CN106250760A - 一种基于TPM2．0芯片的U‑Boot可信启动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TPM2．0芯片的U‑Boot可信启动方法，所述方法利用TPM2．0芯片的硬件特性，收集U‑Boot加载驱动程序的完整性信息，并在内核加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，为可信嵌入式设备的内核文件及驱动程序完整性校验过程提供保护和隔离，嵌入式系统在启动过程中将核心驱动文件的度量值扩展至TPM2．0芯片中的PCR中，在嵌入式设备内核加载时刻，校验驱动程序及内核文件的完整性，保证只有在驱动程序及内核文件未遭受篡改的情况下才可正常启动系统。本发明利用TPM2．0芯片的增强型授权特性，在系统内核文件加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，保证操作系统驱动程序及内核文件的完整性。

Description

一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法
技术领域
本发明涉及信息安全、嵌入式物联网技术领域，具体涉及一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法。
背景技术
嵌入式设备作为物联网的终端设备已渗透到了生活的各个角落，从智能家居到可穿戴设备。随着嵌入式设备的普及，嵌入式设备的安全性问题引起了越来越多的关注。驱动程序在系统内核运行前加载，具备最高的运行级别，如果其完整性遭受了破坏，恶意程序将获取最高的运行级别规避杀毒软件等防御手段的查杀。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：本发明针对以上问题，提供一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，利用TPM2．0芯片的增强型授权特性，在系统内核文件加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，保证操作系统驱动程序及内核文件的完整性。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，所述方法利用TPM2．0芯片的硬件特性，收集U-Boot加载驱动程序的完整性信息，并在内核加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，为可信嵌入式设备的内核文件及驱动程序完整性校验过程提供保护和隔离，保证校验过程不受外界的监听及篡改，保证系统驱动程序及内核文件的安全可信；嵌入式系统在启动过程中将核心驱动文件的度量值（即驱动程序代码或配置文件的哈希值）扩展至TPM2．0芯片中的PCR（Platform Configuration Register，平台配置寄存器）中，在嵌入式设备内核加载时刻，校验驱动程序及内核文件的完整性，保证只有在驱动程序及内核文件未遭受篡改的情况下才可正常启动系统。
TPM2．0芯片内置了密码学功能，同时其硬件特性可以有效防止外界监听其内部的处理过程。
所述可信嵌入式设备为安装了TPM2．0芯片的嵌入式设备，搭配可信引导程序（即可信U-Boot）完成对驱动程序的度量和扩展以及对内核文件的完整性校验。
根据TCG规范，计算机在启动过程中，每一级将控制权交给下一级前需计算下一级的度量值，并将该值扩展至对应的PCR中，比如，BootLoader将控制权交给系统内核前需计算内核的度量值，并将其扩展至PCR14中。
所述可信U-Boot为加入了TPM2．0指令支持及度量功能、度量值扩展功能以及完整性校验功能的U-Boot，在加载驱动程序、内核文件功能中调用度量功能及度量值扩展功能将关键文件的完整性信息保存到PCR中，在内核启动前使用完整性校验功能，保证驱动程序及内核文件的完整性。
U-Boot支持TPM1．2芯片，因此可以直接复用该模块完成与TPM2．0芯片的通信。但U-Boot并不支持TPM2．0指令，因此需加入TPM2．0指令，同时，提供度量功能、度量值扩展功能以及完整性校验功能。
所述TPM2．0芯片中加入了增强型授权功能，对于TPM2．0中的对象（如TPM2．0创建的密钥、NV空间等），能够使用多种授权策略，其中包括使用当前PCR的值作为授权值。
所述方法通过获取嵌入式设备的初始状态的PCR值作为校验的基准值，创建TPM密钥，并用该基准值作为密钥的授权值，使用该密钥加密内核文件，每次启动，使用当前PCR值授权密钥解密内核文件。如果驱动程序遭受篡改，则授权值与基准值不一致，无法使用密钥；如果内核文件被篡改，解密出的内容错乱，无法正常加载，这两种情况都无法启动系统，从而达到了隔离不可信嵌入式设备的目的。
由于U-Boot并不支持TPM2．0指令，所述U-Boot中封装必备的指令，包括TPM2_PCR_Extend、TPM2_PolicyPCR、TPM2_StartAuthSession、TPM2_Load、TPM2_EncryptDecrypt命令，其中驱动程序的度量值计算由软件算法实现，调用TPM2_PCR_Extend将计算出的度量值扩展至指定PCR；TPM2_StartAuthSession和TPM2_PolicyPCR用以获取本次启动过程中的PCR值并将其作为密钥的授权值；TPM2_Load和TPM2_EncryptDecrypt用以加载密钥，并使用授权值授权解密指定内容。
所述方法实现步骤如下：
可信嵌入式设备默认以初始化状态或设定的某一状态为可信基准点；
可信嵌入式设备每次启动时，可信U-Boot负责收集驱动程序的完整性信息至TPM2．0芯片的PCR中；
系统上层创建TPM密钥，并使用PCR值作为其授权值，使用该密钥加密系统的内核文件，加密后内核文件无法正常加载运行；
系统每次重启后，可信U-Boot在加载内核之前要执行解密过程恢复出内核文件，如果驱动程序未遭受篡改，则PCR值能够用于授权密钥的使用，否则，密钥无法被授权使用；
如果内核文件未遭受篡改，则可以使用密钥恢复出内核文件；
只有在驱动程序和内核文件都未遭受篡改的情况下，系统才可正常启动。
本发明的有益效果为：
本发明利用TPM2．0芯片的增强型授权特性，在系统内核文件加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，保证操作系统驱动程序及内核文件的完整性。
附图说明
图1为系统上层部署流程图；
图2为U-Boot启动流程图。
具体实施方式
下面结合附图，根据具体实施方式对本发明进一步说明：
实施例1：
一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，所述方法利用TPM2．0芯片的硬件特性，收集U-Boot加载驱动程序的完整性信息，并在内核加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，为可信嵌入式设备的内核文件及驱动程序完整性校验过程提供保护和隔离，保证校验过程不受外界的监听及篡改，保证系统驱动程序及内核文件的安全可信；嵌入式系统在启动过程中将核心驱动文件的度量值（即驱动程序代码或配置文件的哈希值）扩展至TPM2．0芯片中的PCR（Platform Configuration Register，平台配置寄存器）中，在嵌入式设备内核加载时刻，校验驱动程序及内核文件的完整性，保证只有在驱动程序及内核文件未遭受篡改的情况下才可正常启动系统。
TPM2．0芯片内置了密码学功能，同时其硬件特性可以有效防止外界监听其内部的处理过程。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例所述可信嵌入式设备为安装了TPM2．0芯片的嵌入式设备，搭配可信引导程序（即可信U-Boot）完成对驱动程序的度量和扩展以及对内核文件的完整性校验。
根据TCG规范，计算机在启动过程中，每一级将控制权交给下一级前需计算下一级的度量值，并将该值扩展至对应的PCR中，比如，BootLoader将控制权交给系统内核前需计算内核的度量值，并将其扩展至PCR14中。
实施例3
在实施例2的基础上，本实施例所述可信U-Boot为加入了TPM2．0指令支持及度量功能、度量值扩展功能以及完整性校验功能的U-Boot，在加载驱动程序、内核文件功能中调用度量功能及度量值扩展功能将关键文件的完整性信息保存到PCR中，在内核启动前使用完整性校验功能，保证驱动程序及内核文件的完整性。
U-Boot支持TPM1．2芯片，因此可以直接复用该模块完成与TPM2．0芯片的通信。但U-Boot并不支持TPM2．0指令，因此需加入TPM2．0指令，同时，提供度量功能、度量值扩展功能以及完整性校验功能。
实施例4
在任一实施例1、2或3的基础上，本实施例所述TPM2．0芯片中加入了增强型授权功能，对于TPM2．0中的对象（如TPM2．0创建的密钥、NV空间等），能够使用多种授权策略，其中包括使用当前PCR的值作为授权值。
实施例5
在实施例4的基础上，本实施例所述方法通过获取嵌入式设备的初始状态的PCR值作为校验的基准值，创建TPM密钥，并用该基准值作为密钥的授权值，使用该密钥加密内核文件，每次启动，使用当前PCR值授权密钥解密内核文件。如果驱动程序遭受篡改，则授权值与基准值不一致，无法使用密钥；如果内核文件被篡改，解密出的内容错乱，无法正常加载，这两种情况都无法启动系统，从而达到了隔离不可信嵌入式设备的目的。
实施例6
在实施例5的基础上，本实施例由于U-Boot并不支持TPM2．0指令，所述U-Boot中封装必备的指令，包括TPM2_PCR_Extend、TPM2_PolicyPCR、TPM2_StartAuthSession、TPM2_Load、TPM2_EncryptDecrypt命令，其中驱动程序的度量值计算由软件算法实现，调用TPM2_PCR_Extend将计算出的度量值扩展至指定PCR；TPM2_StartAuthSession和TPM2_PolicyPCR用以获取本次启动过程中的PCR值并将其作为密钥的授权值；TPM2_Load和TPM2_EncryptDecrypt用以加载密钥，并使用授权值授权解密指定内容。
实施例7
在实施例6的基础上，本实施例所述方法实现步骤如下：
可信嵌入式设备默认以初始化状态或设定的某一状态为可信基准点；
可信嵌入式设备每次启动时，可信U-Boot负责收集驱动程序的完整性信息至TPM2．0芯片的PCR中；
系统上层创建TPM密钥，并使用PCR值作为其授权值，使用该密钥加密系统的内核文件，如图1所示，加密后内核文件无法正常加载运行；
系统每次重启后，可信U-Boot在加载内核之前要执行解密过程恢复出内核文件，如果驱动程序未遭受篡改，则PCR值能够用于授权密钥的使用，否则，密钥无法被授权使用；
如果内核文件未遭受篡改，则可以使用密钥恢复出内核文件；
只有在驱动程序和内核文件都未遭受篡改的情况下，系统才可正常启动，如图2所示。
实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述方法利用TPM2．0芯片的硬件特性，收集U-Boot加载驱动程序的完整性信息，并在内核加载运行前校验驱动程序及内核文件的完整性，为可信嵌入式设备的内核文件及驱动程序完整性校验过程提供保护和隔离，嵌入式系统在启动过程中将核心驱动文件的度量值扩展至TPM2．0芯片中的PCR中，在嵌入式设备内核加载时刻，校验驱动程序及内核文件的完整性，保证只有在驱动程序及内核文件未遭受篡改的情况下才可正常启动系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述可信嵌入式设备为安装了TPM2．0芯片的嵌入式设备，可信U-Boot完成对驱动程序的度量和扩展以及对内核文件的完整性校验。
3.根据权利要求2所述的一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述可信U-Boot为加入了TPM2．0指令支持及度量功能、度量值扩展功能以及完整性校验功能的U-Boot，在加载驱动程序、内核文件功能中调用度量功能及度量值扩展功能将关键文件的完整性信息保存到PCR中，在内核启动前使用完整性校验功能，保证驱动程序及内核文件的完整性。
4.根据权利要求1、2或3任一所述的一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述TPM2．0芯片中加入了增强型授权功能，对于TPM2．0中的对象，能够使用多种授权策略，其中包括使用当前PCR的值作为授权值。
5.根据权利要求4所述的一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述方法通过获取嵌入式设备的初始状态的PCR值作为校验的基准值，创建TPM密钥，并用该基准值作为密钥的授权值，使用该密钥加密内核文件，每次启动，使用当前PCR值授权密钥解密内核文件；如果驱动程序遭受篡改，则授权值与基准值不一致，无法使用密钥；如果内核文件被篡改，解密出的内容错乱，无法正常加载，这两种情况都无法启动系统，从而达到了隔离不可信嵌入式设备的目的。
6.根据权利要求5所述的一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述U-Boot中封装必备的指令，包括TPM2_PCR_Extend、TPM2_PolicyPCR、TPM2_StartAuthSession、TPM2_Load、TPM2_EncryptDecrypt命令，其中驱动程序的度量值计算由软件算法实现，调用TPM2_PCR_Extend将计算出的度量值扩展至指定PCR；TPM2_StartAuthSession和TPM2_PolicyPCR用以获取本次启动过程中的PCR值并将其作为密钥的授权值；TPM2_Load和TPM2_EncryptDecrypt用以加载密钥，并使用授权值授权解密指定内容。
7.根据权利要求6所述的一种基于TPM2．0芯片的U-Boot可信启动方法，其特征在于，所述方法实现步骤如下：
可信嵌入式设备默认以初始化状态或设定的某一状态为可信基准点；
可信嵌入式设备每次启动时，可信U-Boot负责收集驱动程序的完整性信息至TPM2．0芯片的PCR中；
系统上层创建TPM密钥，并使用PCR值作为其授权值，使用该密钥加密系统的内核文件，加密后内核文件无法正常加载运行；
系统每次重启后，可信U-Boot在加载内核之前要执行解密过程恢复出内核文件，如果驱动程序未遭受篡改，则PCR值能够用于授权密钥的使用，否则，密钥无法被授权使用；
如果内核文件未遭受篡改，则可以使用密钥恢复出内核文件；
只有在驱动程序和内核文件都未遭受篡改的情况下，系统才可正常启动。
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