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。

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，默认启用 NVS 加密。这是因为 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，那么则需要同时默认启用 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 芯片上生成密钥

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。

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

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

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。

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_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

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.

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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