bootm: make use of legacy image format configurable
[platform/kernel/u-boot.git] / doc / uImage.FIT / signature.txt
1 U-Boot FIT Signature Verification
2 =================================
3
4 Introduction
5 ------------
6 FIT supports hashing of images so that these hashes can be checked on
7 loading. This protects against corruption of the image. However it does not
8 prevent the substitution of one image for another.
9
10 The signature feature allows the hash to be signed with a private key such
11 that it can be verified using a public key later. Provided that the private
12 key is kept secret and the public key is stored in a non-volatile place,
13 any image can be verified in this way.
14
15 See verified-boot.txt for more general information on verified boot.
16
17
18 Concepts
19 --------
20 Some familiarity with public key cryptography is assumed in this section.
21
22 The procedure for signing is as follows:
23
24    - hash an image in the FIT
25    - sign the hash with a private key to produce a signature
26    - store the resulting signature in the FIT
27
28 The procedure for verification is:
29
30    - read the FIT
31    - obtain the public key
32    - extract the signature from the FIT
33    - hash the image from the FIT
34    - verify (with the public key) that the extracted signature matches the
35        hash
36
37 The signing is generally performed by mkimage, as part of making a firmware
38 image for the device. The verification is normally done in U-Boot on the
39 device.
40
41
42 Algorithms
43 ----------
44 In principle any suitable algorithm can be used to sign and verify a hash.
45 At present only one class of algorithms is supported: SHA1 hashing with RSA.
46 This works by hashing the image to produce a 20-byte hash.
47
48 While it is acceptable to bring in large cryptographic libraries such as
49 openssl on the host side (e.g. mkimage), it is not desirable for U-Boot.
50 For the run-time verification side, it is important to keep code and data
51 size as small as possible.
52
53 For this reason the RSA image verification uses pre-processed public keys
54 which can be used with a very small amount of code - just some extraction
55 of data from the FDT and exponentiation mod n. Code size impact is a little
56 under 5KB on Tegra Seaboard, for example.
57
58 It is relatively straightforward to add new algorithms if required. If
59 another RSA variant is needed, then it can be added to the table in
60 image-sig.c. If another algorithm is needed (such as DSA) then it can be
61 placed alongside rsa.c, and its functions added to the table in image-sig.c
62 also.
63
64
65 Creating an RSA key and certificate
66 -----------------------------------
67 To create a new public key, size 2048 bits:
68
69 $ openssl genrsa -F4 -out keys/dev.key 2048
70
71 To create a certificate for this:
72
73 $ openssl req -batch -new -x509 -key keys/dev.key -out keys/dev.crt
74
75 If you like you can look at the public key also:
76
77 $ openssl rsa -in keys/dev.key -pubout
78
79
80 Device Tree Bindings
81 --------------------
82 The following properties are required in the FIT's signature node(s) to
83 allow thes signer to operate. These should be added to the .its file.
84 Signature nodes sit at the same level as hash nodes and are called
85 signature@1, signature@2, etc.
86
87 - algo: Algorithm name (e.g. "sha1,rs2048")
88
89 - key-name-hint: Name of key to use for signing. The keys will normally be in
90 a single directory (parameter -k to mkimage). For a given key <name>, its
91 private key is stored in <name>.key and the certificate is stored in
92 <name>.crt.
93
94 When the image is signed, the following properties are added (mandatory):
95
96 - value: The signature data (e.g. 256 bytes for 2048-bit RSA)
97
98 When the image is signed, the following properties are optional:
99
100 - timestamp: Time when image was signed (standard Unix time_t format)
101
102 - signer-name: Name of the signer (e.g. "mkimage")
103
104 - signer-version: Version string of the signer (e.g. "2013.01")
105
106 - comment: Additional information about the signer or image
107
108 For config bindings (see Signed Configurations below), the following
109 additional properties are optional:
110
111 - sign-images: A list of images to sign, each being a property of the conf
112 node that contains then. The default is "kernel,fdt" which means that these
113 two images will be looked up in the config and signed if present.
114
115 For config bindings, these properties are added by the signer:
116
117 - hashed-nodes: A list of nodes which were hashed by the signer. Each is
118         a string - the full path to node. A typical value might be:
119
120         hashed-nodes = "/", "/configurations/conf@1", "/images/kernel@1",
121                 "/images/kernel@1/hash@1", "/images/fdt@1",
122                 "/images/fdt@1/hash@1";
123
124 - hashed-strings: The start and size of the string region of the FIT that
125         was hashed
126
127 Example: See sign-images.its for an example image tree source file and
128 sign-configs.its for config signing.
129
130
131 Public Key Storage
132 ------------------
133 In order to verify an image that has been signed with a public key we need to
134 have a trusted public key. This cannot be stored in the signed image, since
135 it would be easy to alter. For this implementation we choose to store the
136 public key in U-Boot's control FDT (using CONFIG_OF_CONTROL).
137
138 Public keys should be stored as sub-nodes in a /signature node. Required
139 properties are:
140
141 - algo: Algorithm name (e.g. "sha1,rs2048")
142
143 Optional properties are:
144
145 - key-name-hint: Name of key used for signing. This is only a hint since it
146 is possible for the name to be changed. Verification can proceed by checking
147 all available signing keys until one matches.
148
149 - required: If present this indicates that the key must be verified for the
150 image / configuration to be considered valid. Only required keys are
151 normally verified by the FIT image booting algorithm. Valid values are
152 "image" to force verification of all images, and "conf" to force verfication
153 of the selected configuration (which then relies on hashes in the images to
154 verify those).
155
156 Each signing algorithm has its own additional properties.
157
158 For RSA the following are mandatory:
159
160 - rsa,num-bits: Number of key bits (e.g. 2048)
161 - rsa,modulus: Modulus (N) as a big-endian multi-word integer
162 - rsa,r-squared: (2^num-bits)^2 as a big-endian multi-word integer
163 - rsa,n0-inverse: -1 / modulus[0] mod 2^32
164
165
166 Signed Configurations
167 ---------------------
168 While signing images is useful, it does not provide complete protection
169 against several types of attack. For example, it it possible to create a
170 FIT with the same signed images, but with the configuration changed such
171 that a different one is selected (mix and match attack). It is also possible
172 to substitute a signed image from an older FIT version into a newer FIT
173 (roll-back attack).
174
175 As an example, consider this FIT:
176
177 / {
178         images {
179                 kernel@1 {
180                         data = <data for kernel1>
181                         signature@1 {
182                                 algo = "sha1,rsa2048";
183                                 value = <...kernel signature 1...>
184                         };
185                 };
186                 kernel@2 {
187                         data = <data for kernel2>
188                         signature@1 {
189                                 algo = "sha1,rsa2048";
190                                 value = <...kernel signature 2...>
191                         };
192                 };
193                 fdt@1 {
194                         data = <data for fdt1>;
195                         signature@1 {
196                                 algo = "sha1,rsa2048";
197                                 vaue = <...fdt signature 1...>
198                         };
199                 };
200                 fdt@2 {
201                         data = <data for fdt2>;
202                         signature@1 {
203                                 algo = "sha1,rsa2048";
204                                 vaue = <...fdt signature 2...>
205                         };
206                 };
207         };
208         configurations {
209                 default = "conf@1";
210                 conf@1 {
211                         kernel = "kernel@1";
212                         fdt = "fdt@1";
213                 };
214                 conf@1 {
215                         kernel = "kernel@2";
216                         fdt = "fdt@2";
217                 };
218         };
219 };
220
221 Since both kernels are signed it is easy for an attacker to add a new
222 configuration 3 with kernel 1 and fdt 2:
223
224         configurations {
225                 default = "conf@1";
226                 conf@1 {
227                         kernel = "kernel@1";
228                         fdt = "fdt@1";
229                 };
230                 conf@1 {
231                         kernel = "kernel@2";
232                         fdt = "fdt@2";
233                 };
234                 conf@3 {
235                         kernel = "kernel@1";
236                         fdt = "fdt@2";
237                 };
238         };
239
240 With signed images, nothing protects against this. Whether it gains an
241 advantage for the attacker is debatable, but it is not secure.
242
243 To solved this problem, we support signed configurations. In this case it
244 is the configurations that are signed, not the image. Each image has its
245 own hash, and we include the hash in the configuration signature.
246
247 So the above example is adjusted to look like this:
248
249 / {
250         images {
251                 kernel@1 {
252                         data = <data for kernel1>
253                         hash@1 {
254                                 algo = "sha1";
255                                 value = <...kernel hash 1...>
256                         };
257                 };
258                 kernel@2 {
259                         data = <data for kernel2>
260                         hash@1 {
261                                 algo = "sha1";
262                                 value = <...kernel hash 2...>
263                         };
264                 };
265                 fdt@1 {
266                         data = <data for fdt1>;
267                         hash@1 {
268                                 algo = "sha1";
269                                 value = <...fdt hash 1...>
270                         };
271                 };
272                 fdt@2 {
273                         data = <data for fdt2>;
274                         hash@1 {
275                                 algo = "sha1";
276                                 value = <...fdt hash 2...>
277                         };
278                 };
279         };
280         configurations {
281                 default = "conf@1";
282                 conf@1 {
283                         kernel = "kernel@1";
284                         fdt = "fdt@1";
285                         signature@1 {
286                                 algo = "sha1,rsa2048";
287                                 value = <...conf 1 signature...>;
288                         };
289                 };
290                 conf@2 {
291                         kernel = "kernel@2";
292                         fdt = "fdt@2";
293                         signature@1 {
294                                 algo = "sha1,rsa2048";
295                                 value = <...conf 1 signature...>;
296                         };
297                 };
298         };
299 };
300
301
302 You can see that we have added hashes for all images (since they are no
303 longer signed), and a signature to each configuration. In the above example,
304 mkimage will sign configurations/conf@1, the kernel and fdt that are
305 pointed to by the configuration (/images/kernel@1, /images/kernel@1/hash@1,
306 /images/fdt@1, /images/fdt@1/hash@1) and the root structure of the image
307 (so that it isn't possible to add or remove root nodes). The signature is
308 written into /configurations/conf@1/signature@1/value. It can easily be
309 verified later even if the FIT has been signed with other keys in the
310 meantime.
311
312
313 Verification
314 ------------
315 FITs are verified when loaded. After the configuration is selected a list
316 of required images is produced. If there are 'required' public keys, then
317 each image must be verified against those keys. This means that every image
318 that might be used by the target needs to be signed with 'required' keys.
319
320 This happens automatically as part of a bootm command when FITs are used.
321
322
323 Enabling FIT Verification
324 -------------------------
325 In addition to the options to enable FIT itself, the following CONFIGs must
326 be enabled:
327
328 CONFIG_FIT_SIGNATURE - enable signing and verfication in FITs
329 CONFIG_RSA - enable RSA algorithm for signing
330
331 WARNING: When relying on signed FIT images with required signature check
332 the legacy image format is default disabled by not defining
333 CONFIG_IMAGE_FORMAT_LEGACY
334
335 Testing
336 -------
337 An easy way to test signing and verfication is to use the test script
338 provided in test/vboot/vboot_test.sh. This uses sandbox (a special version
339 of U-Boot which runs under Linux) to show the operation of a 'bootm'
340 command loading and verifying images.
341
342 A sample run is show below:
343
344 $ make O=sandbox sandbox_config
345 $ make O=sandbox
346 $ O=sandbox ./test/vboot/vboot_test.sh
347 Simple Verified Boot Test
348 =========================
349
350 Please see doc/uImage.FIT/verified-boot.txt for more information
351
352 /home/hs/ids/u-boot/sandbox/tools/mkimage -D -I dts -O dtb -p 2000
353 Build keys
354 do sha1 test
355 Build FIT with signed images
356 Test Verified Boot Run: unsigned signatures:: OK
357 Sign images
358 Test Verified Boot Run: signed images: OK
359 Build FIT with signed configuration
360 Test Verified Boot Run: unsigned config: OK
361 Sign images
362 Test Verified Boot Run: signed config: OK
363 check signed config on the host
364 OK
365 Test Verified Boot Run: signed config: OK
366 Test Verified Boot Run: signed config with bad hash: OK
367 do sha256 test
368 Build FIT with signed images
369 Test Verified Boot Run: unsigned signatures:: OK
370 Sign images
371 Test Verified Boot Run: signed images: OK
372 Build FIT with signed configuration
373 Test Verified Boot Run: unsigned config: OK
374 Sign images
375 Test Verified Boot Run: signed config: OK
376 check signed config on the host
377 OK
378 Test Verified Boot Run: signed config: OK
379 Test Verified Boot Run: signed config with bad hash: OK
380
381 Test passed
382
383 Future Work
384 -----------
385 - Roll-back protection using a TPM is done using the tpm command. This can
386 be scripted, but we might consider a default way of doing this, built into
387 bootm.
388
389
390 Possible Future Work
391 --------------------
392 - Add support for other RSA/SHA variants, such as rsa4096,sha512.
393 - Other algorithms besides RSA
394 - More sandbox tests for failure modes
395 - Passwords for keys/certificates
396 - Perhaps implement OAEP
397 - Enhance bootm to permit scripted signature verification (so that a script
398 can verify an image but not actually boot it)
399
400
401 Simon Glass
402 sjg@chromium.org
403 1-1-13