Anchor
_Toc244330123 _Toc244330123

Anchor
_Toc326167579 _Toc326167579

Выбор кода для размещения в ключе

Это самый ответственный и нетривиальный этап разработки загружаемого кода. Суть его заключается в том, что разработчику нужно решить, какой именно код будет выполняться в электронном ключе.
Код должен быть устроен таким образом, чтобы выполнять определенную конечную задачу, которая в общем виде выглядит так:

...

Существует целый ряд требований к этому коду, налагающих достаточно серьезные ограничения на выбор. Требования условно можно разделить на несколько типов:

Anchor
_Toc244330124 _Toc244330124

Требования по безопасности

Загружаемый код должен быть достаточно сложным, чтобы брутфорс или иные (более эффективные и продвинутые) методы анализа черных ящиков не сделали возможным создания эмулятора в короткое время.
Этот код должен отсутствовать в более ранних версиях приложения. Несоблюдение этого условия делает возможным сравнение версий приложения и нахождение перенесенного кода для внедрения его в эмулятор.

Anchor
_Toc244330125 _Toc244330125

Требования по производительности

Контроллер ключа обладает достаточно большими вычислительными возможностями, однако мощность его все же гораздо ниже, чем у современных процессоров. Поэтому важно, чтобы код не был слишком ресурсоемким, в противном случае время его выполнения может возрасти до неприемлемого уровня.
Кроме того, код, загружаемый в ключ, не должен вызываться слишком часто, например, в цикле. Если при единичном вызове задержка при выполнении не будет значительной, то при циклическом вызове она может оказаться очень существенной.

Anchor
_Toc244330126 _Toc244330126

Требования по реализуемости

Код, размещаемый в электронном ключе, не должен:

...

Коду, исполняемому внутри ключа, доступны лишь стандартные библиотеки С и функции для работы с электронным ключом.
Ключи Guardant Code позволяют исполнять алгоритмы до 20 тысяч строк кода на С (до 60 тысяч строк в моделях ключей с увеличенным размером памяти). Соответственно, размер кода должен укладываться в эти пределы.

Anchor
_Toc244330127 _Toc244330127

Anchor
_Toc326167580 _Toc326167580

Средства разработки

Несмотря на то, что для процессоров CORTEX-M3 существуют компиляторы многих языков программирования, эффективнее всего использовать язык C, а точнее его подмножество, основой для которого является стандарт ANSI C.
Требование соблюдения стандарта связано с тем, что первоначальная разработка и отладка загружаемого кода может выполняться с использованием различных компиляторов. Т. е. предполагается, что код разрабатывается в привычной интегрированной среде, а затем компилируется для использования в Guardant Code. Поэтому для разработки загружаемого кода пригодятся навыки кроссплатформенного программирования.
Код перед загрузкой в ключ должен быть скомпилирован. Поскольку система команд процессора архитектуры CORTEX-M3, используемого в ключе, отличается от системы команд x86-совместимых процессоров, для работы потребуется компилятор, способный генерировать двоичный код, совместимый с архитектурой CORTEX-M3.
Для компиляции загружаемого кода можно применять как коммерческие средства, так и распространяемые под различными «свободными» лицензиями. К последним можно отнести GCC (включая различные решения на его основе, такие как YAGARTO).
Большинство средств разработки, распространяемых под свободными лицензиями, рассчитаны на работу под Linux. Тем не менее, существуют решения и для Windows. Кроме того, есть возможность использовать средства разработки, предназначенные для Linux под операционными системами семейства Windows, применяя для их запуска Cygwin или MinGW.
Примеры и makefile, входящие в комплект разработчика Guardant, рассчитаны на использование компилятора GCC и инструментария YAGARTO, как на самый доступный вариант.
Хотя для большинства высокоуровневых языков программирования перенос кода на С достаточно несложен, но альтернативно, можно использовать и другие языки программирования высокого уровня, для которых есть компилятор CORTEX-M3. Однако в данном документе эта возможность не описывается.

Anchor
_Toc244330128 _Toc244330128

Anchor
_Guardant_Code_API. _Guardant_Code_API.

Anchor
_Toc326167581 _Toc326167581

Guardant Code API. Интерфейс прикладного программирования загружаемого кода

При разработке загружаемого кода с большой вероятностью может возникнуть необходимость обращаться к ресурсам ключа, находящимся в области EEPROM (защищенным ячейкам, алгоритмам), или к таймеру. Поэтому был разработан специальный интерфейс прикладного программирования Guardant Code API (см. Справочную систему Guardant API, файл GrdAPI.chm) Библиотека этого API содержит большинство функций Guardant API, адаптированных для использования из среды загружаемого кода.
Основной нюанс при работе с Guardant Code API состоит в том, что хэндл защищенного контейнера в загружаемом коде теряет смысл, поскольку этот код, во-первых, имеет доступ только к одному ключу, а во-вторых, не существует ситуации конкурентного доступа к ресурсам ключа из разных потоков одного приложения и из разных приложений.
Вместе с тем, функциям внутренного API загружаемого кода передается параметр типа HANDLE. Это сделано для соблюдения единообразия и удобства отладки загружаемого кода.
Guardant Code API поддерживает основные функции Guardant API, связанные с хранением данных и работой с алгоритмами.
Кроме того, в API загружаемого кода существует возможность вызывать криптографические алгоритмы, не используя дескрипторы, а напрямую, подобно тому, как в Guardant API вызываются программно-реализованные алгоритмы. Для этого вместо числового имени ячейки, содержащей дескриптор, указывается специальное зарезервированное имя алгоритма.
Если в загружаемом коде присутствуют функции Guardant API (например, в ключ переносится алгоритм, который раньше защищался ключами Guardant), то для большинства этих функций существуют аналоги в Guardant Code API, и портирование будет заключаться в смене префикса c GrdXXX на GcaXXX или GccaXXX.

...

Важная информация
1. Подробную информацию по функциям внутреннего Guardant Code API см. в Справочной системе по Guardant API (файл GrdAPI.chm).
2. Поскольку в Guardant Code не реализован алгоритм GSII64 и производные от него (HASH64, RAND64 и т. д.), возможно придется немного переработать существующую схему защиты на использование алгоритмов AES128 для шифрования и SHA256 для хэширования. Все остальные возможности предыдущих поколений ключей присутствуют и в Guardant Code.

Anchor
_Toc244330129 _Toc244330129

Anchor
_Сервисные_функции_GrdAPI _Сервисные_функции_GrdAPI

Сервисные функции GrdAPI для работы с загружаемым кодом

Загружаемый код, в отличие от ячеек с данными и дескрипторов аппаратных алгоритмов, хранится в другой области памяти ключа, для которой используются иные принципы адресации. Поэтому для загрузки кода в память ключа, его выполнения и других операций существуют специальные функции Guardant API.
Для записи в ключ загружаемый код преобразуется в файл специального формата GCEXE (Guardant Code Executable), обеспечивающего защиту от подделки, подмены и анализа. Эта защита обеспечивается шифрованием криптостойкими алгоритмами и ЭЦП. Такая защита делает возможным безопасное обновление загружаемого кода в ключе, в том числе при пересылке файлов по открытым каналам и через сети общего пользования.
Файл формата GCEXE генерируется на основе данных дескриптора загружаемого кода, скомпилированного кода и map-файла утилитой программирования ключей GrdUtil.exe. Однажды сгенерированный файл может быть использован для записи в тиражируемые ключи той же утилитой. Если предпродажное программирование осуществляется при помощи собственных специально разработанных инструментов, файл с загружаемым кодом может быть записан в ключ при помощи функции GrdCodeLoad().
Список сервисных функций Guardant API:

...

Подробнее см. в Справочной системе по Guardant API (файл GrdAPI.chm).

Anchor
_Toc244330130 _Toc244330130

Anchor
_Toc326167582 _Toc326167582

Компиляция загружаемого кода

Anchor
_Toc244330131 _Toc244330131

Инсталляция и настройка компилятора GCC

Для компиляции загружаемого кода используются компилятор и линкер GCC, стандартная библиотека С для встраиваемых систем newlib, утилита make и несколько сервисных утилит.
Существует два варианта использования GCC:

...

После выполнения этих шагов компилятор полностью готов к работе. Дальнейшая работа с ним будет выполняться посредством вызова утилиты make на заранее созданных и настроенных makefile.

Anchor
_Toc244330132 _Toc244330132

Общие сведения о компиляции и сборке

Все инструкции для компилятора и линкера, а также команды для обработки скомпилированного кода, содержатся в конфигурационном файле утилиты make (имя этого файла по умолчанию - makefile).
Соответственно, для компиляции приложения необходимо:

1. Отредактировать настройки в секции Main Configuration внутри makefile:

...

Важная информация
В makefile нельзя использовать символ «\» и пути с пробелами. В качестве разделителя необходимо указывать «/». Чтобы избежать пробелов, можно задавать относительные пути, либо копировать необходимые для компиляции

Anchor
_Toc244330133 _Toc244330133

Команды утилиты make

Приложение собирается при помощи GNU-утилиты make, которая использует конфигурационный файл с именем makefile.
Для утилиты make доступны следующие команды:

1. Сборка проекта

Если конфигурационный файл имеет имя по умолчанию (makefile):

...

Если конфигурационный файл имеет имя, отличное от имени по умолчанию:

2. Удаление всех файлов, создаваемых при сборке(файлы, создаваемые при make template не удаляются)

или

3. Создание шаблона приложения

или

Важная информация
Если в сгенерированные при создании шаблона проекта файлы Startup.S и rom.ld были внесены изменения, они будут потеряны при повторном создании шаблона!

Полная пересборка приложения

или

Пересборка может требоваться при изменении уровня оптимизации и при добавлении новых файлов (см. следующий раздел).
Важная информация
Если в системе одновременно с GCC установлены другие компиляторы, использующие собственные утилиты make (например, Borland C), при вызове make следует указывать полный путь, поскольку пути к другим утилитам make могут быть прописаны в переменной среды PATH. Можно придумать и иные способы дифференциации.

Anchor
_Toc244330134 _Toc244330134

Настройка универсального makefile

Универсальный makefile содержит секции настроек с параметрами:

...

Anchor
_Toc244330135 _Toc244330135

Точка входа в приложение

При старте приложения, в самом начале начинает исполняться код, находящийся в файле Startup.S. Он инициализирует стек и C-окружение (предварительно инициализированные переменные) и обнуляет неинициализированные переменные и область стека, при необходимости вызывает конструкторы глобальных объектов C. После этого он передает управление в приложение на C. Этот файл генерируется автоматически из универсального makefile.
По умолчанию точка входа в C-приложении на GCC имеет стандартное имя main. Прототип, однако, отличается от стандартного ANSI C и имеет следующий вид:

...

Anchor
_Toc244330136 _Toc244330136

Адресное пространство

В микроконтроллерах на основе ядра CORTEX-M3, на которых построен ключ Guardant Code, имеется единое адресное пространство в 4Гб. Для загружаемого кода доступны следующие диапазоны адресов:

...

Диапазон используемых адресов указывается в makefile (параметры CFG_PROGRAM_ADDR, CFG_PROGRAM_SIZE, CFG_ RAM, CFG_RAM_SIZE). Задаваемые адреса должны быть кратны 0x8000 байт, и быть выровнены по границе 32768 байт.
Диапазон адресов, доступных загружаемому коду, описывается в соответствующем дескрипторе аппаратного алгоритма. GrdUtil автоматически заполняет соответствующие поля дескриптора информацией из файла *.bmap.
Поскольку по умолчанию под загружаемый код резервируется вся Flash-память и вся RAM, значения этих настроек без насущной необходимости изменять не нужно.

Anchor
_Toc244330137 _Toc244330137

Буферы ввода-вывода

Имена буферов ввода и вывода в makefile могут быть разными, а могут и совпадать.
В случае, когда они совпадают, выделяется один буфер, который работает одновременно и на ввод, и на вывод. В C-коде буфер ввода-вывода может быть объявлен так:

...

При этом в параметрах CFG_INPUT_BUFFER_NAME и CFG_OUTPUT_BUFFER_NAME указывается значение iodata.
Если же используются раздельные буферы, то каждый из них объявляется в C-коде отдельно, и имеет собственное имя и размер.
При объявлении буферов допустимо использование любых типов данных, однако в случае структур рекомендуется добавлять в определение макрос ALIGNED, например:

Это указывает компилятору, что структура выровнена в памяти, и позволяет генерировать более эффективный код для доступа к полям структуры.
По умолчанию размер буфера ввода-вывода установлен равным 1024 байта. Для ввода-вывода в примерах используется единый буфер. Перед запуском загружаемого приложения данные в него помещаются, а после окончания работы возвращаются обратно в PC.
Максимальный суммарный размер буферов для ввода-вывода составляет 0x3F00 байт (16128 байт). Так же в объявлении переменной желательно указание макроса ALIGNED, который говорит компилятору, что буфер выровнен в памяти, и, в некоторых случаях, оптимизировать доступ к данной переменной.

Anchor
_Toc239831217 _Toc239831217

Anchor
_Toc243829449 _Toc243829449

Anchor
_Toc244330138 _Toc244330138

Стек

Размер программного стека для GCC указывается в makefile. За это отвечает параметр:

...

За счет этого происходит экономия памяти стека и увеличивается быстродействие кода.

Anchor
_Toc239831220 _Toc239831220

Anchor
_Toc243829450 _Toc243829450

Anchor
_Toc244330139 _Toc244330139

Anchor
_Toc326167583 _Toc326167583

Устройство загружаемого кода

Прямой перенос кода из исходного приложения может быть сопряжен с определенными трудностями. В общем случае, код, перенесенный в том же виде, как он существует в приложении, будет неработоспособен в электронном ключе. Поэтому код должен быть модифицирован и оптимизирован для выполнения на платформе CORTEX-M3. Желательно, чтобы этот код был написан заново и реализовывал функции, которых в ранних версиях приложения не было, либо эти функции должны быть видоизменены.

Anchor
_Toc243829451 _Toc243829451

Anchor
_Toc244330140 _Toc244330140

Параметры функции main()

Прототип функции main() объявляется следующим образом:

...

Anchor
_Toc243829452 _Toc243829452

Anchor
_Toc244330141 _Toc244330141

Статические и глобальные переменные

По возможности, переменные лучше объявлять глобально (хотя это и противоречит принципам функционального программирования), а не в теле функции, чтобы не передавать данные через стек. Этим экономится память стека и увеличивается быстродействие.
В загружаемом коде можно создать глобальные переменные, содержимое которых не будет обнуляться между вызовами. Такие переменные требуется объявлять с макросом NO_INIT:

...

Эти переменные являются аналогами статических переменных.
Польза от них может заключаться в возможности запоминания некоторых состояний загружаемого кода. Это делает анализ «черного ящика» гораздо более сложным.

Anchor
_Toc239831223 _Toc239831223

Anchor
_Toc243829453 _Toc243829453

Anchor
_Toc244330142 _Toc244330142

Возврат из загружаемого кода

Выход из приложения можно осуществлять следующим образом:

...

В примерах в качестве кода возврата с ошибкой используется значение -1. Для упрощения отладки можно возвращать значения макроса _LINE или пользоваться вызовом GcaExit(0, __LINE_). Этот способ поможет определить строку, на которой произошел выход из приложения. Оставлять в конечных версиях возвраты в данном виде нежелательно, так как это может дать дополнительную информацию для злоумышленника.
Для отладки можно, к примеру, использовать следующий макрос:

ASSERT(x != 0); // Если x!=0, осуществит возврат из программы с указанием номера строки, в которой вставлен ASSERT.

Anchor
_Toc239831225 _Toc239831225

Anchor
_Toc243829455 _Toc243829455

Anchor
_Toc244330144 _Toc244330144

Использование арифметики с плавающей точкой

За вычисления с плавающей точкой отвечает библиотека libm из комплекта GCC. Полное описание математических функций, доступных в ней, можно найти в документации к данной библиотеке. Для каждой функции имеется 2 варианта: обычный, для вычислений с двойной точностью (тип double), а также с приставкой «f», для вычислений с половинной точностью (тип float).

Anchor
_Toc239831228 _Toc239831228

Anchor
_Toc243829456 _Toc243829456

Anchor
_Toc244330145 _Toc244330145

Anchor
_Toc326167584 _Toc326167584

Отладка загружаемого кода

Разработка и первоначальная отладка загружаемого кода производится на компьютере. Для этого можно использовать любую IDE и отладчик языка С.
Основная проблема состоит в том, что отлаживать уже загруженный код затруднительно, поскольку нет возможности «залезть» отладчиком в контроллер ключа. Поэтому первоначально отлаживают сам алгоритм загружаемого кода.
Загруженный в ключ код имеет ограниченные возможности для трассировки. Например, нельзя вывести трассу на консоль или записать в файл. Однако некоторые средства все же есть. Для этой цели можно использовать функции управления светодиодом. Сигналы, подаваемые с его помощью, можно применять в качестве признаков прохождения тех или иных веток кода.
Как вариант, можно использовать принудительный возврат из загружаемого кода с соответствующим кодом возврата и передачей необходимых для отладки данных через буфер вывода.
Методы отладки кода такие же, как и при разработке на PC. Если в загружаемом коде используются вызовы Guardant Code API, то для отладки не нужно загружать этот код в ключ: можно использовать входящую в комплект разработчика отладочную библиотеку.

Anchor
_Toc243829457 _Toc243829457

Anchor
_Toc244330146 _Toc244330146

Описание отладочной библиотеки

Отладочная библиотека представлена двумя частями:

...

Следует принимать во внимание, что ни сама отладочная библиотека, ни отладочный модуль не содержат логики работы функций. Они являются всего лишь своеобразным «туннелем», через который параметры вызова функций передаются в электронный ключ и возвращаются обратно.





Пример использования макроса DEBUGDLL_INIT:

Также стоит отметить, что функции GcaExit() и GcaLedOn()/ GcaLedOff() не могут работать в отладочном режиме. Первая – из-за того, что результат ее работы просто нельзя зафиксировать, а функции управления светодиодом – из-за того, что сразу после их вызова работа кода будет завершаться, при этом индикатор просто зажигается вновь.
Использование отладочной библиотеки демонстрируется в примере №19 (см. Краткая характеристика примеров).

Anchor
_Toc243829458 _Toc243829458

Anchor
_Toc244330147 _Toc244330147

Anchor
_Toc326167585 _Toc326167585

Загрузка кода в электронный ключ

Для загрузки кода в электронный ключ первоначально используется GrdUtil. При помощи этой утилиты создается дескриптор аппаратного алгоритма типа Загружаемый код.
В свойствах алгоритма указывается бинарный файл, который содержит скомпилированный загружаемый код. Этому файлу должен сопутствовать файл bmap, содержащий настройки адресов памяти.
Бинарный файл перед загрузкой должен быть преобразован в файл типа GCEXE (Guardant Code executable). Преобразование осуществляется в автоматическом режиме утилитой программирования ключей GrdUtil.
При выполнении преобразования GrdUtil генерирует ключевыепары:

...

Перед загрузкой бинарный файл зашифровывается на сеансовом ключе и подписывается ЭЦП. Это гарантирует возможность загрузки кода только разработчиком. При необходимости файл GCEXE можно сгенерировать таким образом, чтобы он мог быть загружен только в ключ с указанным ID. Эта возможность полезна для создания адресных обновлений, например – платных.
При записи данных в ключ первоначально записывается дескриптор алгоритма, а уже затем – файл GCEXE.
Однажды сгенерированный файл GCEXE может быть в дальнейшем записан и в другие ключи, содержащие соответствующие ключи шифрования и подписи. Для этого используется функция GrdCodeLoad().

Anchor
_Toc243829459 _Toc243829459

Anchor
_Toc244330148 _Toc244330148

Anchor
_Toc326167586 _Toc326167586

Отладка защищенного приложения

Отладке приложений, использующих загружаемый код, следует уделить особое внимание, поскольку поиск ошибок при работе с «черным ящиком» является непростым делом.
Очень важным является итоговое быстродействие загруженного кода. Если оно получается неудовлетворительным, требуется принять меры по приведению кода к обозначенным в начале этой главы требованиям.

Anchor
_Toc243829460 _Toc243829460

Anchor
_Toc244330149 _Toc244330149

Anchor
_Toc326167587 _Toc326167587

Дистанционное обновление загружаемого кода

Проблема обновления информации в ключах, уже находящихся у пользователей приложения, актуальна и для загружаемого кода. Рано или поздно в этот код может потребоваться внести изменения или исправления.
Для успешного обновления загружаемого кода необходимо выполнение следующих условий:

...

Для обновления загружаемого кода необходимо сгенерировать новый GCEXE-файл с обновленным кодом, зашифрованным и подписанным на соответствующих ключах.
Само обновление может производиться как при помощи технологии TRU, так и прямой загрузкой GCEXE-файла из защищаемого приложения функцией GrdCodeLoad().
При желании можно сделать процедуру обновления загружаемого кода «прозрачной» для пользователя. Тогда от него потребуется только получить обновление, поместить его рядом с исполняемым файлом приложения (или в специально для этого предназначенную директорию) и запустить приложение.