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電子科技大學空天科學技術研究院 楊鐵柱 張向剛 引言 隨著計算機應用的不斷發展，安全威脅問題越來越嚴重，傳統的單純依靠軟件來抵抗安全威脅往往不能解決問題。可信計算的基本思想是從芯片、硬件結構和操作系統等方面制定安全規范保證計算機和網絡結構的安全�？尚庞嬎闫脚_基于可信平臺模塊（TPM），以密碼算法技術作為基礎、安全操作系統作為核心，通過信任域的不斷擴展形成安全的平臺。 目前市場上的TPM芯片主要應用在PC終端上，但是隨著嵌入式系統的不斷發展，TPM在嵌入式系統上的應用也越來越廣，程序員在編寫可信計算應用程序的時候，其切入點應該是TSS，本文就TPM和TSS的概念、TSS在ARM平臺上的移植、調用TSS的API編寫應用程序以及如何與TPM進行交互做了詳細的介紹，最終實現了在嵌入式ARM平臺上的可信計算。 TPM芯片結構和TSS體系結構概述 可信計算的核心是TPM，它是一種安全加密芯片，提供了一種基于硬件的方法來管理用戶權限、網絡訪問、數據保護等。TPM芯片用來存儲數字密鑰、認證和密碼，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、身份密鑰、程序代碼、隨機數產生器、Sha-1算法引擎、RSA密鑰產生、RSA引擎、Opt-In選擇組件、執行引擎。 
圖1 TPM芯片結構 TPM芯片里的資源是有限的，它僅僅對外提供了一些基本的功能接口。為了充分應用TPM的內部功能，需要在TPM外部套接一個可信計算軟件棧TSS，TSS作為可信計算平臺上TPM的支持軟件，其規范定義了一種能夠讓訪問TPM變得簡單和直接的體系結構。本文構建的嵌入式平臺為三星的ARM9TDMI-S3C2410處理器，TPM芯片為Atmel公司的AT97SC3204T。 由圖2可知，TSS的運行模式分為兩種：用戶模式和內核模式。用戶模式下，通常根據用戶的要求來加載和執行用戶應用程序和服務，有時候這些用戶應用程序和服務也可以作為啟動服務被載入。在內核模式下，通常運行設備驅動和操作系統的核心組件。
圖2 TSS體系結構 TSS由三個邏輯組件構成：TCG設備驅動程序庫（TCG Device Driver Library，TDDL）、TSS核心服務（TSS Core Services，TCS）、TCG服務提供者（TCG Service Provider，TSP）。 TDDL提供了一個與TPM設備驅動程序進行交互的API的庫，用來打開和關閉TPM設備驅動程序（TPM Device Driver）、發送和接收數據塊、查詢設備驅動程序的屬性、取消已經提交的TPM命令。TCS層主要用來管理TPM的資源，提供了一個TPM命令數據塊產生器和一個全局的密鑰存儲設備。TSP層通過共享對象或動態鏈接庫直接被應用程序調用。 TSS的工作流程如下：應用程序的命令參數通過接口TSPl發送到TSP，TSP通過處理后傳送給TCS，TCS將接收到的請求轉化為TPM能夠識別的字節流，通過TDDL和TDD傳給TPM，然后反向經TDDL、TDD、TCS、TSP傳回應用程序。 TSS在ARM上的移植 本文所使用的宿主機操作系統為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。在交叉編譯TSS之前，先交叉編譯安裝OpenSSL，因為交叉編譯TSS的時候需要用到其中的libcrypto庫文件，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行如下操作： （1）配置：在對OpenSSL1.0.0進行配置時需要指定其安裝路徑，在后面配置TSS時需要調用OpenSSL安裝路徑里的庫文件，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，里面對應的部分需要修改為: 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算軟件棧為trousers0.3.3.2，在交叉編譯之前需要進行如下操作： （1）執行bootstrap.sh腳本，具體命令如下： [root@happy trousers-0.3.3.2]#sh bootstrap.sh （2）對軟件包進行配置，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指定目標平臺為ARM，并使用交叉編譯工具；--with-openssl=/usr/local/openssl指定OpenSSL所在的位置，交叉編譯的時候需要用到其中的libcrypto庫文件；--prefix=/usr/tss指定安裝位置。 包含TSS的文件系統制作 文件系統在宿主機上的目錄為~/rootfs，將交叉編譯安裝好的TSS（在宿主機上的位置為/usr/tss）拷貝到~/rootfs/usr下，將TSS安裝后生成的庫文件拷貝到~/rootfs的lib目錄下。 然后使用文件系統制作工具mkcramfs1.0，將目錄rootfs制作成鏡像文件，通過串口工具minicom下載到ARM開發板。 如果TSS啟動成功，則會出現如下提示：TCSD trousers 0.3.3.2:TCSD up and running。 注意事項 在制作文件系統時，~/rootfs/etc中需要添加關于TSS的group、passwd文件，hosts里面應該包含localhost。否則，制作成文件系統燒寫進開發板之后，當輸入#./usr/tss/sbin/tcsd-f啟動TSS時，會報錯。 將不希望用戶修改的文件都放在只讀的cramfs分區下，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。 應用程序編寫 在完成了TSS在ARM平臺的移植之后，可以使用TSS所提供的API編寫應用程序與TPM進行交互。下面主要介紹一下獲取屬主身份、創建密鑰、對文件進行加密和解密。 屬主身份獲取 首次使用TPM時，需要先獲取屬主身份，主要用到函數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 密鑰創建 對文件進行加密時需要使用密鑰，這可以使用函數Tspi_Key_CreateKey()來創建，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! "); 創建密鑰之前/tmp目錄下的文件只有dir，創建成功后會打印信息，并生成密鑰文件UserKeyBlob.cer，如圖5所示：
圖5 密鑰創建 文件加密 加密操作主要使用函數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，前面創建的密鑰所在的目錄為/tmp，則編譯后執行命令時的格式為encryptFile -e /tmp/dir /tmp。 加密之前，/tmp/dir目錄下只有test一個文件，使用cat命令查看該文件的內容為：Hello，world！執行加密命令之后，使用cat命令再次查看該文件的內容，看到的是亂碼，而不是原始內容，可見加密成功。加密后在test文件所在的目錄下會生成一個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命令，但后綴參數不同，格式為encryptFile –d /tmp/dir /tmp。執行解密操作后，使用cat命令查看加密的文件test，則可以看到原始的內容，說明解密成功。此時，test文件所在的目錄下加密時生成的FileKey.cer文件消失。如圖7所示：
圖7 文件解密 除了上面的幾個示例之外，還可以調用TSS的API編寫各種應用程序對TPM進行操作�？傊�，只要給定了TPM芯片，掌握了TPM的基本知識和TSS的API，就可以寫出可信計算的應用程序。 結束語 傳統的可信計算一般是基于PC平臺的，本文通過可信計算軟件棧TSS在ARM平臺上的實現，調用TSS的API編寫應用程序與TPM進行交互，對于實現可信計算在嵌入式ARM平臺上的應用提供了重要的橋梁和支持。 |
