信息系统安全导论第五章之可信计算

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一、可信计算概论

1.1  可信计算的定义

可信计算是增强信息系统安全的一种行之有效的技术。它基于一个硬件安全模块, 建立可信的计算环境。可信硬件安全模块担任信任根的角色,通过密码技术、硬件访问控制技术和存储加密等技术保证系统和数据的信任状态。

1.2  可信计算的基本思想

1)可信计算的目标:

  • 提高计算机系统的可信性
  • 现阶段:确保系统数据完整性,数据安全存储,平台可信性远程证明

2)可信计算用途:

  • 数字资产保护
  • 身份认证
  • 系统完整性保护

3)基本思想:

首先建立一个信任根,再建立一条信任链。从信任根开始到可信硬件平台、到可信操作系统、再到可信应用系统,一级度量一级,一级信任一级。从而把这种信任扩展到整个计算机系统。

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1.3  可信计算的关键技术

1)信任根技术

信任根是系统可信的基础和出发点信任根的可信性由物理安全、技术安全和管理安全共同确保。

可信计算组织TCG认为一个可信计算平台必须包含3个信任根(分别对应可信计算的三大基本功能)

  • 可信测量根RTM(root of trust for measurement)
  • 可信存储根RTS(root of trust for storage)
  • 可信报告根RTR(root of trust for reporting )

2)可信平台模块(Trusted Platform Module,TPM)

该技术旨在为计算机设备提供基于硬件的安全相关的功能。

TCG设计TPM的目的是给漂浮在软件海洋中的船只──客户终端,提供一只锚。”

3)信任链技术

信任链:从信任根开始到硬件平台、到操作系统、再到应用,一级度量一级,一级信任一级。

  • 用Hash函数来度量平台的启动序列和软件的完整性。
  • 在TPM内部设置一些平台配置寄存器(Platform Configuration Register,PCR),用于存储度量的值。
  • 计算方法:New PCRiHASH (Old PCRi  ||  New Value)其中符号||表示连接。

4)可信软件栈(TSS)

可信软件栈TSS(TCG Software Stack)TPM平台上的支撑软件,其作用是为其他软件使用TPM的可信计算服务提供接口

5)密码技术

  • 公钥密码和对称密码
  • 数字签名和验证
  • 加密和解密

对称密码是指加密和解密时使用同一密钥的方式 :

公钥密码则是指加密和解密时使用不同密钥的方式,又称为非对称密码。任何人都可以生成自己的公钥和私钥,把公钥公开,私钥自己保管。攻击者不能从公钥推导出私钥。当别人想把数据发送给我的时候,先用我的公钥对数据进行加密,然后发给我,我再用我的私钥解密。

二、可信平台模块和信任根

2.1  可信平台模块TPM

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TPM结构

1)I/O:TPM的输入和输出部件

2)密码协处理器:

  • 公钥密码引擎:

        ■ TCG主要使用公钥密码,有意淡化对称密码。

        ■ TCG建议使用RSA密码,支持1024,2048位的RSA密钥,其中根密钥应为2048位。

        ■ 数据格式采用PKCS#1标准,并可以采用CRT格式表示证书。

  • 对称密码引擎:

        ■ TCG有意淡化对称密码,TPM中没有明确设置对称密码引擎。

        ■ 对应认证数据和传输数据的加密可采用“一次一密” 方式的异或方式加密。

        ■ 传输数据的长度较长,必须采用PKCS#1中的MGF1函数对密钥进行扩展,然后再异或方式加密。

3)密钥产生:

  • 产生RSA的密钥对。
  • 对称密钥的产生使用TPM的RNG(Random Number Generator,随机数生成器)。

4)HMAC引擎(Hash-based Message Authentication Code,哈希消息认证码):

  • HMAC是基于HASH函数的消息认证码。
  • TPM支持HMAC的计算,其计算根据RFC2104规范 。

5)SHA-1引擎(Secure Hash Algorithm,安全哈希算法):

  • 用途:

■ 数据完整性校验

■ 数字签名的数字摘要

■ 计算HMAC

  • SHA-1的设计安全性为O(2^80)

6)随机数产生

  • RNG(Random Number Generator,随机数产生器)是TPM的随机源,要求符合FIPS140-1标准。
  • TCG既允许使用真随机的TRNG,也允许使用伪随机的 PRNG。

7)电源检测

  • 管理:

        ■ TPM电源状态和平台电源状态。

        ■ TCG要求所有的电源状态变化应通知TPM。

  • 原因:

        ■ 支持初始化、信任链等操作。

        ■ 与平台电源状态匹配。

        ■ 避免侧信道攻击。

8)Opt-Ln:一组选择配置开关。例如,通过on/off的选择,可激活/不激活某一部件和功能。

9)执行引擎:

  • 运行程序
  • 执行TPM收到的命令

10)非易失存储器

  • 用于存储固定标识和TPM状态
  • 已经设置了一些存储内容,如背书密钥EK( Endorsement Key)等
  • 其余空间,经TPM的属主授权的实体可以使用。

11)易失存储器

  • 工作存储器
  • 速度快,容量小

2.2  TPM的密钥体系

1)密码配置:主要采用公钥密码(RSA密码)

2)密钥配置:

①  背书密钥EK(Endorsement Key):背书密钥是一个模长为2048-bit的RSA公私钥对。EK不用作数据加密和签名;对于一个TPM而言,EK是唯一的,代表着每一个可信平台的真实身份。

  • TPM的根密钥,固化在TPM芯片里,与TPM唯一对应
  • 2048位RSA密钥对
  • 不可迁移密钥

②  平台身份证明密钥AIK(Attestation Identity Key):替EK来提供平台的证明,可以理解为EK的别名。

  • EK的替身密钥
  • 2048位RSA密钥对
  • 不可迁移密钥
  • 不能用于加密

③  存储密钥SK(Storage Key):用于对其他密钥进行存储保护。

  • 存储根密钥SRK(Storage Root Key)

        ■ 2048位RSA密钥对

        ■ 保护一般存储密钥

        ■ 不可迁移

  • 一般存储密钥SK(Storage Key)

        ■ 1024位RSA密钥对

        ■ 保护其他密钥

  • 构成一个密钥树

④  签名密钥SIGK(Signing Key):用于对数据签名

  • 1024位RSA密钥对
  • 不可用于加密

⑤  绑定密钥BK(Bind Key):用于加密保护TPM外部的任意数据

  • 加密保护数据和对称密钥
  • 1024位RSA密钥对

⑥  继承密钥LK(Legacy Key):既可以用于签名也可以用于加密

  • 在TPM外产生,使用时调入TPM
  • 1024位RSA密钥对

⑦  认证密钥AK(Authentication Key):

  • 对称密钥
  • 用于保护TPM的会话

3)密钥的控制属性

①  迁移性:是否允许密钥从一个可信计算平台转移到另一个可信计算平台,EK、AIK、SRK是不可迁移的。

②  授权数据:

  • TCG规定密钥的使用必须经过授权
  • 授权数据=Hash(共享的秘密数据 || 随机数)
  • TPM的存储空间很小,只存储EK和SRK的授权数据

4)密钥证书配置

①  背书密钥证书EC(Endersement Credential)

  • TPM生产商的名称
  • TPM的型号
  • TPM的版本
  • EK的公钥

②  身份证书IC/AIK证书AC(Identity Credential/ AIK Credential)

  • TPM生产商的名称
  • TPM的型号
  • TPM的版本
  • AIK的公钥

2.3  可信PC平台的信任根

1)TCG的技术规范:

①  可信度量根(RTM):可信度量根核CRTM ( core root of trust for measurement)

②  可信存储根(RTS):

  • TPM芯片中的PCR寄存器
  • 存储根密钥SRK

③  可信报告根(RTR):

  • TPM芯片中的PCR寄存器
  • 平台身份证明密钥AIK(背书密钥 EK)

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 2)可信度量根(CRTM)

  • CRTM是一个软件模块
  • CRTM是信任链的起点
  • 根据BIOS的结构不同,CRTM有两种类型:

        ① 以BIOS的引导模块作为CRTM

        ② 以整个BIOS作为CRTM  

3)可信存储根(RTS)

可信存储根由TPM中的平台配置寄存器PCR和存储根密钥SRK组成。

  • PCR是在TPM中开辟的一组寄存器,存储平台的可信度量值。
  • SRK在TPM中用于保护普通存储密钥SK,2048位RSA密钥对。

4)可信报告根(RTR)

可信报告根由TPM中的平台配置寄存器PCR和平台身份证明密钥AIK组成。

  • PCR的内容向外报告时用AIK签名保护。
  • AIK由背书密钥BK控制产生,因此真正的可信报告根是BK。

三、可信计算的典型应用

3.1  系统可信启动

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 1)BIOS完整性保护:可信度量根CRTM无论是BIOS启动块还是整个BIOS,都必须受到完整性保护。可信度量根如果能被随意更改, 那么其就不可能对平台启动的下一个部件进行正确地完整性校验,计算机就不能安全启动。

一种保护方法:将BIOS闪存芯片的写保护引脚与可信密码模块相连。

2)Linux中常用的启动引导工具:

  • Lilo(Linux Loader) :旧版本
  • Grub(Grand Unified Bootloader):新版本,替代Lilo

3)引导程序一般分为两个独立的阶段:

①  Stage1:存放在启动扇区

  • 第一阶段即BIOS从启动扇区中读入IPL(初始化程序引导工具),用来引导Stage1.5
  • Stage1.5用来加载文件系统驱动,以识别Stage2的文件系统

②  Stage2:Grub的核心程序

4)平台完整性度量、存储及信任链传递

①  以可信度量根RTM为起点

②  当需要装载一个部件到平台上运行时:

  • 先对该部件进行完整性度量
  • 将度量值记录在TPM的PCR中
  • 记录度量事件日志
  • 然后再将其加载运行

3.2  BitLocker

1)BitLocker简介:

  • 主要针对的问题:由计算机设备的物理丢失导致的数据失窃或恶意泄露。
  • Windows BitLocker驱动器加密通过加密Windows操作系统卷上存储的所有数据可以更好地保护计算机中的数据。
  • BitLocker使用TPM帮助保护Windows操作系统和用户数据,并帮助确保计算机即使在无人参与、 丢失或被盗的情况下也不会被篡改。
  • BitLocker还可以在没有TPM的情况下使用,可以把密钥放在U盘上。

2)BitLocker的体系结构

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3)BitLocker的加密原理

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4)BitLocker的解密原理

可信计算,学习记录,网络安全5)封装和解封

①  初次整卷加密时的封装

  • 计算系统分区相关组件的哈希值
  • 把计算结果存到PCR寄存器
  • 用相应寄存器封装卷主密钥(Volume Master Key,VMK)

②  引导时的完整性检查

  • 计算系统分区相关组件的哈希值
  • 把计算结果存到PCR寄存器
  • 解封卷主密钥VMK

四、可信远程证明

远程证明是一个综合完整性校验和身份认证的过程,向验证者提供了一份可信的平台状态报告。

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