基于TPM的安全可信技术研究

刘玲 2023-07-21

随着云计算、大数据、物联网的发展，越来越 多的信息系统部署到云上，尤其是关系国计民生与企业生存的基础设施和工业信息系统，倘若这些系 统中的漏洞被发现后加以利用，后果将不堪设想。传统的封堵查杀的被动防御手段，已经凸显出在技术防 护方面的不足，构建主动防御体系势在必行。可信计算的发展经历了几个阶段。最初的可信 1.0 来自计算机可靠性，主要以故障排除和冗余备份为手段，是基于容错方法的安全防护措施。可信 2.0 以可信计算组织 (TCG) 出台的 TPM1.0 为标志，主要以硬件芯片作为信任根，以可信度量、可信存 储、可信报告等为手段，实现计算机的单机保护。 不足之处在于：未从计算机体系结构层面考虑安全 问题，很难实现主动防御。我国的可信计算技术已经发展到了 3.0 阶段的“主动防御体系”，确保全程 可测可控、不被干扰，即防御与运算并行的主动免疫计算模式。可信 3.0 已经形成了自主创新的体系，并在很 多领域开展了规模应用。我国经过长期攻关，取得 了巨大的创新成果，包括：平台密码方案创新，提出了可信计算密码模块（TCM），采用 SM 系列国产密码算法，并自主设计了双数字证书认证结构； 提出了可信平台控制模块（TPCM），TPCM 作为自主可控的可信节点植入可信根，先于中央处理器 （CPU）启动并对基本输入输出系统（BIOS）进行验证；将可信度量节点内置于可信平台主板中，构成了宿主机 CPU 加可信平台控制模块的双节点， 实现信任链在“加电第一时刻”开始建立；提出可 信基础支撑软件框架，采用宿主软件系统 + 可信软件基的双系统体系结构；提出基于三层三元对等的 可信连接框架，提高了网络连接的整体可信性、安全性和可管理性。创新点可概括为：“自主密码为基础，可控芯片为支柱，双融主板为平台，可信软件 为核心，对等网络为纽带，生态应用成体系”。

（1）可信启动

本研究力图建立一套完整的可信启动方案，为UEFI,bootloader,kernel等启动阶段设计合理的、可行的信任测量和信任传递方案，借助TPM等可信硬件支持实施系统可信状态的存储和报告机制，并评估在系统运行过程中可能存在的信任损失问题，给出相应应对措施。

（2）可信度量

度量检测过程分为静态度量和动态度量两种。静态度量通常指在运行环境初装或重启时对其镜像的度量。度量是逐级的，通常先启动的软件对后一级启动的软件进行度量，度量值验证成功则标志着可信链从前一级软件向后一级的成功传递。以操作系统启动为例，可信操作系统启动时基于硬件的可信启动链，对启动链上的UEFI、loader、OS的image进行静态度量，静态度量的结果通过云上可信管理服务来验证，以判断系统是否被改动。静态度量的结果可以通过云上可信管理服务来验证，也可以通过预先储存在TCB中的度量值来验证。

动态度量则需要在程序或系统运行时动态地获取其运行的特征，例如控制流、访问模式等，再根据规则或模型分析判断系统是否运行正常。由于动态度量需要在运行时动态地获取程序的状态，并与预期正确的状态进行对比，而无法像静态度量一样通过提前获取固定程序的哈希值进行比较，其难度就相对较大，必须设计出适合于当前应用的状态提取方法与比较方法，才能在运行时对应用进行度量。

（3）TPM与零信任认证

零信任的总体框架如下图所示，分为控制平面和数据平面。在主体进行访问时，由信任评估引擎进行主体信任等级评估、资源安全等级评估以及环境评估等，再由访问控制引擎根据评估数据决定是否授予访问权限，最后由访问代理建立安全访问通道完成访问。在这个过程中，需用到多种关键技术，包括具有敏捷和灵活特点的现代身份与访问管理技术、为企业构建虚拟边界的软件定义边界技术、提供更细粒度网络隔离的微隔离技术等。