Merge branch 'master' of git://git.denx.de/u-boot-tegra
[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 genpkey -algorithm RSA -out keys/dev.key \
70     -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048 -pkeyopt rsa_keygen_pubexp:65537
71
72 To create a certificate for this:
73
74 $ openssl req -batch -new -x509 -key keys/dev.key -out keys/dev.crt
75
76 If you like you can look at the public key also:
77
78 $ openssl rsa -in keys/dev.key -pubout
79
80
81 Device Tree Bindings
82 --------------------
83 The following properties are required in the FIT's signature node(s) to
84 allow thes signer to operate. These should be added to the .its file.
85 Signature nodes sit at the same level as hash nodes and are called
86 signature@1, signature@2, etc.
87
88 - algo: Algorithm name (e.g. "sha1,rs2048")
89
90 - key-name-hint: Name of key to use for signing. The keys will normally be in
91 a single directory (parameter -k to mkimage). For a given key <name>, its
92 private key is stored in <name>.key and the certificate is stored in
93 <name>.crt.
94
95 When the image is signed, the following properties are added (mandatory):
96
97 - value: The signature data (e.g. 256 bytes for 2048-bit RSA)
98
99 When the image is signed, the following properties are optional:
100
101 - timestamp: Time when image was signed (standard Unix time_t format)
102
103 - signer-name: Name of the signer (e.g. "mkimage")
104
105 - signer-version: Version string of the signer (e.g. "2013.01")
106
107 - comment: Additional information about the signer or image
108
109 For config bindings (see Signed Configurations below), the following
110 additional properties are optional:
111
112 - sign-images: A list of images to sign, each being a property of the conf
113 node that contains then. The default is "kernel,fdt" which means that these
114 two images will be looked up in the config and signed if present.
115
116 For config bindings, these properties are added by the signer:
117
118 - hashed-nodes: A list of nodes which were hashed by the signer. Each is
119         a string - the full path to node. A typical value might be:
120
121         hashed-nodes = "/", "/configurations/conf@1", "/images/kernel@1",
122                 "/images/kernel@1/hash@1", "/images/fdt@1",
123                 "/images/fdt@1/hash@1";
124
125 - hashed-strings: The start and size of the string region of the FIT that
126         was hashed
127
128 Example: See sign-images.its for an example image tree source file and
129 sign-configs.its for config signing.
130
131
132 Public Key Storage
133 ------------------
134 In order to verify an image that has been signed with a public key we need to
135 have a trusted public key. This cannot be stored in the signed image, since
136 it would be easy to alter. For this implementation we choose to store the
137 public key in U-Boot's control FDT (using CONFIG_OF_CONTROL).
138
139 Public keys should be stored as sub-nodes in a /signature node. Required
140 properties are:
141
142 - algo: Algorithm name (e.g. "sha1,rs2048")
143
144 Optional properties are:
145
146 - key-name-hint: Name of key used for signing. This is only a hint since it
147 is possible for the name to be changed. Verification can proceed by checking
148 all available signing keys until one matches.
149
150 - required: If present this indicates that the key must be verified for the
151 image / configuration to be considered valid. Only required keys are
152 normally verified by the FIT image booting algorithm. Valid values are
153 "image" to force verification of all images, and "conf" to force verfication
154 of the selected configuration (which then relies on hashes in the images to
155 verify those).
156
157 Each signing algorithm has its own additional properties.
158
159 For RSA the following are mandatory:
160
161 - rsa,num-bits: Number of key bits (e.g. 2048)
162 - rsa,modulus: Modulus (N) as a big-endian multi-word integer
163 - rsa,exponent: Public exponent (E) as a 64 bit unsigned integer
164 - rsa,r-squared: (2^num-bits)^2 as a big-endian multi-word integer
165 - rsa,n0-inverse: -1 / modulus[0] mod 2^32
166
167
168 Signed Configurations
169 ---------------------
170 While signing images is useful, it does not provide complete protection
171 against several types of attack. For example, it it possible to create a
172 FIT with the same signed images, but with the configuration changed such
173 that a different one is selected (mix and match attack). It is also possible
174 to substitute a signed image from an older FIT version into a newer FIT
175 (roll-back attack).
176
177 As an example, consider this FIT:
178
179 / {
180         images {
181                 kernel@1 {
182                         data = <data for kernel1>
183                         signature@1 {
184                                 algo = "sha1,rsa2048";
185                                 value = <...kernel signature 1...>
186                         };
187                 };
188                 kernel@2 {
189                         data = <data for kernel2>
190                         signature@1 {
191                                 algo = "sha1,rsa2048";
192                                 value = <...kernel signature 2...>
193                         };
194                 };
195                 fdt@1 {
196                         data = <data for fdt1>;
197                         signature@1 {
198                                 algo = "sha1,rsa2048";
199                                 vaue = <...fdt signature 1...>
200                         };
201                 };
202                 fdt@2 {
203                         data = <data for fdt2>;
204                         signature@1 {
205                                 algo = "sha1,rsa2048";
206                                 vaue = <...fdt signature 2...>
207                         };
208                 };
209         };
210         configurations {
211                 default = "conf@1";
212                 conf@1 {
213                         kernel = "kernel@1";
214                         fdt = "fdt@1";
215                 };
216                 conf@1 {
217                         kernel = "kernel@2";
218                         fdt = "fdt@2";
219                 };
220         };
221 };
222
223 Since both kernels are signed it is easy for an attacker to add a new
224 configuration 3 with kernel 1 and fdt 2:
225
226         configurations {
227                 default = "conf@1";
228                 conf@1 {
229                         kernel = "kernel@1";
230                         fdt = "fdt@1";
231                 };
232                 conf@1 {
233                         kernel = "kernel@2";
234                         fdt = "fdt@2";
235                 };
236                 conf@3 {
237                         kernel = "kernel@1";
238                         fdt = "fdt@2";
239                 };
240         };
241
242 With signed images, nothing protects against this. Whether it gains an
243 advantage for the attacker is debatable, but it is not secure.
244
245 To solved this problem, we support signed configurations. In this case it
246 is the configurations that are signed, not the image. Each image has its
247 own hash, and we include the hash in the configuration signature.
248
249 So the above example is adjusted to look like this:
250
251 / {
252         images {
253                 kernel@1 {
254                         data = <data for kernel1>
255                         hash@1 {
256                                 algo = "sha1";
257                                 value = <...kernel hash 1...>
258                         };
259                 };
260                 kernel@2 {
261                         data = <data for kernel2>
262                         hash@1 {
263                                 algo = "sha1";
264                                 value = <...kernel hash 2...>
265                         };
266                 };
267                 fdt@1 {
268                         data = <data for fdt1>;
269                         hash@1 {
270                                 algo = "sha1";
271                                 value = <...fdt hash 1...>
272                         };
273                 };
274                 fdt@2 {
275                         data = <data for fdt2>;
276                         hash@1 {
277                                 algo = "sha1";
278                                 value = <...fdt hash 2...>
279                         };
280                 };
281         };
282         configurations {
283                 default = "conf@1";
284                 conf@1 {
285                         kernel = "kernel@1";
286                         fdt = "fdt@1";
287                         signature@1 {
288                                 algo = "sha1,rsa2048";
289                                 value = <...conf 1 signature...>;
290                         };
291                 };
292                 conf@2 {
293                         kernel = "kernel@2";
294                         fdt = "fdt@2";
295                         signature@1 {
296                                 algo = "sha1,rsa2048";
297                                 value = <...conf 1 signature...>;
298                         };
299                 };
300         };
301 };
302
303
304 You can see that we have added hashes for all images (since they are no
305 longer signed), and a signature to each configuration. In the above example,
306 mkimage will sign configurations/conf@1, the kernel and fdt that are
307 pointed to by the configuration (/images/kernel@1, /images/kernel@1/hash@1,
308 /images/fdt@1, /images/fdt@1/hash@1) and the root structure of the image
309 (so that it isn't possible to add or remove root nodes). The signature is
310 written into /configurations/conf@1/signature@1/value. It can easily be
311 verified later even if the FIT has been signed with other keys in the
312 meantime.
313
314
315 Verification
316 ------------
317 FITs are verified when loaded. After the configuration is selected a list
318 of required images is produced. If there are 'required' public keys, then
319 each image must be verified against those keys. This means that every image
320 that might be used by the target needs to be signed with 'required' keys.
321
322 This happens automatically as part of a bootm command when FITs are used.
323
324
325 Enabling FIT Verification
326 -------------------------
327 In addition to the options to enable FIT itself, the following CONFIGs must
328 be enabled:
329
330 CONFIG_FIT_SIGNATURE - enable signing and verfication in FITs
331 CONFIG_RSA - enable RSA algorithm for signing
332
333 WARNING: When relying on signed FIT images with required signature check
334 the legacy image format is default disabled by not defining
335 CONFIG_IMAGE_FORMAT_LEGACY
336
337 Testing
338 -------
339 An easy way to test signing and verfication is to use the test script
340 provided in test/vboot/vboot_test.sh. This uses sandbox (a special version
341 of U-Boot which runs under Linux) to show the operation of a 'bootm'
342 command loading and verifying images.
343
344 A sample run is show below:
345
346 $ make O=sandbox sandbox_config
347 $ make O=sandbox
348 $ O=sandbox ./test/vboot/vboot_test.sh
349 Simple Verified Boot Test
350 =========================
351
352 Please see doc/uImage.FIT/verified-boot.txt for more information
353
354 /home/hs/ids/u-boot/sandbox/tools/mkimage -D -I dts -O dtb -p 2000
355 Build keys
356 do sha1 test
357 Build FIT with signed images
358 Test Verified Boot Run: unsigned signatures:: OK
359 Sign images
360 Test Verified Boot Run: signed images: OK
361 Build FIT with signed configuration
362 Test Verified Boot Run: unsigned config: OK
363 Sign images
364 Test Verified Boot Run: signed config: OK
365 check signed config on the host
366 Signature check OK
367 OK
368 Test Verified Boot Run: signed config: OK
369 Test Verified Boot Run: signed config with bad hash: OK
370 do sha256 test
371 Build FIT with signed images
372 Test Verified Boot Run: unsigned signatures:: OK
373 Sign images
374 Test Verified Boot Run: signed images: OK
375 Build FIT with signed configuration
376 Test Verified Boot Run: unsigned config: OK
377 Sign images
378 Test Verified Boot Run: signed config: OK
379 check signed config on the host
380 Signature check OK
381 OK
382 Test Verified Boot Run: signed config: OK
383 Test Verified Boot Run: signed config with bad hash: OK
384
385 Test passed
386
387
388 Future Work
389 -----------
390 - Roll-back protection using a TPM is done using the tpm command. This can
391 be scripted, but we might consider a default way of doing this, built into
392 bootm.
393
394
395 Possible Future Work
396 --------------------
397 - Add support for other RSA/SHA variants, such as rsa4096,sha512.
398 - Other algorithms besides RSA
399 - More sandbox tests for failure modes
400 - Passwords for keys/certificates
401 - Perhaps implement OAEP
402 - Enhance bootm to permit scripted signature verification (so that a script
403 can verify an image but not actually boot it)
404
405
406 Simon Glass
407 sjg@chromium.org
408 1-1-13