NVS 加密

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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 key 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-S3 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

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

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

由于密钥分区被标记为 encrypted，且 flash 加密 已启用，引导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-S3 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 6 (hmac_key_id_t::HMAC_KEY_MAX)，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：

espefuse.py -p PORT 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。

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

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