國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下可信執(zhí)行環(huán)境的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

敬 軍，郝福珍，徐東華

（華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083）

0 引 言

我國(guó)不斷加大信息技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展投入，自主信息技術(shù)發(fā)展迅速，部分自主關(guān)鍵軟硬件取得突破，功能性能已經(jīng)接近國(guó)際主流產(chǎn)品水平，并在一些領(lǐng)域推廣使用。“十一五”后期，國(guó)家又啟動(dòng)“核高基”重大科技專(zhuān)項(xiàng)，將自主信息技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展推上了快車(chē)道，為我國(guó)信息系統(tǒng)向自主可控發(fā)展創(chuàng)造了戰(zhàn)略機(jī)遇，同時(shí)對(duì)信息系統(tǒng)安全性也提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)的信息安全技術(shù)主要是采用被動(dòng)防御手段，對(duì)新型的安全威脅往往無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，帶有嚴(yán)重的滯后性，無(wú)法有效地解決國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下應(yīng)用程序執(zhí)行所面臨的安全性問(wèn)題。

可信計(jì)算技術(shù)［1］被認(rèn)為是最有可能從根本上解決計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全問(wèn)題的一種方案，它采取主動(dòng)防御的方式、從終端入手解決安全問(wèn)題，其核心思想是:以信任根為核心（提供密碼操作和安全存儲(chǔ)），把核心信任根模塊（core root of trust module，CRTM）作為起點(diǎn)，采取基于可信平臺(tái)模塊的信任鏈傳遞技術(shù)，并依靠其提供的完整性度量和驗(yàn)證服務(wù)，按照計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)運(yùn)行過(guò)程，一級(jí)驗(yàn)證一級(jí)，一級(jí)信任一級(jí)的方式，實(shí)現(xiàn)信任鏈的傳遞，構(gòu)建系統(tǒng)的可信安全狀態(tài)，可以從根本上保證計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性［2－3］。

為了有效的保護(hù)國(guó)產(chǎn)平臺(tái)下應(yīng)用程序的安全性，本文根據(jù)可信計(jì)算的基本原理，在國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可信執(zhí)行環(huán)境。在分析國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)自身的特點(diǎn)與問(wèn)題的基礎(chǔ)上，利用LSM［4］（Linux security module）簡(jiǎn)化可信執(zhí)行環(huán)境攔截應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用軟硬件結(jié)合二級(jí)計(jì)算方式計(jì)算哈希值以提升可信驗(yàn)證的性能，保證應(yīng)用程序執(zhí)行可信性，為國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)的安全可控提供了一種有效的防護(hù)性措施。

1 可信執(zhí)行環(huán)境設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

可信執(zhí)行環(huán)境，是為保護(hù)應(yīng)用程序執(zhí)行，建立在操作系統(tǒng)之上的安全環(huán)境［5］。它在應(yīng)用程序執(zhí)行前，對(duì)其進(jìn)行完整性度量，保護(hù)應(yīng)用程序執(zhí)行的可信性，實(shí)現(xiàn)信任鏈從可信操作系統(tǒng)到可信應(yīng)用程序的傳遞。其總體框架可以概括如圖1所示，主要過(guò)程為:

（1）對(duì)操作系統(tǒng)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，提取其核心組件信息內(nèi)容；然后依據(jù)提取的應(yīng)用程序的核心組件信息內(nèi)容，建立維護(hù)可信文件列表，并通過(guò)硬件信任根模塊對(duì)可信文件列表進(jìn)行存儲(chǔ)保護(hù)。

（2）在應(yīng)用程序啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，可信執(zhí)行環(huán)境可以截獲其啟動(dòng)消息，完成對(duì)其運(yùn)行的攔截，依據(jù)可信文件列表對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行完整性度量，判斷應(yīng)用程序是否處于可信狀態(tài)。

（3）根據(jù)應(yīng)用程序是否處于可信狀態(tài)，執(zhí)行不同的處理:如果處于可信狀態(tài)，則允許應(yīng)用程序執(zhí)行；如果處于不可信狀態(tài)，則利用可信備份文件對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行恢復(fù)。

1.2 設(shè)計(jì)方案

國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下可信執(zhí)行環(huán)境，在硬件方面以國(guó)產(chǎn)可信密碼模塊（trusted cryptography module，TCM）［6］為基礎(chǔ)，通過(guò)TCM服務(wù)模塊（tcm service module，TSM）向上提供的可信服務(wù)，保證可信驗(yàn)證的各項(xiàng)操作。整個(gè)可信執(zhí)行環(huán)境可以分為3個(gè)主要的功能模塊:可信攔截模塊、可信監(jiān)控驗(yàn)證模塊和可信配置管理模塊，如圖2所示。

1.2.1 可信攔截模塊

可信攔截模塊的主要功能是對(duì)應(yīng)用程序的啟動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)攔截，提取應(yīng)用程序的核心組件信息作為可信驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。

在國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)下，對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行攔截一般有兩種方案，一種是直接修改系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，這種方法需要修改大量的內(nèi)核代碼，容易造成內(nèi)核代碼的混亂，可能導(dǎo)致操作系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定，影響用戶(hù)正常使用；另一種是利用LSM這種通用訪(fǎng)問(wèn)控制框架，它在特定的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中加入了安全字段，用于存放安全屬性，并在內(nèi)核源代碼中的關(guān)鍵點(diǎn)插入了安全鉤子函數(shù)［7－9］，只需要重載LSM框架在應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)插入的HOOK函數(shù)，便可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序的攔截。為了降低對(duì)操作系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，該模塊在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用的是第二種方案。

1.2.2 可信監(jiān)控驗(yàn)證模塊

可信監(jiān)控驗(yàn)證模塊是可信執(zhí)行環(huán)境中的核心模塊，其主要功能是依據(jù)可信文件列表對(duì)攔截到的應(yīng)用程序進(jìn)行完整性度量。完整性度量的過(guò)程是，對(duì)應(yīng)用程序核心組件進(jìn)行哈希計(jì)算，與可信文件列表中的基準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，如果一致，則應(yīng)用程序可信，允許執(zhí)行，如果不一致，則提醒用戶(hù)。對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行完整性度量，其關(guān)鍵是計(jì)算應(yīng)用程序核心組件的哈希值。

目前國(guó)產(chǎn)信息系統(tǒng)中廣泛使用的國(guó)產(chǎn)TCM芯片是國(guó)民技術(shù)TCM芯片，它采用兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令集的8位CPU內(nèi)核，計(jì)算能力有限。采用SM3算法［10］計(jì)算哈希值的速率在1 Mbps左右，理論上計(jì)算1 M字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容耗時(shí)需要8s。當(dāng)應(yīng)用程序的核心文件大小超過(guò)1M時(shí)，如果僅僅采用TCM硬件實(shí)現(xiàn)的SM3進(jìn)行計(jì)算，耗時(shí)較長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)用程序的正常啟動(dòng)影響較大。

在確保驗(yàn)證正確性的前提下，為了提升驗(yàn)證的性能，本文在可信監(jiān)控驗(yàn)證模塊實(shí)現(xiàn)了一種度量引擎。該度量引擎采用哈希值軟硬件相結(jié)合的二級(jí)計(jì)算方式，加快對(duì)核心組件信息的哈希計(jì)算，可有效縮短度量引起的延時(shí)。

1.2.3 可信配置管理模塊

可信配置管理模塊的主要功能是輔助可信監(jiān)控驗(yàn)證模塊執(zhí)行，對(duì)一些重要的信息內(nèi)容進(jìn)行管理維護(hù)，保證可信執(zhí)行環(huán)境的正常運(yùn)行，包括3個(gè)功能模塊:文件配置管理模塊，主要用來(lái)管理維護(hù)可信文件列表、備份恢復(fù)文件等核心數(shù)據(jù)，提供對(duì)這些數(shù)據(jù)的基本操作功能；可信策略配置管理模塊，主要為用戶(hù)提供可配置的安全策略，簡(jiǎn)化用戶(hù)可信驗(yàn)證的操作；TCM配置管理模塊，主要對(duì)TCM進(jìn)行管理，方便用戶(hù)及時(shí)掌握可信執(zhí)行環(huán)境硬件核心的運(yùn)行情況。

2 可信執(zhí)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)

2.1 可信攔截模塊

本文對(duì)應(yīng)用程序的執(zhí)行過(guò)程做了詳細(xì)研究:當(dāng)execve（）函數(shù)獲取應(yīng)用程序執(zhí)行的消息后，會(huì)陸續(xù)執(zhí)行sys＿execve（）、do＿execve（）、open＿exec（）、prepare＿binprm（）、search＿binary＿h(yuǎn)andler（）等一系列系統(tǒng)函數(shù)，來(lái)完成對(duì)應(yīng)用程序的加載執(zhí)行。LSM框架在系統(tǒng)函數(shù)search＿binary＿h(yuǎn)andler（）中提供加入了安全鉤子函數(shù)bprm＿check＿security（struct linux＿binprm＊bprm），為了實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用程序的啟動(dòng)攔截，本文重點(diǎn)重載了該安全鉤子函數(shù)，其關(guān)鍵代碼如下:

2.2 可信監(jiān)控驗(yàn)證模塊

2.2.1 度量引擎

度量引擎采用哈希值軟硬件結(jié)合的二級(jí)計(jì)算方式加快哈希值的計(jì)算速率。為了兼顧用戶(hù)對(duì)執(zhí)行效率以及抗攻擊能力的要求，軟算法（軟件實(shí)現(xiàn)算法）可以選用MD5或SHA1，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需要通過(guò)配置管理模塊對(duì)其進(jìn)行配置；硬算法（硬件實(shí)現(xiàn)算法）仍然選用TCM芯片提供的SM3算法，整個(gè)哈希計(jì)算的過(guò)程如圖3所示。

圖3 度量引擎計(jì)算過(guò)程

在調(diào)用度量引擎進(jìn)行哈希計(jì)算時(shí)，首先將待校驗(yàn)的數(shù)據(jù)輸入到軟件實(shí)現(xiàn)的MD5（或SHA1）算法，得到16字節(jié)（或20字節(jié)）的校驗(yàn)值，接著將該校驗(yàn)值送入TCM芯片中利用SM3算法進(jìn)行第二次計(jì)算，得到最終32字節(jié)的哈希值，作為可信完整性度量的使用數(shù)據(jù)。

2.2.2 可信文件列表

在可信執(zhí)行環(huán)境下，可信驗(yàn)證的判斷依據(jù)就是可信文件列表。在可信文件列表中記錄著應(yīng)用程序執(zhí)行完整性度量所需要的核心信息，是可信執(zhí)行環(huán)境下進(jìn)行可信驗(yàn)證的基礎(chǔ)。它被TCM芯片所保護(hù)，其讀寫(xiě)操作必須通過(guò)TCM的驗(yàn)證。

本文對(duì)可信文件列表的格式做了定義，其每一項(xiàng)內(nèi)容都包含應(yīng)用程序的執(zhí)行路徑（4097字節(jié)）、軟算法標(biāo)識(shí)（4字節(jié)）、應(yīng)用程序核心文件哈希值（32字節(jié)）、應(yīng)用程序核心文件的存儲(chǔ)備份路徑（4097字節(jié)），如圖4所示。其中，軟算法標(biāo)識(shí)記錄了度量引擎在計(jì)算哈希值時(shí)具體使用的軟算法。

圖4 可信文件列表格式

2.2.3 可信驗(yàn)證過(guò)程

在可信執(zhí)行環(huán)境下，可信驗(yàn)證的具體執(zhí)行過(guò)程如圖5所示，并按照下面步驟進(jìn)行:

（1）利用可信攔截模塊攔截應(yīng)用程序；

（2）在可信文件列表中查找應(yīng)用程序存儲(chǔ)的核心組件的哈希值；

（3）在可信文件列表中，查找度量引擎在哈希計(jì)算時(shí)使用的軟算法標(biāo)識(shí)，并根據(jù)軟算法標(biāo)識(shí)，調(diào)用度量引擎計(jì)算應(yīng)用程序核心組件的哈希值；

（4）比較兩個(gè)哈希值，判斷應(yīng)用程序的完整性是否發(fā)生變化；

（5）如果完整性未發(fā)生變化，則允許應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行；否則根據(jù)可信配置管理模塊中的可信策略對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行更新、恢復(fù)、禁止等操作。

2.3 可信配置管理模塊

2.3.1 文件配置管理

可信文件列表和備份恢復(fù)文件信息是整個(gè)可信執(zhí)行環(huán)境的數(shù)據(jù)中心，是可信執(zhí)行環(huán)境運(yùn)行的基本保證。由于其信息占用空間較大，國(guó)產(chǎn)TCM芯片的存儲(chǔ)空間有限，這些文件只能存儲(chǔ)在系統(tǒng)磁盤(pán)上，為了便于管理維護(hù)，文件配置管理模塊通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)控制界面向用戶(hù)提供了以下功能:

圖5 可信驗(yàn)證執(zhí)行流程

（1）存儲(chǔ)路徑選擇:根據(jù)用戶(hù)磁盤(pán)分配情況的不同，用戶(hù)可以自定義這些核心文件在磁盤(pán)上的存儲(chǔ)路徑；

（2）清除冗余信息:當(dāng)應(yīng)用程序卸載之后，可以通過(guò)此功能清除相應(yīng)冗余內(nèi)容，節(jié)省磁盤(pán)的空間；

（3）查看操作記錄:追蹤可信文件列表和備份恢復(fù)文件的更改操作記錄，便于對(duì)執(zhí)行環(huán)境安全性進(jìn)行審計(jì)。

2.3.2 策略配置管理

可信安全策略模塊定義了可信執(zhí)行環(huán)境進(jìn)行可信驗(yàn)證時(shí)的一些可信安全策略，用戶(hù)可以根據(jù)需要自定義安全策略，簡(jiǎn)化用戶(hù)在可信驗(yàn)證時(shí)的操作。在模塊中，可以配置使用的可信安全策略如下:

（1）［HASH＿ARITHMETIC＝MD5｜SHA1］:對(duì)于度量引擎中使用哈希算法的選擇由該策略決定。決定默認(rèn)狀態(tài)下度量引擎執(zhí)行哈希計(jì)算時(shí)使用的算法類(lèi)型。

（2）［STOP＿NOT＿EXIST＝ON｜OFF］:對(duì)于不在可信文件列表中的應(yīng)用程序是否允許繼續(xù)執(zhí)行由該策略決定。如果啟用該策略，任何不在可信文件列表中的應(yīng)用程序?qū)⒈唤箚?dòng)；如果禁用該策略，則將決策權(quán)交由用戶(hù)，由用戶(hù)決定信任與否。

（3）［STOP＿UNTRUSTED＝ON｜OFF］:對(duì)于在可信文件列表中的應(yīng)用程序，當(dāng)完整性度量未通過(guò)時(shí)是否允許繼續(xù)執(zhí)行由該策略決定。如果啟用該策略，對(duì)于完整性度量未通過(guò)的應(yīng)用程序?qū)⒈唤箚?dòng)；如果禁用該策略，則將決策權(quán)交由用戶(hù)，由用戶(hù)決定信任與否。

2.3.3 TCM配置管理

TCM是整個(gè)可信執(zhí)行環(huán)境運(yùn)行的硬件基礎(chǔ)，是可信執(zhí)行環(huán)境能夠正常運(yùn)行的核心。TCM配置管理模塊向用戶(hù)提供交互界面，通過(guò)調(diào)用TSM提供的接口［5］實(shí)現(xiàn)對(duì)TCM的訪(fǎng)問(wèn)、配置和管理，具體功能有:對(duì)TCM的初始化，查看TCM工作狀態(tài)、PCR值等基本信息，修改TCM的功能狀態(tài)，操作對(duì)TCM進(jìn)行使能、禁止、自測(cè)等。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下構(gòu)建可信執(zhí)行環(huán)境的方法，本文設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容:功能測(cè)試和性能測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境軟硬件配置為:操作系統(tǒng)為Neo Kylin＿DT（2.0）；內(nèi)核版本為L(zhǎng)inux 2.6.27.41；處理器選用的是龍芯3A，主頻1GHZ；TCM芯片選用的是國(guó)民技術(shù)TCM。

3.1 功能測(cè)試

測(cè)試準(zhǔn)備:由于測(cè)試中會(huì)修改應(yīng)用程序的核心文件，為了不對(duì)系統(tǒng)造成影響，我們選用自己開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序Test作為測(cè)試程序。

測(cè)試方案:啟動(dòng)攔截測(cè)試。啟動(dòng)測(cè)試程序Test，測(cè)試可信執(zhí)行環(huán)境是否可以自動(dòng)攔截到該應(yīng)用程序的啟動(dòng)加載；可信驗(yàn)證。替換應(yīng)用程序Test的二進(jìn)制執(zhí)行文件，并再次執(zhí)行，測(cè)試可信執(zhí)行環(huán)境是否可以檢測(cè)到對(duì)應(yīng)用程序Test的修改。

測(cè)試結(jié)果:當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)測(cè)試程序Test時(shí)，可信執(zhí)行環(huán)境向用戶(hù)提示發(fā)現(xiàn)未知應(yīng)用程序，成功對(duì)其進(jìn)行了攔截；信任執(zhí)行應(yīng)用程序Test，然后替換應(yīng)用程序Test的二進(jìn)制執(zhí)行文件，可信執(zhí)行環(huán)境向用戶(hù)提示，應(yīng)用程序被破壞是否繼續(xù)執(zhí)行，成功檢測(cè)到了應(yīng)用程序的變化。

結(jié)論:可信執(zhí)行環(huán)境可以準(zhǔn)確地?cái)r截應(yīng)用程序，并及時(shí)檢測(cè)其變化情況，可以有效地保護(hù)應(yīng)用程序的安全執(zhí)行。

3.2 性能測(cè)試

測(cè)試準(zhǔn)備:為了測(cè)試可信執(zhí)行環(huán)境的性能，體現(xiàn)度量引擎計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，需要執(zhí)行應(yīng)用程序的核心文件較大，為此我們選擇應(yīng)用程序ps作為測(cè)試程序。

測(cè)試方案:對(duì)應(yīng)用程序啟動(dòng)影響主要源于度量引擎對(duì)應(yīng)用程序核心文件哈希值的計(jì)算。執(zhí)行應(yīng)用程序Test和ps，對(duì)度量引擎計(jì)算哈希值的時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)記錄，將其與僅用硬算法SM3計(jì)算同樣數(shù)據(jù)的所需時(shí)間作對(duì)比，如表1所示。

表1 應(yīng)用程序啟動(dòng)時(shí)間記錄

從表1中可以看出可信執(zhí)行環(huán)境對(duì)應(yīng)用程序啟動(dòng)的影響較小；同時(shí)對(duì)同樣大小數(shù)據(jù)的哈希值計(jì)算，通過(guò)度量引擎計(jì)算所需的時(shí)間比僅通過(guò)硬算法SM3計(jì)算所需時(shí)間縮短了很多。

結(jié)論:可信執(zhí)行環(huán)境對(duì)應(yīng)用程序正常啟動(dòng)造成的影響在可接受的范圍內(nèi)，使用軟硬結(jié)合的哈希值計(jì)算方法，有效地提高了可信執(zhí)行環(huán)境的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可信執(zhí)行環(huán)境，解決了傳統(tǒng)信息安全技術(shù)安全防護(hù)滯后的問(wèn)題，增強(qiáng)了國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下對(duì)應(yīng)用程序的安全保護(hù)。可信執(zhí)行環(huán)境通過(guò)重載LSM框架在內(nèi)核中的HOOK函數(shù)，簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)用程序的攔截；采用哈希值軟硬件結(jié)合的二級(jí)計(jì)算方式計(jì)算哈希值，加快哈希值計(jì)算速度，完成對(duì)應(yīng)用程序的可信驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)用程序的正常啟動(dòng)影響較小，有效地保護(hù)了國(guó)產(chǎn)自主平臺(tái)下應(yīng)用程序的安全性。

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