变电站边缘 AI：安全启动与运行时完整性手册
调研日期：约 2026-10-25（Asia/Shanghai）
定位：站端边缘盒 Secure Boot / verified boot、dm-verity 或只读根、TPM/TEE（若有） 与 Mender A/B、模型签名仓、VLAN/管理口、密钥保管的可执行衔接；不进保护网。
衔接：edge-ai-model-signstore-mender-cookbook.md、edge-ai-gstreamer-ota-cheatsheet.md、edge-ai-vlan-network-isolation.md、edge-ai-mqtt-hardening-offline-buffer.md、edge-ai-observability-logging-metrics.md、edge-ai-d60-d90-acceptance-checklist.md、edge-ai-substation-gateway-bom.md。
声明：本文为边缘 AI 工程安全基线，不替代继电保护二次安规、站端安防细则或业主未公开规程。板级熔丝/OTP/厂商 HAB 细节标 unknown，须 BSP 厂商与安监终审。公开方案引用：U-Boot Verified Boot、FIT dm-verity、Mender Secure Boot/A/B、OP-TEE 概念级。
0. 一句话结论与红线
结论：信任链从（可选）硬件 RoT → 验签 bootloader → 验签内核/FIT → dm-verity 或 A/B+哈希只读根 → Agent/模型仓 Ed25519 验签；系统轨走 Mender A/B，模型轨走数据分区签名仓，分轨回滚；生产关调试口、密钥不出盒、管理口进 MGMT VLAN，永不进保护二层。
| 红线 ID | 禁止项 | 说明 |
|---|---|---|
| S1 | 禁止未验签模型上线 | 无 sig / 错签 / model.ver≠权重 SHA → 拒激活；对齐 D60-06、MODEL_VERIFY_FAIL |
| S2 | 禁止生产开调试口无审计 | UART/ADB/JTAG/串口 shell、未鉴权 SSH 密码登录默认关；临时开启须工单+审计日志+时限 |
| S3 | 密钥不出盒 | 模型/OTA/设备身份私钥不落 rootfs、不进 Git、不出站外拷贝；设备侧仅公钥或 TEE/TPM 内私钥 |
| S4 | 不替代二次安规 | Secure Boot ≠ 保护装置安全；AI 资产禁止进 PROT VLAN / 跳闸回路（N1、D60-09） |
| S5 | 禁止「只签内核、不保根」当生产完成态 | 无 dm-verity / 只读根 / A/B 完整性策略时，rootfs 可被改写绕过 Agent 验签；试点可分期，D90 须有书面缺口或落地 |
1. 信任分层（RoT → 模型仓）
[硬件 RoT 可选]
eFuse/OTP 公钥哈希 · TPM/fTPM · SoC HAB/EdgeLock（板级 unknown）
│ 验签下一阶段
▼
[Bootloader]
U-Boot Verified Boot：仅加载签名 FIT（kernel + dtb + initramfs/可选 filesystem）
│
▼
[内核 / Rootfs]
方案 A：dm-verity 只读根（Merkle 树；FIT 可带 dm-verity 元数据 → cmdline）
方案 B：Mender A/B 双根 + 启动成功标记；镜像构建时嵌入内容哈希/签名
│
▼
[用户态 Agent / 模型仓]
预置 model-verify.pub；Ed25519 验 manifest + 文件 SHA；仅 current 可推理
| 层 | 做什么 | 失败行为 | 公开参考 |
|---|---|---|---|
| L0 硬件 RoT | ROM/SPL 校验下一阶段签名；可选测度量进 TPM PCR | 不启动 | 厂商 Secure Boot 手册（具体熔丝位 unknown） |
| L1 Bootloader | U-Boot 校验 FIT 签名；拒绝未授权镜像 | 停在 U-Boot / 回退备用槽（若配置） | U-Boot Verified Boot |
| L2 内核+根 | dm-verity 挂载只读根；或 A/B 槽位完整性 | verity 失败→kernel panic/救援；A/B 失败→回滚 | FIT dm-verity；Mender Secure Boot 文档 |
| L3 Agent/模型 | Ed25519 + model.ver=权重 SHA-256 |
拒切 current；上报 MODEL_VERIFY_FAIL |
本系列签名仓手册 |
OP-TEE（概念级，可选）：Trusted Application 验签加载；设备身份/解密密钥放安全世界；默认 TA 密钥必须换成自有密钥且私钥离线/HSM。无 TEE 的板卡可用「只读根 + 签名仓 + 禁调试」达试点基线；机密权重入 TEE 属增强项，unknown 是否本季必做。
分区建议（概念）：boot（或 A/B FIT 分区）+ rootfsA + rootfsB + 独立 /data（模型/证据/缓冲） + 可选持久配置。社区实践强调：勿反复改写共享 boot 分区；FIT 与 rootfs 宜分槽（Mender+dm-verity 讨论见公开论坛）。精确扇区表 unknown，由 BSP 出。
2. 与 Mender A/B、模型分轨、回滚
| 轨 | 完整性手段 | 回滚路径 | 与安全启动关系 |
|---|---|---|---|
| 系统轨（Mender） | 签名 Artifact；A/B 切换；可选 Secure Boot 签 kernel/GRUB/U-Boot | 新槽启动/报到失败 → 自动回旧槽；不删 /data |
Mender 不替代 Secure Boot：须在镜像构建链中预先签好 boot 链组件后再打 Artifact（Mender Secure Boot） |
| 模型轨（签名仓） | Ed25519 manifest；current/previous |
健康检查失败 → 切 previous + reload；不改 rootfs |
公钥随系统镜像预置；权重只在 /data/models/store/<sha>/ |
硬规则（对齐签名仓手册）：
- 未签名权重 禁止进 rootfs Artifact。
- 系统回滚不得误删已激活模型；模型回滚不得改写只读根。
- dm-verity 与 Mender 同用时，通常需 自定义 Update Module 下发「已签名 FIT + verity 根」——具体模块名/脚本 unknown，试点可先 A/B 只读挂载，再演进 verity。
- 坏签名模型演练：必须出现
MODEL_VERIFY_FAIL且 rootfs 版本不变（D90-05）。 - 坏 rootfs Artifact 演练：回滚后推理仍可用当前模型（D60-07 / D90-05）。
构建侧注意：Mender 文档写明 Secure Boot 与 Mender 架构独立——客户端会原样下发 Artifact 内二进制；若 boot 链需要签名，签名必须发生在打 Artifact 之前的镜像构建步骤，否则设备侧 verified boot 会拒载“合法下发但不验签”的内核。Yocto/meta-mender 场景下 GRUB/U-Boot 相关二进制同样要纳入签名集合（细节随是否启用 grub-efi 而变，以当期 docs.mender.io 为准）。
3. 密钥与证书
| 用途 | 算法建议 | 私钥位置 | 设备持有 | 轮换要点 |
|---|---|---|---|---|
| 模型签名 | Ed25519（与仓手册一致） | 离线签名机 / HSM / 隔离 CI | 仅 model-verify.pub（可多 key_id） |
新钥进下一系统镜像；旧钥保留验签窗口 N 天；吊销列入 deny key_id |
| Mender / 系统 OTA | 按 Mender Artifact 签名（RSA/ECDSA 等，以项目配置为准） | 构建签名环境 | 客户端信任的服务端/Artifact 公钥 | Artifact 签名钥与模型钥分轨、分保管；勿混用 |
| 设备身份（mTLS / MQTT） | ECDSA P-256 或项目统一 | 理想：TPM/TEE；最低：/data 权限 600 + 不可导出备份策略 |
设备证书+私钥（不出站） | 证书过期前轮换；吊销走 CRL/短时效；吊销列表同步通道 unknown（站内 PKI） |
| SSH 主机/用户 | Ed25519 | 运维侧个人钥；主机钥首次生成后钉死指纹 | authorized_keys；禁密码 |
人员离职删钥；主机指纹变更告警 |
保管红线：私钥不出盒、不进飞书/聊天、不进证据仓对象；生产构建机与日更模型签名机账号分离；CI 仅持短期令牌调 HSM（若有）。板载熔丝烧写步骤、是否双人授权：unknown，写入工单模板即可。
轮换节奏（可写入台账，日期自定）：模型签名钥建议按季度或重大漏洞即时轮换；设备 mTLS 证书按站内 PKI 周期（常见 1 年，unknown 以业主为准）；SSH 用户钥随人员变动即时删增。吊销后旧制品：已激活且哈希仍可信的模型可继续跑，新下载必须拒用被吊销 key_id。
4. 运行时加固
| 项 | 基线动作 | 验收证据 |
|---|---|---|
| 只读根 | rootfs ro 或 dm-verity；可写仅 /data、/tmp（tmpfs）、必要 overlay |
findmnt/mount 截图；故意写根失败 |
| 不可变配置 | 推理阈值、VLAN 角色、公钥、Schema 版本进镜像或签名配置包；现场改动走审计工单 | 配置基线哈希；与事件 schema_ver 一致 |
| SSH | 仅密钥；PasswordAuthentication no；监听 MGMT 口/VLAN；限源 IP（堡垒） |
sshd_config 脱敏导出；从业务 VLAN 连 SSH 应失败 |
| 调试口 | 生产关 ADB/未鉴权 console；U-Boot 中断需口令或熔丝关闭（板级 unknown） | 上电无开放 shell 录屏；例外工单号 |
| 审计日志 | auth、sudo、模型激活/回滚、OTA 槽切换、SSH 登录写入本地只追加日志，并进可观测性流水（对齐可观测性手册） | 故意错签/错 SSH 各一条可检索日志 |
| 网络 | 管理口 ≠ 相机/MQTT 业务口；OTA 仅白名单；零接入 PROT（VLAN 手册 N1–N3） | 口别标签照片 + ACL 表 |
4.1 启动与运行时自检（建议开机脚本）
生产镜像可在 Agent 启动前做只读断言（失败则告警、默认不进 prod 推理通道）：
mount显示 rootfs 为ro或 verity 设备；/data可写。model-verify.pub指纹与出厂台账一致（sha256sum 对比）。current指向的 manifest 验签通过且model.ver等于主权重哈希。- SSH：
PasswordAuthentication no；监听地址仅 MGMT 网卡。 - 默认路由/防火墙：无通往 PROT 网段的路由；OTA 域名白名单非空。
以上检查结果写入本地审计日志与可选 MQTT telemetry（质量可标 ok/suspect），不得因自检失败去改保护侧任何对象。
4.2 回滚决策树（运维一页）
| 症状 | 先怀疑 | 动作 | 禁止 |
|---|---|---|---|
| 开机停在 U-Boot / 验签失败 | 错误 FIT、密钥未烧录、槽位写坏 | 切回上一启动槽或现场刷已知好 FIT（双人） | 为“先跑起来”关闭 verified boot |
| 新系统槽启动循环 | Mender 未 commit、驱动不兼容 | 等自动回滚或人工标记旧槽 | 同时改模型软链“碰运气” |
MODEL_VERIFY_FAIL |
错签、缺文件、哈希漂移 | 保持 previous；查仓与 CI 签名机 |
手工拷未签名 .rknn 到 current |
| 推理 OOM / 健康检查失败 | 模型过大或 Agent 回归 | 模型轨切 previous；系统轨不动 |
删 verity / 改 rw 根“腾地方” |
| 无法 SSH | 钥未登记或连错 VLAN | 经 MGMT 堡垒；核 authorized_keys |
临时开密码或把 SSH 暴露到 CAM |
5. 两周落地清单 + 验收门禁
5.1 两周清单（可并行）
| 日 | 动作 | 产出 |
|---|---|---|
| D1–2 | 盘点板卡：有无 Secure Boot/eFuse/TPM/TEE；确认 U-Boot/FIT 能力 | 《板级安全能力表》（unknown 列如实填） |
| D3–4 | 构建链：开启 FIT 签名验证（或等价）；镜像嵌入 model-verify.pub |
签名构建 SOP；公钥指纹 |
| D5–6 | rootfs：只读挂载或 dm-verity PoC；/data 独立分区 |
分区表 + mount 证据 |
| D7–8 | Mender A/B 与签名仓分轨演练（坏 Artifact / 坏模型各一次） | 两份签字记录（对齐 D90-05） |
| D9–10 | SSH 密钥化、关密码、MGMT 限源；关生产调试口 | sshd/防火墙 diff |
| D11–12 | 密钥台账：模型/OTA/设备/SSH 四类；轮换与吊销草案 | 密钥台账 xlsx（无私钥） |
| D13–14 | 对照下方门禁自测；缺口写入 D90 风险清单 | 本文件勾选表 |
5.2 门禁（对齐 D60/D90、签名仓、VLAN）
| ID | 描述 | 级别 | □ |
|---|---|---|---|
| SB-01 | 未签名或错签模型无法成为 current；有 MODEL_VERIFY_FAIL（D60-06） |
否决 | □ |
| SB-02 | 系统 OTA 与模型轨分家；双回滚演练通过（D60-07、D90-05） | 否决 | □ |
| SB-03 | 生产 SSH 仅密钥、禁密码；管理口在 MGMT，非 CAM/MQ 混用（N3） | 否决 | □ |
| SB-04 | 无 AI 资产进保护二层（D60-09 / N1） | 否决 | □ |
| SB-05 | rootfs 只读或 verity；可写隔离在 /data |
否决（D90）/ 警告（D60 可记缺口） | □ |
| SB-06 | 模型/OTA 私钥不在设备、不在仓库；公钥指纹可审计（S3） | 否决 | □ |
| SB-07 | 调试口策略成文：默认关 + 例外工单 + 审计 | 警告→D90 升否决 | □ |
| SB-08 | boot 链验签（U-Boot verified / 厂商 Secure Boot）至少 PoC 或书面板级 unknown+排期 | 警告（无 RoT 板）/ 否决（宣称 Secure Boot 却未开） | □ |
6. 公开引用与 unknown
| 主题 | 公开入口 | 本文用法 |
|---|---|---|
| U-Boot Verified Boot | docs.u-boot-project.org …/verified-boot.html | L1 验签 FIT |
| FIT dm-verity | …/fit/dm-verity.html | L2 只读根 cmdline 生成 |
| Mender ↔ U-Boot / Secure Boot | docs.mender.io …/u-boot 、…/secure-boot | A/B 与签名构建衔接；不替代 Secure Boot |
| OP-TEE | optee.readthedocs.io（概念） | 可选 TEE/密钥；替换默认 TA 钥 |
| 模型 Ed25519 仓 | 本系列 edge-ai-model-signstore-mender-cookbook.md |
L3 |
明确 unknown（勿臆造）：具体 SoC 熔丝位与烧写命令、厂商 HAB/OP-TEE HUK 实现、站内 PKI CRL 通道、Mender+verity 自定义 Update Module 成品名、U-Boot 关闭 console 的板级补丁。
7. 与系列文档的一页关系
Secure Boot / verity（本文）
│ 预置公钥、只读根
▼
Mender A/B ←→ 模型签名仓（分轨）
│ │
▼ ▼
VLAN MGMT/OTA Agent 验签 → 推理
│ │
└──── 禁止进 PROT / 跳闸 ────┘
验收总表见 edge-ai-d60-d90-acceptance-checklist.md；网络红线见 VLAN 手册；事件与 model.ver 见 Schema 验收。
全文完。仅落盘；板级细节以 BSP/安监终审为准。