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嵌入式系统中的签名验证：设计与原理解析（C/C++代码实现）

news 2025/8/18 12:57:52

在嵌入式系统中，固件的完整性和合法性至关重要。例如，智能设备的 bootloader 若加载了被篡改的固件，可能导致系统崩溃甚至被植入恶意代码。Chrome OS 的 “vboot” 系统提供了一套轻量高效的签名验证方案，其核心逻辑可被抽离并应用于各类嵌入式场景。本文将从设计思路、实现原理和相关技术知识点展开，解析这套基于 RSA 和 SHA256 的签名验证机制。

一、核心功能：验证 “谁的” “什么数据” 未被篡改

这套代码的核心目标是验证一段数据（如固件）的完整性和来源合法性。具体来说，它要回答两个问题：

这段数据是否与签名时的原始数据一致（未被篡改）？
这段数据是否确实由持有对应私钥的主体（如设备厂商）签名（来源合法）？

在嵌入式场景中，最典型的应用是 “固件更新验证”：设备在加载新固件前，通过该机制检查固件是否被篡改、是否来自可信厂商，只有验证通过才允许执行，以此防止恶意固件攻击。

二、设计思路：分层验证与轻量适配

为了在资源受限的嵌入式系统（如 ARM 微控制器）中高效实现安全验证，这套方案采用了 “分层设计” 和 “轻量适配” 思路，具体可拆解为三个核心考量：

1. 分层验证：先哈希，再签名

直接对原始数据（可能很大，如几 MB 的固件）进行加密签名会导致计算量过大，不适合嵌入式设备。因此方案采用 “哈希+签名” 的分层逻辑：

第一步：用哈希算法（SHA256）对原始数据计算固定长度的哈希值（256 位）。哈希值可理解为数据的 “数字指纹”，即使原始数据微小改动，哈希值也会完全不同。
第二步：用私钥对哈希值进行加密（即 “签名”），验证时用公钥解密签名得到哈希值，再与原始数据的哈希值对比。

这种设计将大文件的签名问题转化为对短哈希值的处理，大幅降低了计算和存储开销，适配嵌入式系统的资源限制。

2. 结构化校验：确保数据格式合规

为了避免解析错误或恶意构造的签名/密钥数据，方案引入了结构化校验逻辑（对应代码中的 vb21_packed_key 和 vb21_signature 结构）。这些结构包含：

魔术字（如 VB21_MAGIC_PACKED_KEY）：快速验证数据是否为预期格式，避免解析错误。
算法标识（如 sig_alg、hash_alg）：确保签名和哈希算法与验证逻辑匹配（例如 RSA 对应 SHA256）。
偏移量和长度信息：准确定位密钥和签名在二进制数据中的位置，防止越界访问。

这种结构化设计相当于给数据加了一层 “格式防火墙”，确保输入到核心验证逻辑的数据是合规的。

3. 可移植性：适配嵌入式硬件特性

嵌入式系统通常内存小、算力有限（如无硬件加密加速）。方案通过以下方式适配：

复用内存：代码中 rsa_workbuf 作为工作缓冲区，避免频繁动态分配内存，减少内存碎片。
轻量算法实现：选用 RSA（2048 位）和 SHA256，两者在软件实现上复杂度较低，且 2048 位 RSA 既能提供足够安全性，又不会带来过大计算负担（相比 4096 位更适合嵌入式）。

三、实现原理：从哈希到签名验证的完整链路

...
struct sha256_ctx {uint32_t h[8];uint32_t tot_len;uint32_t len;uint8_t block[2 * SHA256_BLOCK_SIZE];uint8_t buf[SHA256_DIGEST_SIZE];  
};void SHA256_init(struct sha256_ctx *ctx);
void SHA256_update(struct sha256_ctx *ctx, const uint8_t *data, uint32_t len);
uint8_t *SHA256_final(struct sha256_ctx *ctx);void hmac_SHA256(uint8_t *output, const uint8_t *key, const int key_len,const uint8_t *message, const int message_len);
int rsa_check_signature(const uint8_t *rwdata, unsigned int rwlen, const struct rsa_public_key *key, const uint8_t *sig 
);int vblock_check_signature(const uint8_t *rwdata,const struct vb21_packed_key *vb21_key,const struct vb21_signature *vb21_sig
);
...
struct rsa_public_key {uint32_t size;uint32_t n0inv;           uint32_t n[RSANUMWORDS]; uint32_t rr[RSANUMWORDS];
};int rsa_verify(const struct rsa_public_key *key,const uint8_t *signature,const uint8_t *sha,uint32_t *workbuf32);
...int main(int argc, char *argv[])
{
...FILE *f = fopen(argv[1], "r");fseek(f, 0, SEEK_END);rwlen = ftell(f);rewind(f);rwdata = (uint8_t *)malloc(rwlen);if (1 != fread(rwdata, rwlen, 1, f)) {printf("Couldn't load %s\n", argv[1]);return -1;}fclose(f);status = vblock_check_signature(rwdata, (const struct vb21_packed_key *)key_vbpubk2, (const struct vb21_signature *)signature);if (status)printf("Signature matches!\n");elseprintf("Signature does not match :-(\n");return status;
}