flash 加密密钥对此分区进行加密。

一个应用程序可以使用不同的密钥对不同的 NVS 分区进行加密，从而拥有多个密钥分区。应用程序应为加密或解密操作提供正确的密钥分区和密钥信息。

## NVS 加密：基于 HMAC 外设的方案

此方案中，用于 NVS 加密的 XTS 密钥来自 eFuse 中编程的 HMAC 密钥，其目的是 `esp_efuse_purpose_t::ESP_EFUSE_KEY_PURPOSE_HMAC_UP`。由于加密密钥在运行时生成，不存储在 flash 中，因此这个功能不需要单独的 NVS 密钥分区。

备注

通过这个方案， 无需启用 flash 加密 就能在 ESP32-C5 上实现安全存储。

重要

注意，此方案使用一个 eFuse 块来存储获取加密密钥所需的 HMAC 密钥。

- NVS 加密启用时后，可用 API 函数 `nvs_flash_init()` 来初始化加密的默认 NVS 分区。该 API 函数首先检查 CONFIG_NVS_SEC_HMAC_EFUSE_KEY_ID 处是否存在一个 HMAC 密钥。

备注

CONFIG_NVS_SEC_HMAC_EFUSE_KEY_ID 配置的有效范围为 `0` (`hmac_key_id_t::HMAC_KEY0`) 到 `5` (`hmac_key_id_t::HMAC_KEY5`)。默认情况下该配置为 `-1`，须在构建用户应用程序之前进行修改。

- 如果找不到密钥，会内部生成一个密钥，并储存在 CONFIG_NVS_SEC_HMAC_EFUSE_KEY_ID 指定的 eFuse 块中。

- 如果找到用于 `esp_efuse_purpose_t::ESP_EFUSE_KEY_PURPOSE_HMAC_UP` 的密钥，该密钥也会用于 XTS 加密密钥的生成。

- 如果指定的 eFuse 块被 `esp_efuse_purpose_t::ESP_EFUSE_KEY_PURPOSE_HMAC_UP` 以外目的的密钥占用，则会引发错误。

- 然后，API `nvs_flash_init()` 使用 nvs_flash/include/nvs_flash.h 提供的 `nvs_flash_generate_keys_v2()` API 函数，自动生成所需的 NVS 密钥。该密钥还可用于读取安全配置（参见 `nvs_flash_read_security_cfg_v2()`）并通过 `nvs_flash_secure_init_partition()` 初始化自定义的加密 NVS 分区。

- API 函数 `nvs_flash_secure_init()` 和 `nvs_flash_secure_init_partition()` 不会内部生成密钥。使用这些 API 函数初始化加密的 NVS 分区时，可在启动后用 API 函数 `nvs_flash_generate_keys_v2()` 生成密钥，或使用 `nvs_flash_read_security_cfg_v2()` 获取并填充 NVS 安全配置结构 `nvs_sec_cfg_t`，将其输入到上述 API 中。

备注

可以使用以下命令预先在 eFuse 中设置自己的 HMAC 密钥：

    idf.py -p PORT efuse-burn-key <BLOCK_KEYN> <hmac_key_file.bin> HMAC_UP

## 加密读/写

NVS API 函数 `nvs_get_*` 或 `nvs_set_*` 也可用于读取和写入加密的 NVS 分区。

加密默认的 NVS 分区

- 要为默认 NVS 分区启用加密，无需额外的步骤。在启用 CONFIG_NVS_ENCRYPTION 时，API 函数 `nvs_flash_init()` 会根据使用的方案（由 CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECTION_SCHEME 设置）在内部执行一些额外步骤，为默认的 NVS 分区启用加密。

- 在基于 flash 加密的方案中，加密密钥由找到的第一个 NVS 密钥分区 生成。在 HMAC 方案中，密钥由 CONFIG_NVS_SEC_HMAC_EFUSE_KEY_ID 中烧录的 HMAC 密钥生成（参考 API 文档以了解更多详细信息）。

另外，还可使用 API 函数 `nvs_flash_secure_init()` 为默认 NVS 分区启用加密。

加密自定义 NVS 分区

- 要为一个自定义的 NVS 分区启用加密，使用 API 函数 `nvs_flash_secure_init_partition()` 代替 `nvs_flash_init_partition()`。

- 使用 API 函数 `nvs_flash_secure_init()` 和 `nvs_flash_secure_init_partition()` 时，为了在启用加密的情况下执行 NVS 读/写操作，应用程序应遵守以下步骤：

  > 1. 填充 NVS 安全配置结构 `nvs_sec_cfg_t`

  >    > - 对基于 flash 加密的方案

  >    >   > - 使用 API 函数 esp_partition_find* 查找密钥分区和 NVS 数据分区。

  >    >   > - 使用 API 函数 `nvs_flash_read_security_cfg()` 或 `nvs_flash_generate_keys()` 填充 `nvs_sec_cfg_t` 结构体。

  >    > - 对基于 HMAC 的方案

  >    >   > - 用 `nvs_sec_config_hmac_t` 为设置特定方案配置数据，并使用 API `nvs_sec_provider_register_hmac()` 注册此基于 HMAC 的方案。该 API 也将用于填充特定方案的句柄（参见 `nvs_sec_scheme_t`）。

  >    >   > - 使用 API 函数 `nvs_flash_read_security_cfg_v2()` 或 `nvs_flash_generate_keys_v2()` 填充 `nvs_sec_cfg_t` 结构体。

  >    >     nvs_sec_cfg_t cfg = {};
  >    >     nvs_sec_scheme_t *sec_scheme_handle = NULL;

  >    >     nvs_sec_config_hmac_t sec_scheme_cfg = {};
  >    >     hmac_key_id_t hmac_key = HMAC_KEY0;
  >    >     sec_scheme_cfg.hmac_key_id = hmac_key;

  >    >     ret = nvs_sec_provider_register_hmac(&sec_scheme_cfg, &sec_scheme_handle);
  >    >     if (ret != ESP_OK) {
  >    >     return ret;
  >    >     }

  >    >     ret = nvs_flash_read_security_cfg_v2(sec_scheme_handle, &cfg);
  >    >     if (ret != ESP_OK) {
  >    >         if (ret == ESP_ERR_NVS_SEC_HMAC_KEY_NOT_FOUND) {
  >    >             ret = nvs_flash_generate_keys_v2(&sec_scheme_handle, &cfg);
  >    >             if (ret != ESP_OK) {
  >    >             ESP_LOGE(TAG, "Failed to generate NVS encr-keys!");
  >    >                 return ret;
  >    >             }
  >    >         }
  >    >         ESP_LOGE(TAG, "Failed to read NVS security cfg!");
  >    >         return ret;
  >    >     }

  > 2. 使用 API 函数 `nvs_flash_secure_init()` 或 `nvs_flash_secure_init_partition()` 初始化 NVS flash 分区。

  > 3. 使用 API 函数 `nvs_open()` 或 `nvs_open_from_partition()` 打开一个命名空间。

  > 4. 使用 `nvs_get_*` 或 `nvs_set_*` 执行 NVS 读/写操作。

  > 5. 使用 `nvs_flash_deinit()` 取消初始化 NVS 分区。

备注

在采用基于 HMAC 的方案时，可以在不启用任何 NVS 加密的配置选项的情况下开始上述工作流：CONFIG_NVS_ENCRYPTION，CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECTION_SCHEME -> CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECT_USING_HMAC 和 CONFIG_NVS_SEC_HMAC_EFUSE_KEY_ID，以使用 `nvs_flash_secure_init()` API 加密默认分区及自定义的 NVS 分区。

## NVS Security Provider

组件 nvs_sec_provider 存储了 NVS 加密方案的所有特定实现代码，并且适用于未来的方案。此组件充当 nvs_flash 组件处理加密密钥的接口。组件 nvs_sec_provider 有自己的配置菜单，选定的安全方案和相应设置基于这一菜单注册到 nvs_flash 组件。

该组件通过工厂函数注册了特殊的安全框架，可以实现出厂即用的安全方案。在该方案中，无需使用 API 来生成、读取加密密钥（如 `nvs_sec_provider_register_hmac()`）。要了解 API 的使用，参考示例 security/nvs_encryption_hmac。

备注

如果不希望使用 :component: nvs_sec_provider 组件的默认实现，而使用自定义方式生成或者保护 NVS 加密密钥，请选择 CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECTION_SCHEME -> `CONFIG_NVS_SEC_KEY_PROTECT_NONE` 配置项。

## API 参考

### Header File

- components/nvs_sec_provider/include/nvs_sec_provider.h

- This header file can be included with:

  >     #include "nvs_sec_provider.h"

- This header file is a part of the API provided by the `nvs_sec_provider` component. To declare that your component depends on `nvs_sec_provider`, add the following to your CMakeLists.txt:

  >     REQUIRES nvs_sec_provider

  > or

  >     PRIV_REQUIRES nvs_sec_provider

### Functions

esp_err_t nvs_sec_provider_register_flash_enc(const nvs_sec_config_flash_enc_t *sec_scheme_cfg, nvs_sec_scheme_t **sec_scheme_handle_out)

  Register the Flash-Encryption based scheme for NVS Encryption.

  参数:

    - sec_scheme_cfg -- [in] Security scheme specific configuration data

    - sec_scheme_handle_out -- [out] Security scheme specific configuration handle

  返回:

    - ESP_OK, if `sec_scheme_handle_out` was populated successfully with the scheme configuration;

    - ESP_ERR_INVALID_ARG, if `scheme_cfg_hmac` is NULL;

    - ESP_ERR_NO_MEM, No memory for the scheme-specific handle `sec_scheme_handle_out`

    - ESP_ERR_NOT_FOUND, if no `nvs_keys` partition is found

esp_err_t nvs_sec_provider_register_hmac(const nvs_sec_config_hmac_t *sec_scheme_cfg, nvs_sec_scheme_t **sec_scheme_handle_out)

  Register the HMAC-based scheme for NVS Encryption.

  参数:

    - sec_scheme_cfg -- [in] Security scheme specific configuration data

    - sec_scheme_handle_out -- [out] Security scheme specific configuration handle

  返回:

    - ESP_OK, if `sec_scheme_handle_out` was populated successfully with the scheme configuration;

    - ESP_ERR_INVALID_ARG, if `scheme_cfg_hmac` is NULL;

    - ESP_ERR_NO_MEM, No memory for the scheme-specific handle `sec_scheme_handle_out`

esp_err_t nvs_sec_provider_deregister(nvs_sec_scheme_t *sec_scheme_handle)

  Deregister the NVS encryption scheme registered with the given handle.

  参数:

    sec_scheme_handle -- [in] Security scheme specific configuration handle

  返回:

    - ESP_OK, if the scheme registered with `sec_scheme_handle` was deregistered successfully

    - ESP_ERR_INVALID_ARG, if `sec_scheme_handle` is NULL;

### Structures

struct nvs_sec_config_flash_enc_t

  Flash encryption-based scheme specific configuration data.

  Public Members

  const esp_partition_t *nvs_keys_part

    Partition of subtype `nvs_keys` holding the NVS encryption keys

struct nvs_sec_config_hmac_t

  HMAC-based scheme specific configuration data.

  Public Members

  hmac_key_id_t hmac_key_id

    HMAC Key ID used for generating the NVS encryption keys

### Macros

ESP_ERR_NVS_SEC_BASE

  Starting number of error codes

ESP_ERR_NVS_SEC_HMAC_KEY_NOT_FOUND

  HMAC Key required to generate the NVS encryption keys not found

ESP_ERR_NVS_SEC_HMAC_KEY_BLK_ALREADY_USED

  Provided eFuse block for HMAC key generation is already in use

ESP_ERR_NVS_SEC_HMAC_KEY_GENERATION_FAILED

  Failed to generate/write the HMAC key to eFuse

ESP_ERR_NVS_SEC_HMAC_XTS_KEYS_DERIV_FAILED

  Failed to derive the NVS encryption keys based on the HMAC-based scheme

NVS_SEC_PROVIDER_CFG_FLASH_ENC_DEFAULT()

  Helper for populating the Flash encryption-based scheme specific configuration data.

NVS_SEC_PROVIDER_CFG_HMAC_DEFAULT()

  Helper for populating the HMAC-based scheme specific configuration data.

### Enumerations

enum nvs_sec_scheme_id_t

  NVS Encryption Keys Protection Scheme.

  Values:

  enumerator NVS_SEC_SCHEME_FLASH_ENC

    Protect NVS encryption keys using Flash Encryption

  enumerator NVS_SEC_SCHEME_HMAC

    Protect NVS encryption keys using HMAC peripheral

  enumerator NVS_SEC_SCHEME_MAX

此文档对您有帮助吗？

- 反馈已收到，谢谢！
- 如果您有其他意见，欢迎填写乐鑫文档反馈表。

- 我们重视您的反馈。
- 您可以填写乐鑫文档反馈表告诉我们如何改进该文档。