【UEFI实战】BIOS中的openssl

BIOS中的openssl

openssl是一个密码库或者密码工具，在密码学基础_hex string is too short, padding with zero bytes t-CSDN博客介绍了基本的密码学概念已经openssl工具的使用，而这里将介绍BIOS下如何使用openssl。

在开源的BIOS代码库EDK中包含一个CryptoPkg，其中包含了BIOS需要使用到的密码库接口。通过包含openssl密码库代码，就可以在BIOS下使用密码学中的各种算法和工具。需要注意，EDK代码并不会直接包含openssl代码，而是通过外部链接的方式来实现的，如下图所示：

在这里插入图片描述

点击红框会跳转到对应的代码库，其中@之后的数字是对应的版本，这是因为无论是EDK还是openssl代码都一直在更新，所以存在兼容性的问题，通过制定版本信息，可以保证EDK可以正常编译和使用openssl。

这样当我们直接下载到EDK代码时，并不会包含openssl代码，需要额外的下载，这可以通过git的submodule子命令来下载。后续使用的测试代码https://gitee.com/jiangwei0512/edk2-beni.git已经提供了一键式的编译方式，在第一次编译的时候就会下载对应的openssl版本。

代码处理

当下载了openssl代码之后，EDK利用已有的库OpensslLib来包含代码并进行编译，这样的库有多个，差别在于包含的openssl功能，不如如果需要支持HTTPS中的TLS功能，在需要包含OpensslLib.inf，否则包含OpensslLibCrypto.inf即可：

!if $(NETWORK_TLS_ENABLE) == TRUE
  OpensslLib|CryptoPkg/Library/OpensslLib/OpensslLib.inf
!else
  OpensslLib|CryptoPkg/Library/OpensslLib/OpensslLibCrypto.inf
!endif

其它的还有OpensslLibAccel.inf、OpensslLibFull.inf、OpensslLibFullAccel.inf等，本质没有差异，只是包含功能的多寡。

需要注意的是，这个OpensslLib库并不会直接被其它的EDK代码使用，中间还有包装了一层EDK通用的库，这些库会对应到BIOS的不同阶段或功能：

# SEC
[Components]
  #
  # SEC Phase modules
  #
  OvmfPkg/Sec/SecMain.inf {
    <LibraryClasses>
      NULL|MdeModulePkg/Library/LzmaCustomDecompressLib/LzmaCustomDecompressLib.inf
      NULL|OvmfPkg/IntelTdx/TdxHelperLib/SecTdxHelperLib.inf
      BaseCryptLib|CryptoPkg/Library/BaseCryptLib/SecCryptLib.inf
  }

# 通用
[LibraryClasses.common]
  BaseCryptLib|CryptoPkg/Library/BaseCryptLib/BaseCryptLib.inf

# Runtime
[LibraryClasses.common.DXE_RUNTIME_DRIVER]
  BaseCryptLib|CryptoPkg/Library/BaseCryptLib/RuntimeCryptLib.inf

# SMM
[LibraryClasses.common.DXE_SMM_DRIVER]
  BaseCryptLib|CryptoPkg/Library/BaseCryptLib/SmmCryptLib.inf
  
# TLS
!if $(NETWORK_TLS_ENABLE) == TRUE
  TlsLib|CryptoPkg/Library/TlsLib/TlsLib.inf
!endif

因此当需要在BIOS下使用openssl，需要包含的是BaseCryptLib等库，并在代码中引入BaseCryptLib.h头文件。

此外，还需要注意几个点。

首先是为了开源的openssl能够正常的在EDK源码中正常编译，需要对其底层的一些基本函数进行包含，比如openssl代码中非常常用的memset()函数，如果是在Linux下编译，直接包含C标准库即可，但是EDK源码中是没有C标准库的，所以为了支持该命令，就需要对这些基础函数进行包装，这又引入了另外的一个EDK下的CrtLib（C RunTime Library），这可以通过edk2\CryptoPkg\Library\Include\CrtLibSupport.h看出来：

#ifndef __CRT_LIB_SUPPORT_H__
#define __CRT_LIB_SUPPORT_H__

#include <Library/BaseLib.h>
#include <Library/BaseMemoryLib.h>
#include <Library/DebugLib.h>
#include <Library/PrintLib.h>

#define OPENSSLDIR  ""
#define ENGINESDIR  ""
#define MODULESDIR  ""

#define MAX_STRING_SIZE  0x1000

// 中间略

//
// Macros that directly map functions to BaseLib, BaseMemoryLib, and DebugLib functions
//
#define memcpy(dest, source, count)         CopyMem(dest,source,(UINTN)(count))
#define memset(dest, ch, count)             SetMem(dest,(UINTN)(count),(UINT8)(ch))
#define memchr(buf, ch, count)              ScanMem8(buf,(UINTN)(count),(UINT8)ch)
#define memcmp(buf1, buf2, count)           (int)(CompareMem(buf1,buf2,(UINTN)(count)))
#define memmove(dest, source, count)        CopyMem(dest,source,(UINTN)(count))
#define strlen(str)                         (size_t)(AsciiStrnLenS(str,MAX_STRING_SIZE))
#define strncpy(strDest, strSource, count)  AsciiStrnCpyS(strDest,MAX_STRING_SIZE,strSource,(UINTN)count)
#define strcat(strDest, strSource)          AsciiStrCatS(strDest,MAX_STRING_SIZE,strSource)
#define strncmp(string1, string2, count)    (int)(AsciiStrnCmp(string1,string2,(UINTN)(count)))
#define strcasecmp(str1, str2)              (int)AsciiStriCmp(str1,str2)
#define strstr(s1, s2)                      AsciiStrStr(s1,s2)
#define sprintf(buf, ...)                   AsciiSPrint(buf,MAX_STRING_SIZE,__VA_ARGS__)
#define localtime(timer)                    NULL
#define assert(expression)
#define offsetof(type, member)  OFFSET_OF(type,member)
#define atoi(nptr)              AsciiStrDecimalToUintn(nptr)
#define gettimeofday(tvp, tz)   do { (tvp)->tv_sec = time(NULL); (tvp)->tv_usec = 0; } while (0)

#endif

通过EDK下的另外一些库（比如IntrinsicLib库）就可以实现C标准库中的函数。而在openssl中包含的stdlib.h等C标注库头函数，其内部的实现就是包含CrtLibSupport.h这个头文件即可：

/** @file
  Include file to support building the third-party cryptographic library.

Copyright (c) 2010 - 2017, Intel Corporation. All rights reserved.<BR>
SPDX-License-Identifier: BSD-2-Clause-Patent

**/

#include <CrtLibSupport.h>

这就构成了如下的样式：

+================================+
| EDK II Firmware Module/Library |
+================================+
     ^                 ^ 
     |                 |
     v                 v
+========+  +====================+
| TlsLib |  |    BaseCryptLib    |
+========+  +====================+
     ^                ^
     |                |
     v                v
+================================+
|     OpensslLib (Private)       |
+================================+
               ^
               |
               v
+================================+
|     IntrinsicLib (Private)     |
+================================+

其次，EDK包含openssl的方式是库的形式，但是这个库的实现却有不同的方式，可以是真正的库，也可以在库中包含Protocol或PPI。前者在速度上应该会快一点点，而后者可以降低openssl包含到EDK中的占用空间。

+===================+    +===================+     +===================+
|    EDK II PEI     |    |  EDK II DXE/UEFI  |     |     EDK II SMM    |
|   Module/Library  |    |   Module/Library  |     |   Module/Library  |
+===================+    +===================+     +===================+
  ^            ^           ^            ^            ^            ^
  |            |           |            |            |            |
  v            v           v            v            v            v
+===================+    +===================+     +===================+
|TlsLib|BaseCryptLib|    |TlsLib|BaseCryptLib|     |TlsLib|BaseCryptLib|
+-------------------+    +-------------------+     +-------------------+
|   BaseCryptLib    |    |   BaseCryptLib    |     |   BaseCryptLib    |
|   OnPpiProtocol/  |    |   OnPpiProtocol/  |     |   OnPpiProtocol/  |
|  PeiCryptLib.inf  |    |   DxeCryptLib.inf |     |  SmmCryptLib.inf  |
+===================+    +===================+     +===================+
           ^                      ^                         ^
          ||| (Dynamic)          ||| (Dynamic)             ||| (Dynamic)
           v                      v                         v
+===================+    +===================+    +=====================+
|     Crypto PPI    |    |  Crypto Protocol  |    | Crypto SMM Protocol |
+-------------------|    |-------------------|    |---------------------|
|     CryptoPei     |    |     CryptoDxe     |    |      CryptoSmm      |
+===================+    +===================+    +=====================+
     ^       ^                ^       ^                 ^       ^
     |       |                |       |                 |       |
     v       |                v       |                 v       |
+========+   |           +========+   |            +========+   |
| TlsLib |   |           | TlsLib |   |            | TlsLib |   |
+========+   v           +========+   v            +========+   v
  ^  +==============+      ^  +==============+       ^  +==============+
  |  | BaseCryptLib |      |  | BaseCryptLib |       |  | BaseCryptLib |
  |  +==============+      |  +==============+       |  +==============+
  |          ^             |          ^              |          ^
  |          |             |          |              |          |
  v          v             v          v              v          v
+===================+    +===================+     +===================+
|    OpensslLib     |    |    OpensslLib     |     |    OpensslLib     |
+===================+    +===================+     +===================+
          ^                        ^                         ^
          |                        |                         |
          v                        v                         v
+===================+    +===================+     +===================+
|    IntrinsicLib   |    |    IntrinsicLib   |     |    IntrinsicLib   |
+===================+    +===================+     +===================+

根据使用的BIOS二进制的大小，可以选择不同的方式。

代码示例

BIOS启动过程中会执行BootLoader来加载系统，最常用的就是GRUB，它可能是一个名为bootx64.efi的UEFI应用。BIOS启动的最后会将控制权交给这个bootx64.efi，并由后者来启动系统。但是这里存在一个问题，如何保证这个应用真的是我们需要的呢？如果该应用被修改甚至替换了，导致执行一些我们不希望其执行的代码，则是一个非常严重的安全漏洞。

在看过密码学基础_hex string is too short, padding with zero bytes t-CSDN博客之后就可以知道，可以使用数字签名的方式来解决bootx64.efi被修改的问题，其原理如下图所示：

在这里插入图片描述

实际使用的流程是这样的：

  1. 使用私钥对bootx64.efi进行加密，私钥由bootx64.efi的提供者保留，不能泄露。
  2. 将公钥放到BIOS代码中，启动时使用这个公钥校验bootx64.efi，成功的话再加载这个程序，否则就不加载。

通过这个操作，如果bootx64.efi被修改了，这个程序就不会被执行，这样可以防止执行异常的代码。下面将介绍这两部分的内容。

私钥加密

首先是私钥的创建，这通过openssl工具就可以完成。

  1. 创建私钥：
D:\Gitee\edk2-beni\beni\BeniPkg\Tools>openssl.exe genrsa -out private.pem 2048
Generating RSA private key, 2048 bit long modulus (2 primes)
....................................................................+++++
.....+++++
e is 65537 (0x010001)
  1. 从私钥提取出公钥：
D:\Gitee\edk2-beni\beni\BeniPkg\Tools>openssl.exe rsa -in private.pem -pubout -out public.pem
writing RSA key
  1. 对bootx64.efi（该文件手上暂时没有，使用helloworld.efi代替）的SHA256散列值进行加密：
D:\Gitee\edk2-beni\beni\BeniPkg\Tools>openssl.exe dgst -sign private.pem -sha256 -out sign.bin helloworld.efi

private.pem是前面创建的私钥，helloworld.efi是被签名的文件（用来替代bootx64.efi做测试），sign.bin是输出文件，表示helloworld.efi的数字签名。

  1. 如果要验证签名，可以通过如下的命令：
D:\Gitee\edk2-beni\beni\BeniPkg\Tools>openssl.exe dgst -verify public.pem -sha256 -signature sign.bin helloworld.efi
Verified OK

可以看到“Verified OK”，表示验证成功了。这里的public.pem是对应的公钥。后续我们的代码就是要实现这个步骤。

  1. 最后将原始文件（这里就是helloworld.efi）和数字签名放在一起，得到最终的efi文件：
D:\Gitee\edk2-beni\beni\BeniPkg\Tools>copy /b helloworld.efi+sign.bin helloworld_signed.bin
helloworld.efi
sign.bin
已复制         1 个文件。

最终得到一个helloworld_signed.efi，它与原始的版本进行比较，其差异如下：

在这里插入图片描述

公钥解密

这一部分需要BIOS的代码来实现，这里使用一个名为exec的命令来进行测试。

首先看一下原始的代码，它位于beni/BeniPkg/DynamicCommand/ExecuteShellAppCommand/Exec.c · jiangwei/edk2-beni - 码云 - 开源中国 (gitee.com)，其主要的实现：

VOID
Exec (
  IN  CONST CHAR16                  *AppName
  )
{
  EFI_STATUS                Status = EFI_ABORTED;
  EFI_DEVICE_PATH_PROTOCOL  *DevPath = NULL;
  CHAR16                    *Str = NULL;

  DevPath = gEfiShellProtocol->GetDevicePathFromFilePath (AppName);
  if (NULL == DevPath) {
    DEBUG ((EFI_D_ERROR, "Device path not found!\n"));
    return;
  } else {
    Str = ConvertDevicePathToText (DevPath, TRUE, FALSE);
    if (Str) {
      DEBUG ((EFI_D_ERROR, "DevPath: %s\n", Str));
      FreePool (Str);
    }
  }

  Status = gEfiShellProtocol->Execute (&gImageHandle, (CHAR16 *)AppName, NULL, NULL);
  if (EFI_ERROR (Status)) {
    DEBUG ((EFI_D_ERROR, "Execute failed. - %r\n", Status));
  }

  return;
}

这是Shell下的命令，通过如下的命令来执行：

exec helloworld.efi

helloworld.efi是一个Shell应用（未加密），而该操作会执行这个命令。

但是当加入了安全元素，就有了helloworld_signed.efi，因此代码中也需要加入相关的处理，在Exec()函数中增加判断：

VOID
Exec (
  IN  CONST CHAR16                  *AppName
  )
{
  EFI_STATUS                Status = EFI_ABORTED;
  EFI_DEVICE_PATH_PROTOCOL  *DevPath = NULL;
  CHAR16                    *Str = NULL;

  if (!(SecureCheck (AppName))) {
    ShellPrintHiiEx (-1, -1, NULL, STRING_TOKEN (STR_SECURE_ERROR), mExecHiiHandle);
    return;
  } else {
    ShellPrintHiiEx (-1, -1, NULL, STRING_TOKEN (STR_SECURE_SUCCESS), mExecHiiHandle);
  }

SecureCheck()就要用到openssl，其操作流程大致如下：
读取文件内容
对读取内容做SHA256散列计算
将散列值进行公钥验签
判断验签结果

下面分别说明上述的步骤：

  1. 读取文件不多做介绍，调用一般接口即可完成。
  2. 对读取内容进行散列计算，使用的是SHA256，因为私钥加密中做的就是SHA256，两者必须要对应，其代码如下（为了方便查看，只保留主干代码）：
  HashContext = AllocateZeroPool (Sha256GetContextSize ());

  CryptoStatus = Sha256Init (HashContext);

  CryptoStatus = Sha256Update (HashContext, FileBuffer, (FileSize - RSA_LEN));

  CryptoStatus = Sha256Final (HashContext, Digest);

这里需要注意的是现在的应用包含了原始内容和数字签名两个部分，而散列只针对前一个部分。

  1. 之后是验签。这里需要使用到公钥，这部分在私钥加密的介绍中已经生成，不过需要进行转化才能在代码中使用：
D:\Gitee\edk2-beni\beni\BeniPkg\Tools>openssl.exe rsa -in private.pem -text
RSA Private-Key: (2048 bit, 2 primes)
modulus:
    00:91:ad:ec:3f:4d:85:5f:c0:a7:95:14:92:6c:2f:
    0d:37:6e:58:2d:9a:06:0b:07:c0:15:90:1e:d9:70:
    25:a5:fe:87:68:c3:cd:a2:e5:d4:d7:3c:06:1f:30:
    a3:81:a7:6a:f0:27:aa:26:0c:cb:7d:cb:c2:2c:c6:
    67:b5:76:ef:30:4d:8d:12:6b:4d:20:11:2c:c4:69:
    a6:9b:db:0e:c8:ae:3e:cc:a8:e3:83:b9:80:5b:d2:
    97:3c:e2:e7:85:5a:db:53:23:8a:b4:a0:f8:02:f3:
    03:ec:41:37:97:d0:b5:35:f5:01:d9:3b:e8:24:24:
    ef:39:80:40:5e:c0:c6:b5:3d:32:3b:f1:4b:80:a9:
    2d:93:06:d4:8e:06:b6:b0:3e:ce:6a:17:75:28:32:
    50:a4:c1:86:4c:c0:46:bb:8d:83:6c:8e:53:96:72:
    7d:99:85:6f:19:b5:0c:33:1e:00:57:19:15:59:6b:
    58:30:dc:c5:00:0d:7c:cc:37:05:00:4f:17:a7:41:
    05:e0:d2:f7:67:67:f8:ce:77:a3:1b:9a:45:cf:04:
    14:04:9a:df:58:9d:2a:99:00:f7:16:94:ad:90:77:
    86:ff:6e:6b:03:d3:80:f3:f6:de:d9:cc:89:cc:bc:
    3b:f9:42:06:5d:ba:9b:93:96:b6:f3:e0:fd:98:a1:
    ff:9b
publicExponent: 65537 (0x10001)

这里的modulus和publicExponent是代码中需要使用到的值，最终在代码中：

///
/// Public modulus of RSA Key.
///
CONST UINT8 mPublicKey[] = {
  0x91, 0xad, 0xec, 0x3f, 0x4d, 0x85, 0x5f, 0xc0, 0xa7, 0x95, 0x14, 0x92, 0x6c, 0x2f, 0x0d, 0x37,
  0x6e, 0x58, 0x2d, 0x9a, 0x06, 0x0b, 0x07, 0xc0, 0x15, 0x90, 0x1e, 0xd9, 0x70, 0x25, 0xa5, 0xfe,
  0x87, 0x68, 0xc3, 0xcd, 0xa2, 0xe5, 0xd4, 0xd7, 0x3c, 0x06, 0x1f, 0x30, 0xa3, 0x81, 0xa7, 0x6a,
  0xf0, 0x27, 0xaa, 0x26, 0x0c, 0xcb, 0x7d, 0xcb, 0xc2, 0x2c, 0xc6, 0x67, 0xb5, 0x76, 0xef, 0x30,
  0x4d, 0x8d, 0x12, 0x6b, 0x4d, 0x20, 0x11, 0x2c, 0xc4, 0x69, 0xa6, 0x9b, 0xdb, 0x0e, 0xc8, 0xae,
  0x3e, 0xcc, 0xa8, 0xe3, 0x83, 0xb9, 0x80, 0x5b, 0xd2, 0x97, 0x3c, 0xe2, 0xe7, 0x85, 0x5a, 0xdb,
  0x53, 0x23, 0x8a, 0xb4, 0xa0, 0xf8, 0x02, 0xf3, 0x03, 0xec, 0x41, 0x37, 0x97, 0xd0, 0xb5, 0x35,
  0xf5, 0x01, 0xd9, 0x3b, 0xe8, 0x24, 0x24, 0xef, 0x39, 0x80, 0x40, 0x5e, 0xc0, 0xc6, 0xb5, 0x3d,
  0x32, 0x3b, 0xf1, 0x4b, 0x80, 0xa9, 0x2d, 0x93, 0x06, 0xd4, 0x8e, 0x06, 0xb6, 0xb0, 0x3e, 0xce,
  0x6a, 0x17, 0x75, 0x28, 0x32, 0x50, 0xa4, 0xc1, 0x86, 0x4c, 0xc0, 0x46, 0xbb, 0x8d, 0x83, 0x6c,
  0x8e, 0x53, 0x96, 0x72, 0x7d, 0x99, 0x85, 0x6f, 0x19, 0xb5, 0x0c, 0x33, 0x1e, 0x00, 0x57, 0x19,
  0x15, 0x59, 0x6b, 0x58, 0x30, 0xdc, 0xc5, 0x00, 0x0d, 0x7c, 0xcc, 0x37, 0x05, 0x00, 0x4f, 0x17,
  0xa7, 0x41, 0x05, 0xe0, 0xd2, 0xf7, 0x67, 0x67, 0xf8, 0xce, 0x77, 0xa3, 0x1b, 0x9a, 0x45, 0xcf,
  0x04, 0x14, 0x04, 0x9a, 0xdf, 0x58, 0x9d, 0x2a, 0x99, 0x00, 0xf7, 0x16, 0x94, 0xad, 0x90, 0x77,
  0x86, 0xff, 0x6e, 0x6b, 0x03, 0xd3, 0x80, 0xf3, 0xf6, 0xde, 0xd9, 0xcc, 0x89, 0xcc, 0xbc, 0x3b,
  0xf9, 0x42, 0x06, 0x5d, 0xba, 0x9b, 0x93, 0x96, 0xb6, 0xf3, 0xe0, 0xfd, 0x98, 0xa1, 0xff, 0x9b,
};

///
/// Public exponent of RSA Key.
///
CONST UINT8 mRsaE[] = {
  0x01, 0x00, 0x01
  };

有了公钥之后就可以进行验签，其代码处理也比较简单：

![exec_helloworld_signed](BIOS.assets/exec_helloworld_signed.png)  Rsa = RsaNew ();

  CryptoStatus = RsaSetKey (Rsa, RsaKeyN, mPublicKey, sizeof (mPublicKey));

  CryptoStatus = RsaSetKey (Rsa, RsaKeyE, mRsaE, sizeof (mRsaE));

  CryptoStatus = RsaPkcs1Verify (
                  Rsa,
                  Digest,
                  SHA256_DIGEST_SIZE,
                  FileBuffer + (FileSize - RSA_LEN),
                  RSA_LEN
                  );

RsaPkcs1Verify()接受的参数：

  • Rsa：RSA上下文。
  • Digest、SHA256_DIGEST_SIZE：SHA256散列值及其大小。
  • FileBuffer + (FileSize - RSA_LEN)、RSA_LEN：数字签名及其大小，因为使用了2046比特的签名，所以这个值是256。

FileBuffer + (FileSize - RSA_LEN)对应的就是应用程序最后的256个字节。

测试结果

以上的二进制和代码都已经包含在edk2-beni: 用于学习和验证UEFI BIOS。 (gitee.com)，将helloworld_signed.efi包含在代码中，最终进入到Shell之后会被放到fs0:中，执行该程序可以成功，但是当修改helloworld_signed.efi中的任意一个字节，则会报错：

在这里插入图片描述

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