Flash 加密

[English]

本文档将介绍 ESP32 的 Flash 加密功能，并通过示例展示用户如何在开发及生产过程中使用此功能。本文档旨在引导用户快速入门如何测试及验证 Flash 加密的相关操作。有关 Flash 加密块的详细信息可参见 ESP32 技术参考手册。

概述

Flash 加密功能用于加密与 ESP32 搭载使用的 SPI Flash 中的内容。启用 Flash 加密功能后，物理读取 SPI Flash 便无法恢复大部分 Flash 内容。通过明文数据烧录 ESP32 可应用加密功能，（若已启用加密功能）引导加载程序会在首次启动时对数据进行加密。

启用 Flash 加密后，系统将默认加密下列类型的 Flash 数据：

  • 引导加载程序
  • 分区表
  • 所有 “app” 类型的分区

其他类型的 Flash 数据将视情况进行加密：

  • 安全启动引导加载程序摘要（如果已启用安全启动）
  • 分区表中标有“加密”标记的分区

Flash 加密与 安全启动 功能各自独立，您可以在关闭安全启动的状态下使用 Flash 加密。但是，为了安全的计算机环境，二者应同时使用。在关闭安全启动的状态下，需运行其他配置来确保 Flash 加密的有效性。详细信息可参见 使用无安全启动的 Flash 加密。

重要

启用 Flash 加密将限制后续 ESP32 更新。请务必阅读本文档（包括 Flash 加密的局限性）了解启用 Flash 加密的影响。

Flash 加密过程中使用的 eFuse

Flash 加密操作由 ESP32 上的多个 eFuse 控制。以下是这些 eFuse 列表及其描述：

eFuse                 描述                                      是否可锁定为        默认
                                                                读取/写入          值

编码方案                该 2 位宽 eFuse 控制 BLOCK1 中使用的实际        是              0
                      位数，从而获得最终的 256 位 AES 密钥。编码
                      方案值解码如下：
                      0: 256 bits
                      1: 192 bits
                      2: 128 bits
                      最终的 AES 密钥根据 FLASH_CRYPT_CONFIG 的
                      值产生。

BLOCK1                存储 AES 密钥的 256 位宽 eFuse 块                是              x

FLASH_CRYPT_CONFIG    4 位宽 eFuse，控制 AES 加密进程                  是              0xF

download_dis_encrypt  设置后，在 UART 下载模式运行时关闭 Flash 加        是              0
                      密操作

download_dis_decrypt  设置后，在 UART 下载模式运行时关闭 Flash 解        是              0
                      密操作

FLASH_CRYPT_CNT       7 位 eFuse，在启动时启用/关闭加密功能              是              0

                      偶数位（0，2，4，6）：
                      启动时加密 Flash
                      奇数位（1，3，5，7）：
                      启动时不加密 Flash

对上述位的读写访问由 efuse_wr_disable 和 efuse_rd_disable 寄存器中的相应位控制。有关 ESP32 eFuse 的详细信息可参见 eFuse 管理器。

Flash 的加密过程

假设 eFuse 值处于默认状态，且第二阶段的引导加载程序编译为支持 Flash 加密，则 Flash 加密过程执行如下：

  • 首次上电复位时，Flash 中的所有数据都是未加密形式（明文数据）。第一阶段加载器 (Rom) 将在 IRAM 中加载第二阶段加载器。
  • 第二阶段引导加载程序将读取 flash_crypt_cnt (=00000000b) eFuse 值，因为该值为 0（偶数位），第二阶段引导加载程序将配置并启用 Flash 加密块，同时将 FLASH_CRYPT_CFG eFuse 的值编程为 0xF。
  • Flash 加密块将生成 AES-256 位密钥，并将其储存于 BLOCK1 eFuse 中。该操作在硬件中执行，软件将无法访问此密钥。
  • 接着，Flash 加密块将加密 Flash 的内容（根据分区表的标记值）。原地加密可能会有耗时（取决于大分区的耗时）。
  • 随后，第二阶段引导加载程序将在 flash_crypt_cnt (=00000001b) 中设置第一个可用位，从而标记已加密的 Flash 内容（偶数位）。
  • 在 释放模式 下，第二阶段引导加载程序将把 download_dis_encrypt、download_dis_decrypt 和 download_dis_cache 的 eFuse 位改写为 1，防止 UART 引导加载程序解密 Flash 的内容。同时也将写保护 FLASH_CRYPT_CNT 的 eFuse 位。
  • 在 开发模式 下，第二阶段引导加载程序将仅改写 download_dis_decrypt 和 download_dis_cache 的 eFuse 位，从而允许 UART 引导加载程序重新烧录加密的二进制文件。同时将不会写保护 FLASH_CRYPT_CNT 的 eFuse 位。
  • 然后，第二阶段引导加载程序重启设备并开始执行加密映像，同时将透明解密 Flash 的内容并将其加载至 IRAM。

在开发阶段常需编写不同的明文 Flash 映像，以及测试 Flash 的加密过程。这要求 UART 下载模式能够根据需求不断加载新的明文映像。但是，在量产和生产过程中，出于安全考虑，UART 下载模式不应有权限访问 Flash 内容。因此需要有两种不同的 ESP32 配置：一种用于开发，另一种用于生产。以下章节介绍了 Flash 加密的 开发模式 和 释放模式 及其使用指南。

重要

顾名思义，开发模式应 仅开发过程 使用，因为该模式可以修改和回读加密的 Flash 内容。

设置 Flash 加密的步骤

开发模式

可使用 ESP32 内部生成的密钥或外部主机生成的密钥在开发中运行 Flash 加密。

使用 ESP32 生成的 Flash 加密密钥

正如上文所说，开发模式 允许用户使用 UART 下载模式多次下载明文映像。需完成以下步骤测试 Flash 加密过程：

  • 确保您的 ESP32 设备有 Flash 加密过程中使用的 eFuse 中所示的 Flash 加密 eFuse 的默认设置。
  • 可在 $IDF_PATH/examples/security/flash_encryption 文件夹中找到 Flash 加密的示例应用程序。该示例应用程序中有显示 Flash 加密的状态（启用或关闭）以及 FLASH_CRYPT_CNT eFuse 值。
  • 在第二阶段引导加载程序中启用 Flash 加密支持。请前往 Project Configuration Menu，选择 “Security Features”。
  • 选择 Enable flash encryption on boot。
  • 默认设置模式为 开发模式。
  • 在引导加载程序 config 下选择适当详细程度的日志。
  • 启用 Flash 加密将增大引导加载程序，因而可能需更新分区表偏移。请参见 Bootloader Size。
  • 保存配置并退出。

构建并烧录完整的映像包括：引导加载程序、分区表和 app。这些分区最初以未加密形式写入 Flash。

idf.py flash monitor

一旦烧录完成，设备将重置，在下次启动时，第二阶段引导加载程序将加密 Flash 的 app 分区，然后重置该分区。现在，示例应用程序将在运行时解密并执行命令。以下是首次启用 Flash 加密后 ESP32 启动时的样例输出。

--- idf_monitor on /dev/cu.SLAB_USBtoUART 115200 ---
--- Quit: Ctrl+] | Menu: Ctrl+T | Help: Ctrl+T followed by Ctrl+H ---
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x1 (POWERON_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
configsip: 0, SPIWP:0xee
clk_drv:0x00,q_drv:0x00,d_drv:0x00,cs0_drv:0x00,hd_drv:0x00,wp_drv:0x00
mode:DIO, clock div:2
load:0x3fff0018,len:4
load:0x3fff001c,len:8452
load:0x40078000,len:13608
load:0x40080400,len:6664
entry 0x40080764
I (28) boot: ESP-IDF v4.0-dev-850-gc4447462d-dirty 2nd stage bootloader
I (29) boot: compile time 15:37:14
I (30) boot: Enabling RNG early entropy source...
I (35) boot: SPI Speed      : 40MHz
I (39) boot: SPI Mode       : DIO
I (43) boot: SPI Flash Size : 4MB
I (47) boot: Partition Table:
I (51) boot: ## Label            Usage          Type ST Offset   Length
I (58) boot:  0 nvs              WiFi data        01 02 0000a000 00006000
I (66) boot:  1 phy_init         RF data          01 01 00010000 00001000
I (73) boot:  2 factory          factory app      00 00 00020000 00100000
I (81) boot: End of partition table
I (85) esp_image: segment 0: paddr=0x00020020 vaddr=0x3f400020 size=0x0808c ( 32908) map
I (105) esp_image: segment 1: paddr=0x000280b4 vaddr=0x3ffb0000 size=0x01ea4 (  7844) load
I (109) esp_image: segment 2: paddr=0x00029f60 vaddr=0x40080000 size=0x00400 (  1024) load
0x40080000: _WindowOverflow4 at esp-idf/esp-idf/components/freertos/xtensa_vectors.S:1778

I (114) esp_image: segment 3: paddr=0x0002a368 vaddr=0x40080400 size=0x05ca8 ( 23720) load
I (132) esp_image: segment 4: paddr=0x00030018 vaddr=0x400d0018 size=0x126a8 ( 75432) map
0x400d0018: _flash_cache_start at ??:?

I (159) esp_image: segment 5: paddr=0x000426c8 vaddr=0x400860a8 size=0x01f4c (  8012) load
0x400860a8: prvAddNewTaskToReadyList at esp-idf/esp-idf/components/freertos/tasks.c:4561

I (168) boot: Loaded app from partition at offset 0x20000
I (168) boot: Checking flash encryption...
I (168) flash_encrypt: Generating new flash encryption key...
I (187) flash_encrypt: Read & write protecting new key...
I (187) flash_encrypt: Setting CRYPT_CONFIG efuse to 0xF
W (188) flash_encrypt: Not disabling UART bootloader encryption
I (195) flash_encrypt: Disable UART bootloader decryption...
I (201) flash_encrypt: Disable UART bootloader MMU cache...
I (208) flash_encrypt: Disable JTAG...
I (212) flash_encrypt: Disable ROM BASIC interpreter fallback...
I (219) esp_image: segment 0: paddr=0x00001020 vaddr=0x3fff0018 size=0x00004 (     4)
I (227) esp_image: segment 1: paddr=0x0000102c vaddr=0x3fff001c size=0x02104 (  8452)
I (239) esp_image: segment 2: paddr=0x00003138 vaddr=0x40078000 size=0x03528 ( 13608)
I (249) esp_image: segment 3: paddr=0x00006668 vaddr=0x40080400 size=0x01a08 (  6664)
I (657) esp_image: segment 0: paddr=0x00020020 vaddr=0x3f400020 size=0x0808c ( 32908) map
I (669) esp_image: segment 1: paddr=0x000280b4 vaddr=0x3ffb0000 size=0x01ea4 (  7844)
I (672) esp_image: segment 2: paddr=0x00029f60 vaddr=0x40080000 size=0x00400 (  1024)
0x40080000: _WindowOverflow4 at esp-idf/esp-idf/components/freertos/xtensa_vectors.S:1778

I (676) esp_image: segment 3: paddr=0x0002a368 vaddr=0x40080400 size=0x05ca8 ( 23720)
I (692) esp_image: segment 4: paddr=0x00030018 vaddr=0x400d0018 size=0x126a8 ( 75432) map
0x400d0018: _flash_cache_start at ??:?

I (719) esp_image: segment 5: paddr=0x000426c8 vaddr=0x400860a8 size=0x01f4c (  8012)
0x400860a8: prvAddNewTaskToReadyList at esp-idf/esp-idf/components/freertos/tasks.c:4561

I (722) flash_encrypt: Encrypting partition 2 at offset 0x20000...
I (13229) flash_encrypt: Flash encryption completed
I (13229) boot: Resetting with flash encryption enabled...

启用 Flash 加密后，在下次启动时输出将显示已启用 Flash 加密。

rst:0x1 (POWERON_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
configsip: 0, SPIWP:0xee
clk_drv:0x00,q_drv:0x00,d_drv:0x00,cs0_drv:0x00,hd_drv:0x00,wp_drv:0x00
mode:DIO, clock div:2
load:0x3fff0018,len:4
load:0x3fff001c,len:8452
load:0x40078000,len:13652
ho 0 tail 12 room 4
load:0x40080400,len:6664
entry 0x40080764
I (30) boot: ESP-IDF v4.0-dev-850-gc4447462d-dirty 2nd stage bootloader
I (30) boot: compile time 16:32:53
I (31) boot: Enabling RNG early entropy source...
I (37) boot: SPI Speed      : 40MHz
I (41) boot: SPI Mode       : DIO
I (45) boot: SPI Flash Size : 4MB
I (49) boot: Partition Table:
I (52) boot: ## Label            Usage          Type ST Offset   Length
I (60) boot:  0 nvs              WiFi data        01 02 0000a000 00006000
I (67) boot:  1 phy_init         RF data          01 01 00010000 00001000
I (75) boot:  2 factory          factory app      00 00 00020000 00100000
I (82) boot: End of partition table
I (86) esp_image: segment 0: paddr=0x00020020 vaddr=0x3f400020 size=0x0808c ( 32908) map
I (107) esp_image: segment 1: paddr=0x000280b4 vaddr=0x3ffb0000 size=0x01ea4 (  7844) load
I (111) esp_image: segment 2: paddr=0x00029f60 vaddr=0x40080000 size=0x00400 (  1024) load
0x40080000: _WindowOverflow4 at esp-idf/esp-idf/components/freertos/xtensa_vectors.S:1778

I (116) esp_image: segment 3: paddr=0x0002a368 vaddr=0x40080400 size=0x05ca8 ( 23720) load
I (134) esp_image: segment 4: paddr=0x00030018 vaddr=0x400d0018 size=0x126a8 ( 75432) map
0x400d0018: _flash_cache_start at ??:?

I (162) esp_image: segment 5: paddr=0x000426c8 vaddr=0x400860a8 size=0x01f4c (  8012) load
0x400860a8: prvAddNewTaskToReadyList at esp-idf/esp-idf/components/freertos/tasks.c:4561

I (171) boot: Loaded app from partition at offset 0x20000
I (171) boot: Checking flash encryption...
I (171) flash_encrypt: flash encryption is enabled (3 plaintext flashes left)
I (178) boot: Disabling RNG early entropy source...
I (184) cpu_start: Pro cpu up.
I (188) cpu_start: Application information:
I (193) cpu_start: Project name:     flash-encryption
I (198) cpu_start: App version:      v4.0-dev-850-gc4447462d-dirty
I (205) cpu_start: Compile time:     Jun 17 2019 16:32:52
I (211) cpu_start: ELF file SHA256:  8770c886bdf561a7...
I (217) cpu_start: ESP-IDF:          v4.0-dev-850-gc4447462d-dirty
I (224) cpu_start: Starting app cpu, entry point is 0x40080e4c
0x40080e4c: call_start_cpu1 at esp-idf/esp-idf/components/esp32/cpu_start.c:265

I (0) cpu_start: App cpu up.
I (235) heap_init: Initializing. RAM available for dynamic allocation:
I (241) heap_init: At 3FFAE6E0 len 00001920 (6 KiB): DRAM
I (247) heap_init: At 3FFB2EC8 len 0002D138 (180 KiB): DRAM
I (254) heap_init: At 3FFE0440 len 00003AE0 (14 KiB): D/IRAM
I (260) heap_init: At 3FFE4350 len 0001BCB0 (111 KiB): D/IRAM
I (266) heap_init: At 40087FF4 len 0001800C (96 KiB): IRAM
I (273) cpu_start: Pro cpu start user code
I (291) cpu_start: Starting scheduler on PRO CPU.
I (0) cpu_start: Starting scheduler on APP CPU.

Sample program to check Flash Encryption
This is ESP32 chip with 2 CPU cores, WiFi/BT/BLE, silicon revision 1, 4MB external flash
Flash encryption feature is enabled
Flash encryption mode is DEVELOPMENT
Flash in encrypted mode with flash_crypt_cnt = 1
Halting...

在此阶段，如果用户希望以加密格式将已修改的明文应用程序映像更新到 Flash 中，可使用以下命令：

idf.py encrypted-app-flash monitor

加密多重分区

如果所有分区都需以加密格式更新，则可使用以下命令：

idf.py encrypted-flash monitor

使用主机生成的 Flash 加密密钥

可在主机中预生成 Flash 加密密钥，并将其烧录到 ESP32 的 eFuse 密钥块中。这样，无需明文 Flash 更新便可以在主机上预加密数据并将其烧录到 ESP32 中。该功能允许在 开发模式 和 释放模式 modes 两模式下加密烧录。

  • 确保您的 ESP32 设备有 Flash 加密过程中使用的 eFuse 中所示 Flash 加密 eFuse 的默认设置。

  • 使用 espsecure.py 随机生成一个密钥:

    espsecure.py generate_flash_encryption_key my_flash_encryption_key.bin

  • 将该密钥烧录到设备上（一次性）。 该步骤须在第一次加密启动前完成，否则 ESP32 将随机生成一个软件无权限访问或修改的密钥:

    espefuse.py --port PORT burn_key flash_encryption my_flash_encryption_key.bin

  • 在第二阶段引导加载程序中启用 Flash 加密支持。请前往 Project Configuration Menu，选择 “Security Features”。

  • 选择 Enable flash encryption on boot。

  • 模式默认设置为 开发模式。

  • 在引导加载程序 config 下选择适当详细程度的日志。

  • 启用 Flash 加密将增大引导加载程序，因而可能需要更新分区表偏移。可参见 See Bootloader Size。

  • 保存配置并退出。

构建并烧录完整的映像包括：引导加载程序、分区表和 app。这些分区最初以未加密形式写入 Flash

idf.py flash monitor

下次启动时，第二阶段引导加载程序将加密 Flash 的 app 分区并重置该分区。现在，示例应用程序将在运行时解密并执行命令。

在此阶段，如果用户希望将新的明文应用程序映像更新到 Flash，应调用以下命令

idf.py encrypted-app-flash monitor

如何以加密格式重新编程所有分区，可参考 加密多重分区。

释放模式

在释放模式下，UART 引导加载程序无法执行 Flash 加密操作，只能 使用 OTA 方案下载新的明文映像，该方案将在写入 Flash 前加密明文映像。

  • 确保您的 ESP32 设备有 Flash 加密过程中使用的 eFuse 中所示 Flash 加密 eFuse 的默认设置。
  • 在第二阶段引导加载程序中启用 Flash 加密支持。请前往 Project Configuration Menu，选择 “Security Features”。
  • 选择 Enable flash encryption on boot。
  • 选择 释放模式，模式默认设置为 开发模式。请注意，一旦选择了释放模式，``download_dis_encrypt`` 和 ``download_dis_decrypt`` eFuse 位将被编程为禁止 UART 引导加载程序访问 Flash 的内容。
  • 在引导加载程序 config 下选择适当详细程度的日志。
  • 启用 Flash 加密将增大引导加载程序，因而可能需要更新分区表偏移。可参见 See Bootloader Size。
  • 保存配置并退出。

构建并烧录完整的映像包括：引导加载程序、分区表和 app。这些分区最初以未加密形式写入 Flash

idf.py flash monitor

下次启动时，第二阶段引导加载程序将加密 Flash app 分区并重置该分区。现在，示例应用程序应正确执行命令。

一旦在释放模式下启用 Flash 加密，引导加载程序将写保护 FLASH_CRYPT_CNT eFuse。

应使用 OTA 方案对字段中的明文进行后续更新。详情可参见 OTA。

可能出现的错误

启用 Flash 加密后，如果 FLASH_CRYPT_CNT eFuse 值中有奇数位，则所有（标有加密标志的）分区都应包含加密密文。以下为 ESP32 加载明文数据会产生的三种典型错误情况：

  1. 如果通过明文引导加载程序映像重新更新了引导加载程序分区，则 ROM 加载器将无法加载 引导加载程序，并会显示以下错误类型：
rst:0x3 (SW_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
flash read err, 1000
ets_main.c 371
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x7 (TG0WDT_SYS_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
flash read err, 1000
ets_main.c 371
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x7 (TG0WDT_SYS_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
flash read err, 1000
ets_main.c 371
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x7 (TG0WDT_SYS_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
flash read err, 1000
ets_main.c 371
ets Jun  8 2016 00:22:57

rst:0x7 (TG0WDT_SYS_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
flash read err, 1000
ets_main.c 371
ets Jun  8 2016 00:22:57
  1. 如果引导加载程序已加密，但使用明文分区表映像重新更新了分区表，则引导加载程序将无法读取分区表，并会显示以下错误类型：
rst:0x3 (SW_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
configsip: 0, SPIWP:0xee
clk_drv:0x00,q_drv:0x00,d_drv:0x00,cs0_drv:0x00,hd_drv:0x00,wp_drv:0x00
mode:DIO, clock div:2
load:0x3fff0018,len:4
load:0x3fff001c,len:10464
ho 0 tail 12 room 4
load:0x40078000,len:19168
load:0x40080400,len:6664
entry 0x40080764
I (60) boot: ESP-IDF v4.0-dev-763-g2c55fae6c-dirty 2nd stage bootloader
I (60) boot: compile time 19:15:54
I (62) boot: Enabling RNG early entropy source...
I (67) boot: SPI Speed      : 40MHz
I (72) boot: SPI Mode       : DIO
I (76) boot: SPI Flash Size : 4MB
E (80) flash_parts: partition 0 invalid magic number 0x94f6
E (86) boot: Failed to verify partition table
E (91) boot: load partition table error!
  1. 如果引导加载程序和分区表已加密，但使用明文应用程序映像重新更新了应用程序，则引导加载程序将无法加载新的应用程序，并会显示以下错误类型：
rst:0x3 (SW_RESET),boot:0x13 (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
configsip: 0, SPIWP:0xee
clk_drv:0x00,q_drv:0x00,d_drv:0x00,cs0_drv:0x00,hd_drv:0x00,wp_drv:0x00
mode:DIO, clock div:2
load:0x3fff0018,len:4
load:0x3fff001c,len:8452
load:0x40078000,len:13616
load:0x40080400,len:6664
entry 0x40080764
I (56) boot: ESP-IDF v4.0-dev-850-gc4447462d-dirty 2nd stage bootloader
I (56) boot: compile time 15:37:14
I (58) boot: Enabling RNG early entropy source...
I (64) boot: SPI Speed      : 40MHz
I (68) boot: SPI Mode       : DIO
I (72) boot: SPI Flash Size : 4MB
I (76) boot: Partition Table:
I (79) boot: ## Label            Usage          Type ST Offset   Length
I (87) boot:  0 nvs              WiFi data        01 02 0000a000 00006000
I (94) boot:  1 phy_init         RF data          01 01 00010000 00001000
I (102) boot:  2 factory          factory app      00 00 00020000 00100000
I (109) boot: End of partition table
E (113) esp_image: image at 0x20000 has invalid magic byte
W (120) esp_image: image at 0x20000 has invalid SPI mode 108
W (126) esp_image: image at 0x20000 has invalid SPI size 11
E (132) boot: Factory app partition is not bootable
E (138) boot: No bootable app partitions in the partition table

Flash 加密的要点

  • 使用 AES-256 加密 Flash 的内容。Flash 加密密钥存储于 eFuse 内部的芯片中，并（默认）受保护防止软件访问。

  • flash 加密算法 采用的是 AES-256，其中密钥随着 Flash 的每个 32 字节块的偏移地址“调整”。这意味着，每个 32 字节块（2 个连续的 16 字节 AES 块）使用从 Flash 加密密钥中产生的一个特殊密钥进行加密。

  • 通过 ESP32 的 Flash 缓存映射功能，Flash 可支持透明访问——读取任何映射到地址空间的 Flash 区域时，都将透明解密该区域。

    为便于访问，某些数据分区最好保持未加密状态，或者也可使用对已加密数据无效的 Flash 友好型更新算法。由于 NVS 库无法与 Flash 加密直接兼容，因此无法加密非易失性存储器的 NVS 分区。详情可参见 NVS 加密。

  • 如果可能已启用 Flash 加密，则编写 使用加密 flash 的代码时，编程人员须小心谨慎。

  • 如果已启用安全启动，则重新烧录加密设备的引导加载程序则需要“可重新烧录”的安全启动摘要（可参见 Flash 加密与安全启动）。

注解

同时启用安全启动和 Flash 加密后，引导加载程序 app 二进制文件 bootloader.bin 可能会过大。参见 Bootloader Size。

重要

在首次启动加密过程中，请勿中断 ESP32 的电源。如果电源中断，Flash 的内容将受到破坏，并需要重新烧录未加密数据。而这类重新烧录将不计入烧录限制次数。

使用加密的 Flash

ESP32 app 代码可通过调用函数 esp_flash_encryption_enabled() 来确认当前是否已启用 Flash 加密。同时，设备可通过调用函数 esp_get_flash_encryption_mode() 来识别使用的 Flash 加密模式。

启用 Flash 加密后，使用代码访问 Flash 内容时需加注意。

Flash 加密的范围

只要 FLASH_CRYPT_CNT eFuse 设置为奇数位的值，所有通过 MMU 的 Flash 缓存访问的 Flash 内容都将被透明解密。包括：

  • Flash 中可执行的应用程序代码 (IROM)。
  • 所有存储于 Flash 中的只读数据 (DROM)。
  • 通过函数 spi_flash_mmap() 访问的任意数据。
  • ROM 引导加载程序读取的软件引导加载程序映像。

重要

MMU Flash 缓存将无条件解密所有数据。Flash 中未加密存储的数据将通过 Flash 缓存“被透明解密”，并在软件中存储为随机垃圾数据。

读取加密的 Flash

如在不使用 Flash 缓存 MMU 映射的情况下读取数据，推荐使用分区读取函数 esp_partition_read()。使用该函数时，只有从加密分区读取的数据才会被解密。其他分区的数据将以未加密形式读取。这样，软件便能同样访问加密和未加密的 Flash。

通过其他 SPI 读取 API 读取的数据均未解密：

  • 通过函数 spi_flash_read() 读取的数据均未解密。
  • 通过 ROM 函数 SPIRead() 读取的数据均未解密（esp-idf app 不支持该函数）。
  • 使用非易失性存储器 (NVS) API 存储的数据始终从 Flash 加密的角度进行存储和读取解密。如有需要，则由库提供加密功能。详情可参见 NVS 加密。

写入加密的 Flash

在可能的情况下，推荐使用分区写入函数 esp_partition_write。使用该函数时，只有向加密分区写入的数据才会被加密。而写入其他分区的数据均未加密。这样，软件便可同样访问加密和未加密的 Flash。

当 write_encrypted 参数设置为“是”时，函数 esp_spi_flash_write 将写入数据。否则，数据将以未加密形式写入。

ROM 函数 esp_rom_spiflash_write_encrypted 将在 Flash 中写入加密数据，而 ROM 函数 SPIWrite 将在 Flash 中写入未加密数据（esp-idf app 不支持上述函数）。

由于数据均采用块加密方式，加密数据最小的写入大小为 16 字节（16字节对齐）。

更新加密的 Flash

OTA 更新

只要使用了函数 esp_partition_write，则加密分区的 OTA 更新将自动以加密形式写入。

关闭 Flash 加密

若因某些原因意外启用了 Flash 加密，则接下来烧录明文数据时将使 ESP32 软砖（设备不断重启，并报错 flash read err, 1000）。

可通过写入 FLASH_CRYPT_CNT eFuse 再次关闭 Flash 加密（仅适用于开发模式下）：

  • 首先，前往 Project Configuration Menu，在“安全性能”目录下关闭 启用 Flash 加密启动。

  • 退出 menuconfig 并保存最新配置。

  • 再次运行 idf.py menuconfig 并复核是否确认已关闭该选项！如果该选项仍处于已启用状态，则引导加载程序会在启动后立即重新启用加密。

  • 在未启用 Flash 加密的状态下，运行 idf.py flash 构建并烧录新的引导加载程序与 app。

  • 运行 espefuse.py （components/esptool_py/esptool 中）以关闭 FLASH_CRYPT_CNT:

    espefuse.py burn_efuse FLASH_CRYPT_CNT

重置 ESP32，Flash 加密应处于关闭状态，引导加载程序将正常启动。

Flash 加密的局限性

Flash 加密可防止从加密 Flash 中读取明文，从而保护固件防止未经授权的读取与修改。了解 Flash 加密系统的局限之处亦十分重要：

  • Flash 加密功能与密钥同样稳固。因而，推荐您首次启动设备时在设备上生成密钥（默认行为）。如果在设备外生成密钥，请确保遵循正确的后续步骤。
  • 并非所有数据都是加密存储。因而在 Flash 上存储数据时，请检查您使用的存储方式（库、API等）是否支持 Flash 加密。
  • Flash 加密无法防止攻击者获取 Flash 的高层次布局信息。这是因为同一个 AES 密钥要用于每对相邻的 16 字节 AES 块。当这些相邻的 16 字节块中包含相同内容时（如空白或填充区域），这些字节块将加密以产生匹配的加密块对。这可能使得攻击者可在加密设备间进行高层次对比（例如，确认两设备是否可能在运行相同的固件版本）。
  • 出于相同原因，攻击者始终可获知一对相邻的 16 字节块（32 字节对齐）何时包含相同内容。因此，在 Flash 上存储敏感数据时应牢记这点，并进行相关设置避免该情况发生（可使用计数器字节或每 16 字节设置不同的值即可）。
  • 单独使用 Flash 加密可能无法防止攻击者修改本设备的固件。为防止设备上运行未经授权的固件，可搭配 Flash 加密使用 安全启动。

Flash 加密与安全启动

推荐搭配使用 Flash 加密与安全启动。但是，如果已启用安全启动，则重新烧录设备时会受到其他限制：

  • OTA 更新 不受限制（如果新的 app 已使用安全启动签名密钥进行正确签名）。
  • 只有当选择 可再次烧录 安全启动模式，且安全启动密钥已预生成并烧录至 ESP32（可参见 安全启动），则 明文串行 flash 更新 可实现。在该配置下，idf.py bootloader 将生成简化的引导加载程序和安全启动摘要文件，用于在偏移量 0x0 处进行烧录。当进行明文串行重新烧录步骤时，须在烧录其他明文数据前重新烧录此文件。
  • 假设未重新烧录引导加载程序，使用预生成的 Flash 加密密钥重新烧录 仍可实现。重新烧录引导加载程序时，需在安全启动配置中启用相同的 可重新烧录 选项。

使用无安全启动的 Flash 加密

尽管 Flash 加密与安全启动可独立使用，但强烈建议您将这二者 搭配使用 以确保更高的安全性。

Flash 加密的高级功能

以下信息可帮助您使用 Flash 加密的高级功能：

加密分区标志

部分分区默认为已加密。除此之外，可将任意分区标记为需加密：

在 分区表 文档对 CSV 文件的描述中有标志字段。

该字段通常保留为空白。如果在字段中写入”encrypted”，则这个分区将在分区表中标记为已加密，此处写入的数据也视为加密数据（app 分区同样适用）:

# Name,   Type, SubType, Offset,  Size, Flags
nvs,      data, nvs,     0x9000,  0x6000
phy_init, data, phy,     0xf000,  0x1000
factory,  app,  factory, 0x10000, 1M
secret_data, 0x40, 0x01, 0x20000, 256K, encrypted
  • 默认分区表都不包含任何加密数据分区。
  • “app”分区一般都视为加密分区，因此无需将其标记为已加密。
  • 如果未启用 Flash 加密，则”encrypted”标记无效。
  • 可将带有 phy_init 数据的可选 phy 分区标记为已加密，保护该数据防止物理访问读取或修改。
  • nvs 分区无法标记为已加密。

启用 UART 引导加载程序加密/解密

默认情况下，首次启动 Flash 加密过程中将烧录 eFuse DISABLE_DL_ENCRYPT、DISABLE_DL_DECRYPT 和 DISABLE_DL_CACHE：

  • DISABLE_DL_ENCRYPT 在 UART 引导加载程序启动模式下运行时，终止 Flash 加密操作。
  • DISABLE_DL_DECRYPT 在 UART 引导加载程序模式下运行时，终止透明 Flash 解密（即使 FLASH_CRYPT_CNT 已设置为在正常操作中启用 Flash 透明解密）。
  • DISABLE_DL_CACHE 在 UART 引导加载程序模式下运行时终止整个 MMU flash 缓存。

为了完整保存数据，可在首次启动前仅烧录部分 eFuse，并写保护其他部分（未设置值为 0）。例如:

espefuse.py --port PORT burn_efuse DISABLE_DL_DECRYPT
espefuse.py --port PORT write_protect_efuse DISABLE_DL_ENCRYPT

（请注意，一个写保护位即可关闭这 3 个 eFuse，因此，写保护一个 eFuse 将写保护上述所有 eFuse。所以，在写保护前须设置任意位）。

重要

由于 esptool.py 不支持读取加密的 Flash，因此目前基本无法通过写保护这些 eFuse 来将其保持为未设状态。

重要

如果保留 DISABLE_DL_DECRYPT 未设置（为 0），则实际上将使 Flash 加密无效，因为此时有物理访问权限的攻击者便可使用 UART 引导加载程序模式（使用自定义存根代码）读取 Flash 的内容。

设置 FLASH_CRYPT_CONFIG

FLASH_CRYPT_CONFIG eFuse 决定 Flash 加密密钥中随块偏移“调整”的位数。详情可参见 Flash 加密算法。

首次启动 引导加载程序时，该值始终设置为最大 0xF。

可手动写入这些 eFuse，并在首次启动前对其写保护，以便选择不同的调整值。但不推荐该操作。

当 FLASH_CRYPT_CONFIG 的值为 0 时，强烈建议始终不对其进行写保护。如果该 eFuse 设置为 0，则 Flash 加密密钥中无调整位，且 Flash 加密算法相当于 AES ECB 模式。

技术细节

下节将提供 Flash 加密操作的相关信息。

Flash 加密算法

  • AES-256 在 16 字节的数据块上运行。Flash 加密引擎在 32 字节的数据块和 2 个 串行 AES 块上加密或解密数据。

  • Flash 加密的主密钥存储于 eFuse (BLOCK1) 中，默认受保护防止进一步写入或软件读取。

  • AES-256 密钥大小为 256 位（32 字节），从 eFuse block 1 中读取。硬件 AES 引擎使用反字节序密钥于 eFuse 块中存储的字节序。

    • 如果 CODING_SCHEME eFuse 设置为 0（默认“无”编码方案），则 eFuse 密钥块为 256 位，且密钥按原方式存储（反字节序）。
    • 如果 CODING_SCHEME eFuse 设置为 1（3/4 编码），则 eFuse 密钥块为 192 位（反字节序），信息熵总量减少。硬件 Flash 加密仍在 256 字节密钥上运行，在读取后（字节序未反向），密钥扩展为 key = key[0:255] + key[64:127]。

  • Flash 加密中使用了逆向 AES 算法，因此 Flash 加密的“加密”操作相当于 AES 解密，而其“解密”操作则相当于 AES 加密。这是为了优化性能，不会影响算法的有效性。

  • 每个 32 字节块（2 个相邻的 16 字节 AES 块）都由一个特殊的密钥进行加密。该密钥由 eFuse 中 Flash 加密的主密钥产生，并随 Flash 中该字节块的偏移进行 XOR 运算（一次“密钥调整”）。

  • 具体调整量取决于 FLASH_CRYPT_CONFIG eFuse 的设置。该 eFuse 共 4 位，每位可对特定范围的密钥位进行 XOR 运算：

    • Bit 1，对密钥的 0-66 位进行 XOR 运算。
    • Bit 2，对密钥的 67-131 位进行 XOR 运算。
    • Bit 3，对密钥的 132-194 位进行 XOR 运算。
    • Bit 4，对密钥的 195-256 位进行 XOR 运算。

    建议将 FLASH_CRYPT_CONFIG 的值始终保留为默认值 0xF，这样所有密钥位都随块偏移进行 XOR 运算。详情可参见 设置 FLASH_CRYPT_CONFIG。

  • 块偏移的 19 个高位（第 5-23 位）由 Flash 加密的主密钥进行 XOR 运算。选定该范围的原因为：Flash 的最大尺寸为 16MB（24 位），每个块大小为 32 字节，因而 5 个最低有效位始终为 0。

  • 从 19 个块偏移位中每个位到 Flash 加密密钥的 256 位都有一个特殊的映射，以决定与哪个位进行 XOR 运算。有关完整映射可参见 espsecure.py 源代码中的变量 _FLASH_ENCRYPTION_TWEAK_PATTERN。

  • 有关在 Python 中实现的完整 Flash 加密算法，可参见 espsecure.py 源代码中的函数 _flash_encryption_operation()。