CN105825131A - 一种基于uefi的计算机安全启动防护方法 - Google Patents

一种基于uefi的计算机安全启动防护方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于UEFI的计算机安全启动防护方法，所述方法是令UEFI在DXE阶段加载USB Key驱动程序，驱动加载成功与否会影响到BDS阶段引导管理器识别USB Key硬件；在BDS阶段，引导管理器识别USB Key硬件，并启动USB Key设备；在TSL阶段，验证USB Key序列号，并加载USB Key中的OS Loader文件至内存，接着调用USB Key中的动态口令认证服务端进行二次认证，最后通过调用EFI安全防护软件对ESP分区进行恶意代码扫描，确保ESP分区内的关键系统文件未被入侵，保证计算机的安全启动。本发明方法在不影响计算机正常启动的前提下，通过软硬件结合的方式，增强了计算机启动流程的安全性。

Description

一种基于UEFI的计算机安全启动防护方法
技术领域
本发明涉及计算机安全技术领域，更具体地说，尤其涉及一种基于UEFI的计算机安全启动防护方法。
背景技术
随着统一可扩展固件接口(UEFI)技术不断发展，UEFI安全成为人们关注的焦点之一。UEFI是Intel提出的全新计算机固件接口标准，目前已经移交给UEFI联盟维护，它已经取代传统的BIOS，用于启动计算机并进行硬件初始化等工作。
图1描述了UEFI原始的启动流程，主要包括SEC(Security)、PEI(Pre-EFIInitialization)、DXE(DriverExtensionEnvironment)、BDS(BootDeviceSelection)和TSL(TransientSystemLoad)等几个阶段。其中，SEC阶段是硬件可靠性验证阶段，用于取得系统控制权并传递系统状态参数给下一阶段PEI；PEI阶段是预初始化阶段，用于CPU、芯片组和主板等硬件初始化；DXE阶段是驱动执行阶段，用于轮询并加载所有设备的驱动程序；BDS阶段是启动设备选择阶段；TSL阶段是短暂系统载入阶段，用于调用OSLoader以加载操作系统。
GPT是一种在UEFI中使用的磁盘分区格式，与传统的MBR分区格式相比，GPT分区格式具有更多的优点。在GPT分区格式下，每个磁盘和分区具有唯一的ID(GUID)；每个磁盘可最多支持128个主分区，并支持高达18EB(exabytes)的卷大小；备份磁盘分区表的创建机制提高了分区格式数据的安全性。采用GPT分区格式进行分区的硬盘，除了拥有传统的主分区，还有MSR分区(Microsoft保留分区)和ESP分区(UEFI系统分区)。
ESP分区用于存储BCD文件(即启动菜单文件)、驱动程序、数字签名和负责引导操作系统的OSLoader文件。ESP分区是一个隐藏的系统分区，但可以通过如DiskGenuis等软件识别出该分区，并且可从中提取OSLoader文件进行篡改进而劫持操作系统的启动流程。
中国专利申请CN102244684A公开了一种基于USBKEY的EFI可信云链引导方法，该方法提出了一套自应用程序到系统硬件可信云链建立的完整解决方案，通过将可信根设置在硬件中存储用户的私钥和数字证书，实现从计算机加电开始到最终应用程序启动的一条完整的全程可信监控链。该技术实现了对EFI启动过程可信链路的防范，但是没有解决可信硬件遗失后导致用户身份被冒用的安全隐患；并且也没有解决在TSL阶段系统关键文件被恶意代码入侵导致系统启动流程被劫持的安全隐患。
中国专利申请CN102024114A公开了一种基于统一可扩展固件接口的恶意代码防范方法，该方法通过采用UEFI提供的编程接口实现网络连接模块，维护远程服务器上的基于特征码的恶意代码检查的恶意代码特征库以及用于数据恢复的程序备份；然后在本地硬盘创建一个存储空间，存储作为完整性检查信息的核心文件的摘要集合和清理系统的垃圾信息及顽固数据的配置信息；最后执行恶意代码防范。该技术是仅针对基于MBR磁盘分区格式的计算机恶意代码防范方法，没有对使用GPT磁盘分区的计算机进行恶意代码防范，特别是操作系统层上可见的且存放着与启动相关的重要文件的ESP分区；同时，该技术没有针对OSLoader文件的安全性进行保护。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于UEFI的计算机安全启动防护方法，该方法从OSLoader文件分离保护、开机身份认证和系统关键区域防护三方面进行安全性考虑，实现三者的有机结合，从而保障计算机的安全启动。
本发明是一种基于UEFI的计算机安全启动防护方法，在计算机进入操作系统前，执行以下步骤：
S101：令UEFI在DXE阶段加载USBKey驱动程序；
S102：判断USBKey驱动程序是否加载成功，如果是，进入步骤S103，否则，进入步骤S111；
S103：在BDS阶段，引导管理器识别USBKey硬件，并启动USBKey设备；
S104：USBKey启动后，识别USBKey序列号；
S105：在TSL阶段，通过判断USBKey序列号是否合法实现第一次身份认证，如果是，进入步骤S106，否则，进入步骤S113；
S106：加载USBKey中的OSLoader文件至内存；
S107：调用USBKey中的动态口令认证服务端，服务端认证程序自动获取系统时间，生成动态口令值PSW1；
S108：显示服务端认证程序界面，提示用户输入动态口令客户端生成的动态口令值PSW2进行二次身份认证；
S109：比较动态口令值PSW1与PSW2是否匹配，如果是，进入步骤S110，否则，显示错误提示；
S110：调用EFI安全防护软件对ESP分区进行恶意代码扫描，确保ESP分区内的关键系统文件未被入侵，保证计算机的安全启动；
S111：判断是否在ESP分区发现恶意代码，如果否，则进入步骤S112，否则，输出恶意代码情况描述；
S112：加载操作系统；
S113：结束。
在本发明技术方案中，在步骤S109中，如果动态口令值PSW1与PSW2不匹配，除显示错误提示外，还执行以下步骤：
S1091：计算错误次数，并判断错误次数是否大于五次，如果是，进入步骤S113；否则，返回步骤S107，重新调用USBKey中的动态口令认证服务端生成动态口令值PSW1，并提示用户重新输入动态口令客户端生成的动态口令值PSW2进行身份认证。
在本发明技术方案中，在步骤S111中，当在ESP分区扫描发现恶意代码时，除输出恶意代码情况描述外，还执行以下步骤：
S1111：提示用户是否清除恶意代码，如果是，进入步骤S1112；否则，直接进入步骤S112；
S1112：清除恶意代码，并在清除完毕后进入步骤S112。
在本发明技术方案中，在步骤S107中，所述动态口令认证服务端是一个在UDK环境上开发的EFI应用程序，存放在USBKey中，用于计算机启动时认证用户身份。
在本发明技术方案中，在步骤S108中，所述动态口令客户端是一个用于生成开机口令的手机App。
在本发明技术方案中，在步骤S110中，所述EFI安全防护软件是基于UEFI规范开发的PE32+的应用程序，该软件存放在ESP分区中。
本发明的有益效果是：实现OSLoader文件与操作系统的物理分离，将OSLoader文件加密存放在USBKey中，从而实现了对OSLoader文件的安全性保护，防止OSLoader文件被非法提取和篡改。将动态口令认证服务端置于USBKey中，利用动态口令令牌与USBKey结合，实现了高强度的开机身份认证，解决了单独使用USBKey时若遗失所带来的安全隐患问题。开机身份认证成功后，EFI安全防护软件在加载操作系统前自动运行，对ESP分区等系统关键区域进行恶意代码扫描，实现了对系统关键区域的防护。如图2阴影部分所示，本发明在不影响计算机正常启动的前提下，通过软硬件结合的方式，增强了计算机启动流程的安全性。
附图说明
图1为现有基于UEFI的计算机启动流程图。
图2是本发明防护方法的原理框架图；
图3是本发明防护方法的流程图；
图4是本发明防护方法中USBKey的启动过程；
图5是本发明防护方法中动态口令身份认证的流程图；
图6是在动态口令身份认证过程中，用于生成动态口令值PWS2的客户端在手机上的运行界面图；
图7是在动态口令身份认证过程中，用于生成动态口令值PWS1的认证服务端在计算机上的运行界面图；
图8是本发明防护方法中EFI安全防护软件的模型设计图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明基于UEFI的计算机安全启动防护方法，是在计算机进入操作系统前，执行以下步骤：
S101：令UEFI在DXE阶段加载USBKey驱动程序；
S102：判断USBKey驱动程序是否加载成功，如果是，进入步骤S103，否则，进入步骤S111；
S103：在BDS阶段，引导管理器识别USBKey硬件，并启动USBKey设备；
S104：USBKey启动后，识别USBKey序列号；
S105：在TSL阶段，通过判断USBKey序列号是否合法实现第一次身份认证，如果是，进入步骤S106，否则，进入步骤S113；
S106：加载USBKey中的OSLoader文件至内存；
S107：调用USBKey中的动态口令认证服务端，服务端认证程序自动获取系统时间，生成动态口令值PSW1；
S108：显示服务端认证程序界面，提示用户输入动态口令客户端生成的动态口令值PSW2进行二次身份认证；
S109：比较动态口令值PSW1与PSW2是否匹配，如果是，进入步骤S110，否则，显示错误提示；
S110：调用EFI安全防护软件对ESP分区进行恶意代码扫描，确保ESP分区内的关键系统文件未被入侵，保证计算机的安全启动；
S111：判断是否在ESP分区发现恶意代码，如果否，则进入步骤S112，否则，输出恶意代码情况描述；
S112：加载操作系统；
S113：结束。
在上述步骤S109中，如果动态口令值PSW1与PSW2不匹配，除显示错误提示外，还执行以下步骤：
S1091：计算错误次数，并判断错误次数是否大于五次，如果是，进入步骤S113；否则，返回步骤S107，重新调用USBKey中的动态口令认证服务端生成PSW1，并提示用户重新输入动态口令客户端生成的动态口令值PSW2进行身份认证。
在上述步骤S111中，当在ESP分区扫描发现恶意代码时，除输出恶意代码情况描述外，执行以下步骤：
S1111：提示用户是否清除恶意代码，如果是，进入步骤S1112；否则，直接进入步骤S112；
S1112：清除恶意代码，并在清除完毕后进入步骤S112。
下面分别从USBKey技术、动态口令身份认证和EFI安全防护软件三方面针对本发明方法进行进一步描述。
一、USBKey技术的实现
在UEFI启动流程的DXE阶段中结合运用USBKey技术，将OSLoader文件加密存储在USBKey中，实现了对OSLoader文件的保护，如图4所示，再利用EFI启动项管理的功能调整EFI驱动的启动顺序，在DXE阶段加载USBKey驱动程序，通过ConnectController()服务及控制传输模式与该设备通信，实现身份认证及其它控制操作。
二、动态口令身份认证的实现
本发明防护方法中的动态口令认证服务端是一个在UDK环境上开发的EFI应用程序，存放在USBKey中，用于计算机启动时认证用户身份。与之相对应的动态口令客户端(以下简称客户端)是一个用于生成开机口令的手机App。
图5描述了计算机、客户端和服务端之间的协作认证流程。首先服务端认证程序获取系统时间，调用srand()函数将其设置为随机种子，再调用rand()函数生成6位随机数，这两个函数都位于C语言接口库的stdilib.h文件中。将该6位随机数作为动态因子，与预留私有密钥组成新的字符串，采用MD5散列算法，以新字符串为输入消息串生成6位动态口令值PSW1。与服务端类似，在客户端采用相同的方法生成6位动态口令值PSW2。在服务端中将PSW1与PSW2进行匹配，若匹配成功，则加载OSLoader文件；否则，输出错误提示。
用于生成动态口令值PWS2的客户端在手机上的运行界面如图6所示，在动态口令身份认证过程中，服务端提供的6位随机数存在两种可能的失效情况：一种是有效期60秒过后即失效；另外一种是用户输入的PSW2与服务端生成的PSW1匹配不成功。以上两种情况下服务端都会重新生成随机数。图7描述了用户输入错误口令后重新生成随机数的过程，在当前方案中，手机无需联网，也无需与计算机时间同步。
三、EFI安全防护软件的设计
本发明防护方法所用EFI安全防护软件是基于UEFI规范开发的PE32+的应用程序，其设计模型如图8所示。该软件存放在EFI系统分区中，在加载OSLoader文件前会调用EFI安防软件，EFI安防软件通过挂载安全防护引擎对系统分区和EFI系统分区进行扫描，确保操作系统未被感染，保证计算机的安全启动。

Claims (6)

1.一种基于UEFI的计算机安全启动防护方法，其特征在于：在计算机进入操作系统前，执行以下步骤：
S101：令UEFI在DXE阶段加载USBKey驱动程序；
S102：判断USBKey驱动程序是否加载成功，如果是，进入步骤S103，否则，进入步骤S111；
S103：在BDS阶段，引导管理器识别USBKey硬件，并启动USBKey设备；
S104：USBKey启动后，识别USBKey序列号；
S105：在TSL阶段，通过判断USBKey序列号是否合法实现第一次身份认证，如果是，进入步骤S106，否则，进入步骤S113；
S106：加载USBKey中的OSLoader文件至内存；
S107：调用USBKey中的动态口令认证服务端，服务端认证程序自动获取系统时间，生成动态口令值PSW1；
S108：显示服务端认证程序界面，提示用户输入动态口令客户端生成的动态口令值PSW2进行二次身份认证；
S109：比较动态口令值PSW1与PSW2是否匹配，如果是，进入步骤S110，否则，显示错误提示；
S110：调用EFI安全防护软件对ESP分区进行恶意代码扫描，确保ESP分区内的关键系统文件未被入侵，保证计算机的安全启动；
S111：判断是否在ESP分区发现恶意代码，如果否，则进入步骤S112，否则，输出恶意代码情况描述；
S112：加载操作系统；
S113：结束。
2.根据权利要求1所述的基于UEFI的计算机安全启动防护方法，其特征在于：在步骤S109中，如果动态口令值PSW1与PSW2不匹配，除显示错误提示外，还执行以下步骤：
S1091：计算错误次数，并判断错误次数是否大于五次，如果是，进入步骤S113；否则，返回步骤S107，重新调用USBKey中的动态口令认证服务端生成动态口令值PSW1，并提示用户重新输入动态口令客户端生成的动态口令值PSW2进行身份认证。
3.根据权利要求1所述的基于UEFI的计算机安全启动防护方法，其特征在于：在步骤S111中，当在ESP分区扫描发现恶意代码时，除输出恶意代码情况描述外，还执行以下步骤：
S1111：提示用户是否清除恶意代码，如果是，进入步骤S1112；否则，直接进入步骤S112；
S1112：清除恶意代码，并在清除完毕后进入步骤S112。
4.根据权利要求1所述的基于UEFI的计算机安全启动防护方法，其特征在于：在步骤S107中，所述动态口令认证服务端是一个在UDK环境上开发的EFI应用程序，存放在USBKey中，用于计算机启动时认证用户身份。
5.根据权利要求1所述的基于UEFI的计算机安全启动防护方法，其特征在于：在步骤S108中，所述动态口令客户端是一个用于生成开机口令的手机App。
6.根据权利要求1所述的基于UEFI的计算机安全启动防护方法，其特征在于：在步骤S110中，所述EFI安全防护软件是基于UEFI规范开发的PE32+的应用程序，该软件存放在EFI系统分区中。
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