基于國產(chǎn)處理器的可信計(jì)算平臺構(gòu)建方法*

冷 冰，龐 飛

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

計(jì)算平臺（臺式機(jī)、服務(wù)器、移動設(shè)備和嵌入式設(shè)備等）作為構(gòu)建信息基礎(chǔ)設(shè)施的基本組成單元，其面臨的網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)不斷攀升[1]?？尚庞?jì)算是國際可信計(jì)算組織（Trusted Computing Group，TCG）提出的，解決計(jì)算平臺安全問題的一種技術(shù)。我們國家在沈昌祥院士的帶領(lǐng)下，從1992年開始，經(jīng)過長期攻關(guān)，形成了我國自主創(chuàng)新的可信體系[2-3]。

中國自2001年開始啟動處理器設(shè)計(jì)項(xiàng)目以來，產(chǎn)生了以龍芯、飛騰等為代表的國產(chǎn)CPU，產(chǎn)品性能逐年提高[4]。近期中美貿(mào)易摩擦加劇，中興、華為事件[5-6]的出現(xiàn)再次為我們敲響了警鐘。利用國產(chǎn)處理器構(gòu)建自主可控計(jì)算平臺才是我國關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施長治久安之路。

目前我國的可信計(jì)算平臺按照構(gòu)建方法的不同，主要分為兩大類。一類是可信增強(qiáng)型，即不改動現(xiàn)有計(jì)算平臺主板，插入一塊PCI/PCI-E/USB/mini PCI-E/TF等標(biāo)準(zhǔn)接口的可信密碼模塊（Trusted Cryptography Module，TCM），再在操作系統(tǒng)中安裝一套安全軟件，軟硬配合，在計(jì)算平臺上構(gòu)建一個相對可信的運(yùn)行環(huán)境。另一種是高安全型，即定制計(jì)算平臺主板，將可信平臺控制模塊（Trusted Platform Control Module，TPCM）貼在主板上，依靠特殊設(shè)計(jì)的硬件電路使TPCM先于CPU啟動，對CPU度量通過后，才開始后續(xù)啟動過程，以確保TPCM是真正的信任原點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)高安全。

主板貼TPCM模塊的方法是在上世紀(jì)九十年代我國沒有掌握CPU、操作系統(tǒng)等核心部件的嚴(yán)酷背景下提出的。該方法的出發(fā)點(diǎn)是不信任CPU和操作系統(tǒng)，整個計(jì)算平臺可以信任的只有TPCM，它作為唯一的可信根去度量、監(jiān)控計(jì)算平臺其它部件。

隨著國產(chǎn)處理器的快速發(fā)展和走向?qū)嵱?，我國可信?jì)算平臺的設(shè)計(jì)限制條件越來越少，設(shè)計(jì)環(huán)境逐漸改善。本文從核心元器件、基礎(chǔ)軟件自主可控之后可信邊界的變化出發(fā)，提出了一種新的可信計(jì)算平臺構(gòu)建方法，該方法優(yōu)化了國產(chǎn)計(jì)算平臺整機(jī)設(shè)計(jì)，降低了成本，提升了效率。

1 可信邊界

基于非國產(chǎn)處理器和操作系統(tǒng)構(gòu)建的可信計(jì)算平臺，由于不能自主可控，我們無法確保其沒有被惡意預(yù)留后門，植入木馬。事實(shí)上，Intel等主流處理器就曾被爆出多個高危漏洞威脅系統(tǒng)安全[7]。如果該植入過程在處理器生產(chǎn)之后由第三方植入，那么根據(jù)可信計(jì)算機(jī)制，還可以發(fā)現(xiàn)處理器已經(jīng)被篡改。如果該后門是處理器生產(chǎn)廠家在處理器生產(chǎn)交付之前預(yù)置的，那么按照當(dāng)前可信計(jì)算的靜態(tài)度量機(jī)制，是無法檢測出來的。對計(jì)算平臺外設(shè)和操作系統(tǒng)而言，同樣如此。

因此，利用非國產(chǎn)軟硬件構(gòu)建的可信計(jì)算平臺，其可信邊界只有一個完全自主可控的TPCM模塊。任何其他軟硬件部件在沒有通過TPCM模塊的度量驗(yàn)證之前都是不可信的。

由于這種不信任關(guān)系，安裝于非國產(chǎn)操作系統(tǒng)內(nèi)的可信軟件基（Trusted Software Base，TSB）必須使用傳統(tǒng)主機(jī)安全防護(hù)軟件的一些技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)視操作系統(tǒng)及其它軟件，以便發(fā)現(xiàn)計(jì)算平臺的異常行為。因此，其軟硬件結(jié)構(gòu)不可避免地復(fù)雜，成本高、效率低。

在基于國產(chǎn)處理器和操作系統(tǒng)構(gòu)建可信計(jì)算平臺時(shí)，情況有了變化。首先，供應(yīng)鏈安全和信息安全是研發(fā)自主可控處理器的一個主要動因，國內(nèi)廠家不會惡意在處理器中預(yù)置后門和木馬。其次，國內(nèi)處理器廠家與國內(nèi)安全廠家一直保持著緊密合作，是相互信任的，處理器一旦被發(fā)現(xiàn)bug，存在安全風(fēng)險(xiǎn)，就會很快得到修復(fù)。

因此，采用國產(chǎn)軟硬件構(gòu)建的可信計(jì)算平臺，其可信邊界不僅包括TPCM硬件模塊，還應(yīng)該包括處理器和操作系統(tǒng)的核心部分。不可信的部分是非自主可控的外設(shè)、主板上容易被篡改的部件、操作系統(tǒng)中第三方開發(fā)的驅(qū)動程序和軟件等。例如：用戶在可信計(jì)算平臺上安裝的國外或互聯(lián)網(wǎng)下載的軟件。這些軟件可能惡意的提升權(quán)限，竊取用戶信息，或者非惡意地破壞可信計(jì)算平臺的完整性，影響其它軟件的執(zhí)行。另外，黑客也可能通過物理攻擊方式篡改可信計(jì)算平臺關(guān)鍵核心硬件、外設(shè)和基礎(chǔ)軟件。

以國產(chǎn)處理器和國產(chǎn)操作系統(tǒng)非惡意本質(zhì)為前提，我們可以設(shè)計(jì)出一種新的，運(yùn)算和防護(hù)并存的，簡潔、高效，不增加額外硬件成本的可信計(jì)算平臺。

2 國產(chǎn)可信計(jì)算平臺體系結(jié)構(gòu)

基于國產(chǎn)處理器的可信計(jì)算平臺設(shè)計(jì)思路一是利用國產(chǎn)處理器內(nèi)嵌的安全功能實(shí)現(xiàn)一個較小的、具備物理安全屬性并可驗(yàn)證的邏輯單元作為可信根，利用信任鏈的傳遞機(jī)制保證整個計(jì)算平臺啟動時(shí)的可信。二是利用國產(chǎn)處理器和基礎(chǔ)軟件提供的隔離機(jī)制確保計(jì)算平臺上各應(yīng)用軟件間以及應(yīng)用軟件和計(jì)算平臺系統(tǒng)軟件之間的互不干擾。

按照我國自主創(chuàng)新的可信雙體系結(jié)構(gòu)[8]要求，提出一種基于國產(chǎn)處理器的可信計(jì)算平臺體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該計(jì)算平臺體系結(jié)構(gòu)最顯著的特點(diǎn)是利用國產(chǎn)處理器內(nèi)嵌的安全部件實(shí)現(xiàn)TCM功能，與內(nèi)存管理單元、系統(tǒng)總線安全擴(kuò)展等部件一起形成完整的TPCM功能。不再需要在主板上額外貼一個TPCM硬件模塊，從而消除定制，降低成本，提升效率。

雖然不再有獨(dú)立的硬件形態(tài)，但TPCM作為可信計(jì)算體系中的可信根，其邏輯上還是完全獨(dú)立的。即安全防護(hù)域和通用計(jì)算域是各自獨(dú)立運(yùn)行的。運(yùn)行于通用計(jì)算域中的軟件是無法訪問安全防護(hù)域的內(nèi)存、安全外設(shè)，竊取敏感數(shù)據(jù)的。確保通用計(jì)算域和安全防護(hù)域間的隔離是本體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。

圖1 基于國產(chǎn)處理器的可信計(jì)算平臺體系結(jié)構(gòu)

3 硬件設(shè)計(jì)

不同國產(chǎn)處理器內(nèi)嵌的安全功能實(shí)現(xiàn)略有不同。最新的龍芯3A4000SE處理器采用的是集成TPCM硬核的方式。它不僅集成了32位TPCM處理器內(nèi)核、算法引擎、ROM、專用SRAM，甚至連主動度量所需的處理器控制接口和專用IO接口都一應(yīng)俱全。因此它等價(jià)于將原來貼在主板上的TPCM硬件模塊全部封裝進(jìn)了CPU內(nèi)部。其硬件參考設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 龍芯平臺硬件參考設(shè)計(jì)框圖

由于TPCM硬核具有完全獨(dú)立的ROM和SRAM，獨(dú)立的IO，不需要主板額外處理它與通用計(jì)算域的隔離關(guān)系，因此該硬件設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)采用獨(dú)立式TPCM硬件模塊的可信計(jì)算平臺設(shè)計(jì)幾乎一樣。對固件、外設(shè)的度量和控制也由TPCM的專用IO接口直接連接。

飛騰2000/4處理器采用的是TrustZone技術(shù)路線。其硬件參考設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 飛騰平臺硬件參考設(shè)計(jì)框圖

在TrustZone架構(gòu)下，通用計(jì)算域和安全防護(hù)域是分時(shí)共享CPU的，通過虛擬化CPU核、擴(kuò)展系統(tǒng)總線安全機(jī)制、增加相應(yīng)功能部件實(shí)現(xiàn)了通用計(jì)算域和安全防護(hù)域的隔離。這是與龍芯處理器最大的區(qū)別。

每個飛騰的物理處理器核被虛擬為一個安全核和一個非安全核，安全核運(yùn)行安全防護(hù)域的代碼，非安全核運(yùn)行其它代碼。

帶NS控制位的系統(tǒng)總線是最重要的安全機(jī)制擴(kuò)展之一。通過為系統(tǒng)總線中的每一個讀寫通道添加額外的控制信號位，來判斷當(dāng)前傳輸?shù)臄?shù)據(jù)屬于何種環(huán)境中。如果該位為低，表示數(shù)據(jù)屬于安全環(huán)境，否則就屬于普通環(huán)境。運(yùn)行在非安全核中的軟件是無法拉低NS控制位，非法訪問安全內(nèi)存和安全設(shè)備數(shù)據(jù)的。

可信域地址空間控制器（TrustZone Address Space Controller，TZASC)用于把外部DDR4內(nèi)存分成多個區(qū)域，每個區(qū)域可以單獨(dú)配置為安全或非安全區(qū)域，通用計(jì)算域的代碼只能訪問非安全區(qū)域的內(nèi)存。

可信域保護(hù)控制器（TrustZone Protection Controller，TZPC）用于配置外設(shè)的安全屬性，實(shí)現(xiàn)IO設(shè)備層面的數(shù)據(jù)保護(hù)。它可以在運(yùn)行時(shí)動態(tài)設(shè)置，例如鍵盤平時(shí)作為非安全的輸入設(shè)備，在輸入密碼時(shí)可以配置為安全設(shè)備，只允許安全防護(hù)域軟件訪問。

可信域內(nèi)存適配（Trust Zone Memory Adapter，TZMA）用于把片內(nèi)ROM和RAM隔離出安全和非安全區(qū)域。TZMA最大可以將片內(nèi)存儲的低2MB配置為安全區(qū)域，其余部分配置為非安全區(qū)域。

因此，采用飛騰處理器的可信計(jì)算平臺中，可信根是由虛擬安全核、系統(tǒng)總線安全擴(kuò)展、TZASC、TZPC和TZMA共同組成的。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 可信固件設(shè)計(jì)

自主可信固件的基本功能包括：硬件平臺上電后，獲得系統(tǒng)控制權(quán)，初始化處理器、內(nèi)存、芯片組等關(guān)鍵部件，枚舉外設(shè)并為其分配資源，初始化顯卡、硬盤、網(wǎng)卡等必要的外設(shè)，度量操作系統(tǒng)或可信虛擬機(jī)監(jiān)視器核心代碼，如果通過防篡改驗(yàn)證，則為其建立運(yùn)行環(huán)境，然后移交控制權(quán)，如果沒有通過驗(yàn)證，則執(zhí)行可信恢復(fù)，重新啟動。其框圖如圖4所示。

圖4 自主可信固件框圖

（1）硬件抽象層，將處理器、芯片組、TPCM等硬件進(jìn)行包裝和抽象，初始化處理器和硬件，為上層模塊提供訪問處理器、硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。

（2）固件核心層，建立統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口（Unified Extensible Firmware Interface，UEFI）的系統(tǒng)服務(wù)表，包括啟動服務(wù)和運(yùn)行時(shí)服務(wù)，進(jìn)行固件中所有模塊的統(tǒng)一管理。

（3）固件應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)固件的各項(xiàng)具體功能，如可信度量、配置管理、內(nèi)核加載、可信恢復(fù)等。

4.2 可信虛擬機(jī)監(jiān)視器設(shè)計(jì)

當(dāng)可信計(jì)算平臺應(yīng)用在云計(jì)算環(huán)境時(shí)，在可信固件和可信操作系統(tǒng)之間有個虛擬化層，運(yùn)行可信虛擬機(jī)監(jiān)視器。

可信虛擬機(jī)監(jiān)視器除具備普通虛擬機(jī)監(jiān)視器的虛擬化資源調(diào)度、管理等功能外，與可信相關(guān)的安全功能主要是虛擬TPCM功能和安全監(jiān)控與恢復(fù)功能。

虛擬TPCM功能主要是將TPCM硬件按需虛擬成多個TPCM供多個虛擬機(jī)客戶操作系統(tǒng)同時(shí)使用。其主要功能包括：數(shù)字簽名與驗(yàn)證、數(shù)據(jù)加解密、真隨機(jī)數(shù)生成、數(shù)字證書管理等。

安全監(jiān)控與恢復(fù)功能主要是安全隔離各虛擬機(jī)，監(jiān)控其資源訪問，發(fā)現(xiàn)惡意攻擊行為，執(zhí)行可信恢復(fù)等操作。

4.3 可信操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于當(dāng)前國產(chǎn)操作系統(tǒng)大多是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的，因此可信操作系統(tǒng)基于Linux安全模塊（Linux Security Module，LSM）框架實(shí)現(xiàn)可信軟件基功能，以便可信功能更好地融入操作系統(tǒng)之中。

可信操作系統(tǒng)的運(yùn)行控制原理如圖5所示。其中，可信運(yùn)行控制的主體是進(jìn)程，客體可以是文件、目錄、設(shè)備、IPC 和Socket等對象。通過操作系統(tǒng)的可信運(yùn)行控制機(jī)制，結(jié)合強(qiáng)制訪問控制策略，對通用計(jì)算域中的進(jìn)程實(shí)施細(xì)粒度的運(yùn)行控制和訪問控制，阻止非法程序的運(yùn)行，防止非授權(quán)用戶和進(jìn)程對資源的訪問，保證計(jì)算平臺運(yùn)行環(huán)境的安全可信。

圖5 可信運(yùn)行控制原理框圖

其訪問控制流程如下：

（1）主體通過系統(tǒng)調(diào)用發(fā)起對客體的訪問請求；

（2）策略實(shí)施部件通過嵌入到系統(tǒng)調(diào)用的鉤子收到訪問請求后，向策略判定部件獲取訪問策略；

（3）策略判斷部件收到請求后，從策略庫中查詢安全策略，并向TPCM獲取策略的完整性報(bào)告；

（4）TPCM對策略及權(quán)限進(jìn)行完整性驗(yàn)證后，將完整性狀態(tài)報(bào)告及安全策略返回給策略判斷部件，策略判斷部件再返回給策略實(shí)施部件；

（5）策略實(shí)施部件收到安全策略后，調(diào)用可信服務(wù)接口請求TPCM驗(yàn)證被訪問客體的可信狀態(tài)；

（6）TPCM收到驗(yàn)證請求后，首先對主體的身份進(jìn)行認(rèn)證，并對被訪問的客體進(jìn)行完整性度量，將認(rèn)證結(jié)果和度量結(jié)果報(bào)告給策略實(shí)施部件；

（7）策略實(shí)施部件根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果決定是否允許主體訪問客體；

（8）策略實(shí)施部件記錄訪問操作審計(jì)日志；（9）策略實(shí)施部件向主體返回訪問結(jié)果。

4.4 處理器特權(quán)級別分配

現(xiàn)代處理器都支持多個特權(quán)運(yùn)行級別，不同處理器有不同的命名方法，支持的數(shù)量也有差異。為表述方便，本文用“EL+數(shù)字”方式表示處理器的特權(quán)級別，數(shù)字越大代表權(quán)限越大。

對支持四個及以上特權(quán)級別（EL0～EL3）的處理器，應(yīng)將最高特權(quán)級別EL3分配給安全防護(hù)域的安全功能實(shí)現(xiàn)，例如TPCM功能，安全監(jiān)視與恢復(fù)功能等。將次高特權(quán)級別EL2分配給虛擬機(jī)監(jiān)視器功能，將EL1分配給虛擬機(jī)客戶操作系統(tǒng)，將最低權(quán)限級別EL0分配給用戶應(yīng)用軟件。

對只支持三個特權(quán)級別（EL0～EL2）的處理器，可將虛擬機(jī)監(jiān)視器和虛擬機(jī)客戶操作系統(tǒng)分配在同一特權(quán)級別EL1中，仍然將最高特權(quán)級別EL2分配給可信相關(guān)安全功能，確保整個計(jì)算平臺安全防護(hù)域的獨(dú)立和安全。

5 信任鏈建立

信任鏈?zhǔn)强尚庞?jì)算中的重要概念。利用它可以將信任域從信任根擴(kuò)展到整個計(jì)算平臺。

基于龍芯3A4000SE等集成TPCM硬核方式處理器構(gòu)建的可信計(jì)算平臺，由于其TPCM完全獨(dú)立，其信任鏈建立過程與傳統(tǒng)可信計(jì)算平臺沒有區(qū)別。都是系統(tǒng)上電后，TPCM作為可信根率先運(yùn)行，對Boot loader固件進(jìn)行可信度量，通過度量后，才控制通用計(jì)算域的處理器核加載固件代碼，執(zhí)行Boot loader引導(dǎo)過程，隨后是虛擬機(jī)監(jiān)視器、客戶操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序。

基于飛騰2000/4等采用TrustZone技術(shù)路線處理器構(gòu)建的可信計(jì)算平臺的信任鏈建立過程稍有不同。系統(tǒng)上電后，處理器會首先進(jìn)入安全模式，虛擬安全核讀取片內(nèi)ROM核心代碼完成自檢和TPCM核心功能構(gòu)建，然后在TZASC、TZPC和TZMA的配合下，對存放在主板上的后續(xù)固件代碼進(jìn)行可信度量，通過驗(yàn)證后，引導(dǎo)安全防護(hù)域OS，等安全防護(hù)域構(gòu)建完成后，再對通用計(jì)算域的Boot loader進(jìn)行可信度量，然后切換CPU工作模式，執(zhí)行通用計(jì)算域引導(dǎo)，隨后才是虛擬機(jī)監(jiān)視器、客戶操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

為了支持虛擬化應(yīng)用，可信計(jì)算平臺的信任鏈需要從傳統(tǒng)的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展為菊花鏈拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。即信任鏈從可信根傳遞到虛擬機(jī)監(jiān)視器后開始分叉，每一個虛擬機(jī)客戶機(jī)都用一個獨(dú)占的虛擬TPCM作為自己的可信根，繼續(xù)在客戶操作系統(tǒng)中進(jìn)行信任鏈的傳遞。

6 結(jié) 語

在中美貿(mào)易摩擦愈演愈烈的大背景下，自主可控計(jì)算平臺的選用將會越來越多。本文介紹了一種利用最新的國產(chǎn)處理器構(gòu)建自主可信計(jì)算平臺的方法。相比于傳統(tǒng)方法，本方法可以降低整機(jī)硬件成本，提升運(yùn)行效率，達(dá)到安全防護(hù)與計(jì)算并存的自免疫效果。