Seminar STM32 – Firmware-Image-Format, Signierung und Verschlüsselung mit MCUboot

Das Update-Image ist die vertragliche Schnittstelle zwischen Build-System, Bootloader und laufender Anwendung. Fehler bei Headergrößen, Alignment, Slotgrenzen, Schlüsseln oder Metadaten führen häufig erst auf dem Zielsystem zu schwer diagnostizierbaren Ablehnungen. Das Seminar zerlegt das MCUboot-Format und baut die Erzeugung schrittweise reproduzierbar auf.

Inhaltsübersicht

• Zielsetzung
• Zielgruppe
• Voraussetzungen
• Seminarinhalte
• Praxisübungen
• Methodik

Zielsetzung

• Header, geschützte und ungeschützte TLVs sowie Trailer-Funktionen sicher unterscheiden
• Signatur- und Verschlüsselungsschlüssel zweckgebunden erzeugen und einsetzen
• Version, Security Counter, Abhängigkeiten, Padding und Slotgröße korrekt kodieren
• Images vor der Auslieferung strukturell, kryptografisch und gegen Zielparameter prüfen

Zielgruppe

Embedded-Entwickler, Bootloader- und Build-Engineers, Integrationsentwickler, Product-Security-Teams und technische Qualitätssicherung.

Voraussetzungen

Sichere C- und Build-Kenntnisse, Grundlagen asymmetrischer Signaturen und symmetrischer Verschlüsselung sowie ein grundlegendes Verständnis von MCUboot-Slots und Bootabläufen.

Seminarinhalte

1. Schritt 1: Binärlayout analysieren

   Anwendungsvektor, MCUboot-Header, Nutzdaten, geschützte TLVs, reguläre TLVs, Padding und Slot-Trailer werden im Hex- und Map-Abbild lokalisiert.

2. Schritt 2: Zielparameter festlegen

   Headergröße, Schreib-Alignment, maximale Slotgröße, Startadresse, Image-ID und Update-Modus werden aus Flash-Geometrie und Bootloader-Konfiguration abgeleitet.

3. Schritt 3: Schlüsselrollen trennen

   Signatur-Root, operative Signaturschlüssel und optionale Verschlüsselungsschlüssel werden nach Zweck, Lebensdauer, Zugriff und Austauschbarkeit strukturiert.

4. Schritt 4: Schlüsselpaar und Trust Anchor erzeugen

   Der private Schlüssel bleibt außerhalb des Zielprojekts. Der Bootloader erhält nur die erforderliche öffentliche Vertrauensinformation oder eine plattformspezifisch provisionierte Referenz.

5. Schritt 5: Image signieren

   Firmware-Version, Header, Alignment, Slotgrenze und Signaturalgorithmus werden konsistent gesetzt. Die Ausgabe wird anhand von Hash, Signatur-TLV und Längenfeldern geprüft.

6. Schritt 6: Security Counter ergänzen

   Ein vom normalen Release-Stand unabhängiger Counter wird in geschützten Metadaten geführt und mit der vertrauenswürdigen Counter-Ablage des Zielsystems abgestimmt.

7. Schritt 7: Image verschlüsseln

   Vertraulichkeit des Transport- oder Speicherimages wird von Authentizität und Integrität getrennt betrachtet. Schlüsselverpackung und Entschlüsselungsort werden gegen das Angriffsmodell geprüft.

8. Schritt 8: Padding und Trailer berücksichtigen

   Pad-Header, vollständige Slotauffüllung, Trailer-Reserve und maximale Alignment-Anforderung werden so gewählt, dass die gewählte Upgrade-Strategie nicht in angrenzende Bereiche schreibt.

9. Schritt 9: Multi-Image-Beziehungen modellieren

   Secure- und Nonsecure-Images, Funkstack, Datenimage oder weitere Komponenten erhalten getrennte IDs, Versionen, Abhängigkeiten und Freigaberegeln.

10. Schritt 10: Vorabprüfung und Negativtests durchführen

    Struktur-Dump, Hashvergleich, falscher Schlüssel, beschädigte TLVs, falsches Alignment, übergroßes Image und nicht erfüllte Abhängigkeit werden vor dem Flashen erkannt.

Praxisübungen

• Dekodierung eines vollständigen MCUboot-Images bis auf Header- und TLV-Ebene
• Erzeugung mehrerer Images mit unterschiedlichen Versionen und Security Countern
• Vergleich signierter und zusätzlich verschlüsselter Update-Artefakte
• Fehleranalyse bei Slot-Überlauf, falscher Headergröße und beschädigter Signatur

Methodik

Binäranalyse, Kommandoabläufe und Bootloader-Konfiguration werden parallel betrachtet. Jede Änderung am Image wird durch einen strukturellen Dump, eine kryptografische Prüfung und einen Test auf dem Zielsystem nachvollzogen.