eMMC安全簡介

1. 引言

術語“信息安全”涵蓋多種不同的設計特性。一般而言， 信息安全是指通過實踐防止信息遭受未經授權的訪問、使用、披露、中斷、篡改、檢查、記錄或銷毀。

信息安全的三大核心目標為 機密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）：

機密性：確保本應保密的信息僅能被授權實體讀取和理解。未經授權的個體無法訪問或理解機密信息。
完整性：指確認信息受到保護，防止未經授權的更改、修改或刪除。信息的完整性涵蓋其來源、完整性和正確性，通常通過身份識別和認證等方法實現。
可用性：確保授權用戶能夠始終訪問所需信息。

每個系統設計會根據其保護資產類型及價值，以不同方式支持這些安全目標。單一安全解決方案可能僅能防御部分潛在攻擊，而結合多種方案更有可能實現完全安全的設計。例如：

e.MMC寫保護機制旨在保障數據可用性；
重放保護內存塊（RPMB）方案專注于確保數據完整性；
Android全盤加密（FDE）則是一種針對數據隱私保護的安全方案，旨在確保機密性。

2.?eMMC安全特性的發展

eMMC設備集成多種數據保護與安全功能，包括密碼鎖（Password Lock）、寫保護（Write Protect）和重放保護內存塊（RPMB）。這些特性隨eMMC規范版本的迭代不斷升級優化。

2.1 密碼鎖（Password Lock）

功能目標

防止對用戶數據區（User Area）的 任何訪問（讀、寫、擦除），用于防范數據竊取。

實現方式

通過CMD42指令啟用密碼鎖定。
鎖定后，主機仍可執行基礎操作（復位、初始化、狀態查詢等），但禁止訪問用戶數據區。
允許訪問區域：啟動分區（Boot Partitions）、RPMB、通用分區（General Partition）。

局限性

完全阻斷訪問：包括數據所有者在內的所有用戶均無法操作受保護數據，可能導致使用靈活性下降。

技術背景

密碼鎖功能最初源自傳統SD卡，后被整合至早期eMMC規范。

2.2 寫保護（Write Protect）

功能目標

防止數據被篡改或擦除（無論惡意或誤操作），同時 允許讀取數據。

版本演進

eMMC4.3及更早：僅支持用戶區（User Area）寫保護。
eMMC4.4：引入分區概念，支持對分區內特定區域的寫保護。
eMMC5.1：新增認證機制，可通過身份驗證動態管理寫保護權限。

四種保護類型

類型	特點
永久寫保護	一旦啟用，無法禁用（防固件回滾或關鍵配置篡改）。
上電寫保護	啟用后，需斷電重啟或復位引腳觸發才能解除（防運行時惡意修改）。
臨時寫保護	可動態啟用/禁用（適用于臨時敏感操作保護）。
安全寫保護	僅授權用戶（通過RPMB認證）可管理寫保護狀態（高安全性場景）。

保護范圍擴展（eMMC5.1）

全局保護：可對整個設備（包括啟動分區、RPMB、通用分區、用戶數據區）設置永久或臨時寫保護。
分區級保護：
- 啟動分區：支持永久、安全或上電寫保護。
- 用戶數據區（UDA）與通用分區（GPP）：支持按“寫保護組”（Write Protect Groups）細分保護區域，并靈活選擇保護類型。
- 用戶數據區（UDA）與通用分區（GPP）的寫保護可應用于特定區段（規范中稱為“寫保護組”），這些區段支持配置為以下模式：
  - 永久寫保護（不可逆鎖定）
  - 安全寫保護（需RPMB授權解除）
  - 上電寫保護（重啟后生效）
  - 臨時寫保護（動態啟用/禁用）

2.3 RPMB（重放保護內存塊）

RPMB（Replay Protected Memory Block）功能首次于 eMMC4.4規范中引入。該特性允許設備將數據存儲在一個 經過認證且防重放攻擊的小型特定區域。

RPMB是一套 獨立的安全協議，擁有專屬的命令操作碼（Command Opcodes）和數據結構。其核心機制包含以下組件：

共享密鑰：設備與主機預先協商或預置的加密密鑰。
HMAC（哈希消息認證碼）：用于對訪問安全區域的所有讀寫操作進行數字簽名，確保操作合法性。

運行流程：

寫入數據時，主機需使用共享密鑰生成HMAC，附加到操作請求中；設備驗證HMAC合法性后執行寫入。
讀取數據時，設備返回的數據會附帶HMAC，供主機驗證完整性和來源真實性。
防重放攻擊：通過遞增計數器（Counter）值，拒絕重復或過期指令（例如：惡意復制舊指令篡改數據）。

3 RPMB用于身份驗證和防止重放攻擊的完整性保護。

RPMB（Replay Protected Memory Block，重放保護內存塊）使 e.MMC 設備能夠在特定區域（通常為 4MB）存儲數據，并對其進行身份驗證，防止重放攻擊。

3.1 What Is a Replay Attack?

重放攻擊（Replay Attack）是指攻擊者截獲并記錄合法交互中的數據，然后在后續階段重新發送相同的數據。由于原始信息包含正確的發送者和接收者標識符，以及數據的真實性證明，未經防范的重放數據將被接受，就像第一次傳輸時一樣。

此類攻擊可能由首次合法交互的發起者實施，或由“中間人”（MITM）在竊聽原始數據后進行重發。

例如，假設數字錢包服務提供商發送一條經過身份驗證的消息，將用戶賬戶余額設置為 $2,000。當用戶使用數字錢包支付 $1,600 的賬單時，可用余額降至 $400。如果一段惡意軟件執行重放攻擊，攔截了初始消息（將賬戶余額設置為 $2,000），通過在 $1,600 購買后重新發送相同的消息，它可以將賬戶余額重置為 $2,000。