基于嵌入式ARM平臺(tái)的可信計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

引言

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的不斷發(fā)展，安全威脅問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的單純依靠軟件來(lái)抵抗安全威脅往往不能解決問(wèn)題?？尚庞?jì)算的基本思想是從芯片、硬件結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)等方面制定安全規(guī)范保證計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的安全?？尚庞?jì)算平臺(tái)基于可信平臺(tái)模塊（TPM），以密碼算法技術(shù)作為基礎(chǔ)、安全操作系統(tǒng)作為核心，通過(guò)信任域的不斷擴(kuò)展形成安全的平臺(tái)。

目前市場(chǎng)上的TPM芯片主要應(yīng)用在PC終端上，但是隨著嵌入式系統(tǒng)的不斷發(fā)展，TPM在嵌入式系統(tǒng)上的應(yīng)用也越來(lái)越廣，程序員在編寫可信計(jì)算應(yīng)用程序的時(shí)候，其切入點(diǎn)應(yīng)該是TSS，本文就TPM和TSS的概念、TSS在ARM平臺(tái)上的移植、調(diào)用TSS的API編寫應(yīng)用程序以及如何與TPM進(jìn)行交互做了詳細(xì)的介紹，最終實(shí)現(xiàn)了在嵌入式ARM平臺(tái)上的可信計(jì)算。

TPM芯片結(jié)構(gòu)和TSS體系結(jié)構(gòu)概述

可信計(jì)算的核心是TPM，它是一種安全加密芯片，提供了一種基于硬件的方法來(lái)管理用戶權(quán)限、網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、數(shù)據(jù)保護(hù)等。TPM芯片用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)字密鑰、認(rèn)證和密碼，有了TPM不管是虛擬的還是物理的攻擊都將變得更加困難。如圖1所示，TPM芯片主要由以下幾部分組成：I/O組件、非易失性存儲(chǔ)、身份密鑰、程序代碼、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器、Sha-1算法引擎、RSA密鑰產(chǎn)生、RSA引擎、Opt-In選擇組件、執(zhí)行引擎。

圖1 TPM芯片結(jié)構(gòu)

TPM芯片里的資源是有限的，它僅僅對(duì)外提供了一些基本的功能接口。為了充分應(yīng)用TPM的內(nèi)部功能，需要在TPM外部套接一個(gè)可信計(jì)算軟件棧TSS，TSS作為可信計(jì)算平臺(tái)上TPM的支持軟件，其規(guī)范定義了一種能夠讓訪問(wèn)TPM變得簡(jiǎn)單和直接的體系結(jié)構(gòu)。本文構(gòu)建的嵌入式平臺(tái)為三星的ARM9TDMI-S3C2410處理器，TPM芯片為Atmel公司的AT97SC3204T。

由圖2可知，TSS的運(yùn)行模式分為兩種：用戶模式和內(nèi)核模式。用戶模式下，通常根據(jù)用戶的要求來(lái)加載和執(zhí)行用戶應(yīng)用程序和服務(wù)，有時(shí)候這些用戶應(yīng)用程序和服務(wù)也可以作為啟動(dòng)服務(wù)被載入。在內(nèi)核模式下，通常運(yùn)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)和操作系統(tǒng)的核心組件。

圖2 TSS體系結(jié)構(gòu)

TSS由三個(gè)邏輯組件構(gòu)成：TCG設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)（TCG Device Driver Library，TDDL）、TSS核心服務(wù)（TSS Core Services，TCS）、TCG服務(wù)提供者（TCG Service Provider，TSP）。

TDDL提供了一個(gè)與TPM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行交互的API的庫(kù)，用來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉TPM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（TPM Device Driver）、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)塊、查詢?cè)O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的屬性、取消已經(jīng)提交的TPM命令。TCS層主要用來(lái)管理TPM的資源，提供了一個(gè)TPM命令數(shù)據(jù)塊產(chǎn)生器和一個(gè)全局的密鑰存儲(chǔ)設(shè)備。TSP層通過(guò)共享對(duì)象或動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)直接被應(yīng)用程序調(diào)用。

TSS的工作流程如下：應(yīng)用程序的命令參數(shù)通過(guò)接口TSPl發(fā)送到TSP，TSP通過(guò)處理后傳送給TCS，TCS將接收到的請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為TPM能夠識(shí)別的字節(jié)流，通過(guò)TDDL和TDD傳給TPM，然后反向經(jīng)TDDL、TDD、TCS、TSP傳回應(yīng)用程序。

TSS在ARM上的移植

本文所使用的宿主機(jī)操作系統(tǒng)為Fedora，交叉編譯工具為arm-linux-gcc。

TSS在ARM上的移植分為3部分：交叉編譯OpenSSL、交叉編譯TSS、制作包含TSS的文件系統(tǒng)。在交叉編譯TSS之前，先交叉編譯安裝OpenSSL，因?yàn)榻徊婢幾gTSS的時(shí)候需要用到其中的libcrypto庫(kù)文件，其流程如圖3所示：

圖3 TSS在ARM上的移植過(guò)程

交叉編譯OpenSSL

本文所使用的OpenSSL具體版本為1.0.0，在交叉編譯之前需要進(jìn)行如下操作：

（1）配置：在對(duì)OpenSSL1.0.0進(jìn)行配置時(shí)需要指定其安裝路徑，在后面配置TSS時(shí)需要調(diào)用OpenSSL安裝路徑里的庫(kù)文件，并且需要指定交叉編譯工具，具體命令如下：

$/config--prefix=/usr/local/openssl os/compiler:arm-linux-gcc

其中--prefix=/usr/local/openssl指定安裝的路徑，

os/compiler:arm-linux-gcc指定編譯器arm-linux-gcc；

（2）修改Makefile，里面對(duì)應(yīng)的部分需要修改為:

CC=arm-linux-gcc

EX_LIBS=-ldl

AR=arm-linux-ar $(ARFLAGS) r

RANLIB=arm-linux-ranlib

交叉編譯TSS

本文所使用的可信計(jì)算軟件棧為trousers0.3.3.2，在交叉編譯之前需要進(jìn)行如下操作：

（1）執(zhí)行bootstrap.sh腳本，具體命令如下：

[root@happy trousers-0.3.3.2]#sh bootstrap.sh

（2）對(duì)軟件包進(jìn)行配置，命令如下：

[root@happy trousers-0.3.3.2]# /configure

--host=arm-linux --with-openssl=/usr/local/openssl --prefix=/usr/tss

其中--host=arm-linux指定目標(biāo)平臺(tái)為ARM，并使用交叉編譯工具；--with-openssl=/usr/local/openssl指定OpenSSL所在的位置，交叉編譯的時(shí)候需要用到其中的libcrypto庫(kù)文件；--prefix=/usr/tss指定安裝位置。

包含TSS的文件系統(tǒng)制作

文件系統(tǒng)在宿主機(jī)上的目錄為~/rootfs，將交叉編譯安裝好的TSS（在宿主機(jī)上的位置為/usr/tss）拷貝到~/rootfs/usr下，將TSS安裝后生成的庫(kù)文件拷貝到~/rootfs的lib目錄下。

然后使用文件系統(tǒng)制作工具mkcramfs1.0，將目錄rootfs制作成鏡像文件，通過(guò)串口工具minicom下載到ARM開(kāi)發(fā)板。

如果TSS啟動(dòng)成功，則會(huì)出現(xiàn)如下提示：TCSD trousers 0.3.3.2:TCSD up and running。

注意事項(xiàng)

在制作文件系統(tǒng)時(shí)，~/rootfs/etc中需要添加關(guān)于TSS的group、passwd文件，hosts里面應(yīng)該包含localhost。否則，制作成文件系統(tǒng)燒寫進(jìn)開(kāi)發(fā)板之后，當(dāng)輸入#./usr/tss/sbin/tcsd-f啟動(dòng)TSS時(shí)，會(huì)報(bào)錯(cuò)。

將不希望用戶修改的文件都放在只讀的cramfs分區(qū)下，修改初始化腳本liunxrc，將TSS所在的目錄掛載為yaffs格式。另外下文中將要用到的/tmp目錄也要掛載為yaffs格式，保證可讀可寫。

應(yīng)用程序編寫

在完成了TSS在ARM平臺(tái)的移植之后，可以使用TSS所提供的API編寫應(yīng)用程序與TPM進(jìn)行交互。下面主要介紹一下獲取屬主身份、創(chuàng)建密鑰、對(duì)文件進(jìn)行加密和解密。

屬主身份獲取

首次使用TPM時(shí)，需要先獲取屬主身份，主要用到函數(shù)Tspi_TPM_TakeOwnership()，示例代碼如下：

TSS_RESULT rc=Tspi_TPM_TakeOwnership(a_hTpm, a_hSrk, NULL_HKEY);

if(rc!=TSS_SUCCESS)

{

fprintf(stderr,Tspi_TPM_TakeOwnership:%s , Trspi_Error_String(rc));

goto out_close;

}

printf(result is %d ,result);

return result;

如果獲取成功則返回值為0，如圖4所示：

圖4 屬主身份獲取

密鑰創(chuàng)建

對(duì)文件進(jìn)行加密時(shí)需要使用密鑰，這可以使用函數(shù)Tspi_Key_CreateKey()來(lái)創(chuàng)建，示例代碼如下：

TSS_RESULT result = Tspi_Key_CreateKey(hKey,hSrk,NULL_HOBJECT);

if(result!=TSS_SUCCESS)

{

fprintf(stderr,Tspi_Key_CreateKey: %s , Trspi_Error_String(rc));

goto out_close;

}

printf(create key success! );

創(chuàng)建密鑰之前/tmp目錄下的文件只有dir，創(chuàng)建成功后會(huì)打印信息，并生成密鑰文件UserKeyBlob.cer，如圖5所示：

圖5 密鑰創(chuàng)建

文件加密

加密操作主要使用函數(shù)Tspi_Data_Bind()，示例代碼如下：

TSS_RESULT rc=Tspi_Data_Bind(hEncdata,hKey, strlen(testCipher),(unsigned char*)testCipher);

if(result !=TSS_SUCCESS)

{

fprintf(stderr,Tspi_Data_Bind: %s ,Trspi_Error_String(rc));

goto out_close;

}

交叉編譯后生成命令encryptFile。如果要加密的文件為/tmp/dir/test，前面創(chuàng)建的密鑰所在的目錄為/tmp，則編譯后執(zhí)行命令時(shí)的格式為encryptFile -e /tmp/dir /tmp。

加密之前，/tmp/dir目錄下只有test一個(gè)文件，使用cat命令查看該文件的內(nèi)容為：Hello，world！執(zhí)行加密命令之后，使用cat命令再次查看該文件的內(nèi)容，看到的是亂碼，而不是原始內(nèi)容，可見(jiàn)加密成功。加密后在test文件所在的目錄下會(huì)生成一個(gè)FileKey.cer文件。如圖6所示：

圖6 文件加密

文件解密

解密操作使用函數(shù)Tspi_Data_Unbind()，示例代碼如下：

TSS_RESULT rc=Tspi_Data_Unbind(hEncdata,hKey, unsealedDataLength, unsealedData)

if(rc!=TSS_SUCCESS)

{

fprintf(stderr,Tspi_Data_Unbind: %s ,Trspi_Error_String(rc));

goto out_close;

}

解密文件和加密文件使用的是同一個(gè)命令，但后綴參數(shù)不同，格式為encryptFile –d /tmp/dir /tmp。執(zhí)行解密操作后，使用cat命令查看加密的文件test，則可以看到原始的內(nèi)容，說(shuō)明解密成功。此時(shí)，test文件所在的目錄下加密時(shí)生成的FileKey.cer文件消失。如圖7所示：

圖7 文件解密

除了上面的幾個(gè)示例之外，還可以調(diào)用TSS的API編寫各種應(yīng)用程序?qū)PM進(jìn)行操作。總之，只要給定了TPM芯片，掌握了TPM的基本知識(shí)和TSS的API，就可以寫出可信計(jì)算的應(yīng)用程序。

結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的可信計(jì)算一般是基于PC平臺(tái)的，本文通過(guò)可信計(jì)算軟件棧TSS在ARM平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)，調(diào)用TSS的API編寫應(yīng)用程序與TPM進(jìn)行交互，對(duì)于實(shí)現(xiàn)可信計(jì)算在嵌入式ARM平臺(tái)上的應(yīng)用提供了重要的橋梁和支持。