eMMC安全简介

1. 引言

术语“信息安全”涵盖多种不同的设计特性。一般而言， 信息安全是指通过实践防止信息遭受未经授权的访问、使用、披露、中断、篡改、检查、记录或销毁。

信息安全的三大核心目标为 机密性（Confidentiality）、完整性（Integrity）和可用性（Availability）：

机密性：确保本应保密的信息仅能被授权实体读取和理解。未经授权的个体无法访问或理解机密信息。
完整性：指确认信息受到保护，防止未经授权的更改、修改或删除。信息的完整性涵盖其来源、完整性和正确性，通常通过身份识别和认证等方法实现。
可用性：确保授权用户能够始终访问所需信息。

每个系统设计会根据其保护资产类型及价值，以不同方式支持这些安全目标。单一安全解决方案可能仅能防御部分潜在攻击，而结合多种方案更有可能实现完全安全的设计。例如：

e.MMC写保护机制旨在保障数据可用性；
重放保护内存块（RPMB）方案专注于确保数据完整性；
Android全盘加密（FDE）则是一种针对数据隐私保护的安全方案，旨在确保机密性。

2. eMMC安全特性的发展

eMMC设备集成多种数据保护与安全功能，包括密码锁（Password Lock）、写保护（Write Protect）和重放保护内存块（RPMB）。这些特性随eMMC规范版本的迭代不断升级优化。

2.1 密码锁（Password Lock）

功能目标

防止对用户数据区（User Area）的 任何访问（读、写、擦除），用于防范数据窃取。

实现方式

通过CMD42指令启用密码锁定。
锁定后，主机仍可执行基础操作（复位、初始化、状态查询等），但禁止访问用户数据区。
允许访问区域：启动分区（Boot Partitions）、RPMB、通用分区（General Partition）。

局限性

完全阻断访问：包括数据所有者在内的所有用户均无法操作受保护数据，可能导致使用灵活性下降。

技术背景

密码锁功能最初源自传统SD卡，后被整合至早期eMMC规范。

2.2 写保护（Write Protect）

功能目标

防止数据被篡改或擦除（无论恶意或误操作），同时 允许读取数据。

版本演进

eMMC4.3及更早：仅支持用户区（User Area）写保护。
eMMC4.4：引入分区概念，支持对分区内特定区域的写保护。
eMMC5.1：新增认证机制，可通过身份验证动态管理写保护权限。

四种保护类型

类型	特点
永久写保护	一旦启用，无法禁用（防固件回滚或关键配置篡改）。
上电写保护	启用后，需断电重启或复位引脚触发才能解除（防运行时恶意修改）。
临时写保护	可动态启用/禁用（适用于临时敏感操作保护）。
安全写保护	仅授权用户（通过RPMB认证）可管理写保护状态（高安全性场景）。

保护范围扩展（eMMC5.1）

全局保护：可对整个设备（包括启动分区、RPMB、通用分区、用户数据区）设置永久或临时写保护。
分区级保护：
- 启动分区：支持永久、安全或上电写保护。
- 用户数据区（UDA）与通用分区（GPP）：支持按“写保护组”（Write Protect Groups）细分保护区域，并灵活选择保护类型。
- 用户数据区（UDA）与通用分区（GPP）的写保护可应用于特定区段（规范中称为“写保护组”），这些区段支持配置为以下模式：
  - 永久写保护（不可逆锁定）
  - 安全写保护（需RPMB授权解除）
  - 上电写保护（重启后生效）
  - 临时写保护（动态启用/禁用）

2.3 RPMB（重放保护内存块）

RPMB（Replay Protected Memory Block）功能首次于 eMMC4.4规范中引入。该特性允许设备将数据存储在一个 经过认证且防重放攻击的小型特定区域。

RPMB是一套 独立的安全协议，拥有专属的命令操作码（Command Opcodes）和数据结构。其核心机制包含以下组件：

共享密钥：设备与主机预先协商或预置的加密密钥。
HMAC（哈希消息认证码）：用于对访问安全区域的所有读写操作进行数字签名，确保操作合法性。

运行流程：

写入数据时，主机需使用共享密钥生成HMAC，附加到操作请求中；设备验证HMAC合法性后执行写入。
读取数据时，设备返回的数据会附带HMAC，供主机验证完整性和来源真实性。
防重放攻击：通过递增计数器（Counter）值，拒绝重复或过期指令（例如：恶意复制旧指令篡改数据）。

3 RPMB用于身份验证和防止重放攻击的完整性保护。

RPMB（Replay Protected Memory Block，重放保护内存块）使 e.MMC 设备能够在特定区域（通常为 4MB）存储数据，并对其进行身份验证，防止重放攻击。

3.1 What Is a Replay Attack?

重放攻击（Replay Attack）是指攻击者截获并记录合法交互中的数据，然后在后续阶段重新发送相同的数据。由于原始信息包含正确的发送者和接收者标识符，以及数据的真实性证明，未经防范的重放数据将被接受，就像第一次传输时一样。

此类攻击可能由首次合法交互的发起者实施，或由“中间人”（MITM）在窃听原始数据后进行重发。

例如，假设数字钱包服务提供商发送一条经过身份验证的消息，将用户账户余额设置为 $2,000。当用户使用数字钱包支付 $1,600 的账单时，可用余额降至 $400。如果一段恶意软件执行重放攻击，拦截了初始消息（将账户余额设置为 $2,000），通过在 $1,600 购买后重新发送相同的消息，它可以将账户余额重置为 $2,000。