基于嵌入式ARM平臺(tái)的可信計(jì)算軟件棧的設(shè)計(jì)與實(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題。可信計(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、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。

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。

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)通過接口TSPl發(fā)送到TSP，TSP通過處理后傳送給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