CN106951785A - 一种java虚拟机及其中的信任链延伸方法 - Google Patents

一种java虚拟机及其中的信任链延伸方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种JAVA虚拟机及其中的信任链延伸方法，方法包括步骤：在可信JVM中构建可信根应用，并在可信JVM中添加JVM度量模块，TPM芯片对BIOS、操作系统加载器、可信操作系统进行可信认证；可信操作系统接收并处理Java应用请求时，集成了可信根应用的JVM对Java应用作完整性检测，检测合格后继续处理Java应用。本申请通过创建运行在JVM内部的可信根应用，使得信任链能够从TPM芯片延伸到JVM内部，能在JVM内部对Java应用的完整性进行检测，从而能够有效保障Java应用可信。

Description

一种JAVA虚拟机及其中的信任链延伸方法
技术领域
本发明涉及一种信任链延伸方法，能将传统信任链从可信硬件延伸到Java应用，从而提高Java应用安全性。
背景技术
随着计算机和互联网技术的飞速发展，人类已经进入了“信息时代”。信息系统越来越广泛的应用于政治、经济、教育和军事领域中。然而，系统缺陷、策略漏洞、恶意攻击等问题一直严重威胁着信息系统的安全性。如何有效抵御多种安全威胁，提升信息系统可靠性一直是信息安全领域广泛关注的热点问题。
Java技术利用Java虚拟机(Java Virtual Machine，JVM)实现了平台无关、前端设计语言无关程序设计。这一特性能够有效地为遗留系统的改造接入、异构系统的互连互通提供支持，使得Java技术广泛地应用于各种信息系统构建。IBM、Oracle等知名企业均广泛采用Java技术作为其企业级业务系统构建的核心技术。Google在其云计算服务中部署定制的JVM，为各种采用Python、Java等语言实现的应用提供统一的执行环境。知名手机操作系统Android的核心部分也是基于JVM技术规范实现的Dalvik虚拟机，其应用开发也是采用Java语言。目前，越来越多的软件系统开始直接面向JVM开发，JVM和基于JVM技术规范实现的语言级虚拟机已经成为各种应用运行的基础性平台。因此，从JVM层次提供有效的信任与安全保障机制具有非常重要的意义。
针对信息安全问题，可信计算组织(Trusted Computing Group，TCG)提出了一种可信计算机系统的构建方法。该方法的基本思想是：首先通过构建信任根，信任根即TCG提出的可信平台模块TPM(Trusted Platform Module，TPM)，也就是一种安全芯片。以TPM芯片作为信任的基点，建立一条从信任根到硬件平台、到操作系统、再到应用程序的信任链。在TPM芯片中存储有BIOS度量值，用来认证BIOS的完整性；BIOS中存储有操作系统加载器(OSLoader)度量值，用来认证OSLoader的完整性；OSLoaer中存储有可信操作系统度量值，用来认证可信操作系统的完整性。这样就可以一级度量认证一级(这里度量指的是用张焕国所著《可信计算》(武汉大学出版社)一书中第26页的度量方法，即采用哈希函数来检测数据完整性是否遭受破坏，哈希函数运算得到的结果即为度量值)，一级信任一级，最终把这种信任扩展到整个计算机系统，从而确保整个系统的可信。为了便于使用TPM的安全功能，可信计算组织TCG提出了可信软件栈(TCG Software Stack，TSS)的概念。TSS作为可信平台的核心软件，是应用程序与TPM进行交互的接口。采用可信计算技术在理论上能够保证应用程序的完整性。但是对于Java应用而言，直接为每一个程序建立信任链仍然存在一些安全性和可用性问题：第一，Java应用以Java字节码的形式存在，在执行时由JVM实时翻译执行，不与操作系统直接关联。通常可信操作系统只度量直接相关的应用，例如JVM，而不会单独度量每一个Java程序；第二，JVM中的系统类一般会被多个Java程序调用，如果直接度量Java应用，就会重复度量系统类，产生额外开销；第三，JVM和Java应用的完整性易遭受破坏。因此，现有信任链建立方法难以有效保障Java应用的可信性，需要将信任链延伸到Java应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种JAVA虚拟机及其中的信任链延伸方法，以解决在JAVA虚拟机上运行的Java应用可信性没有保证、Java程序信任保障中存在的度量边界不清、度量开销大的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种JAVA虚拟机中的信任链延伸方法，包括步骤：
A、在可信JVM中构建可信根应用，并在可信JVM中添加JVM度量模块，得到集成了可信根应用的JVM；
B、TPM芯片对BIOS、操作系统加载器、可信操作系统进行可信认证；
C、可信操作系统接收并处理Java应用请求；
D、集成了可信根应用的JVM对Java应用作完整性检测：
D1、JVM度量模块对请求的Java应用二进制数据进行SHA1运算，得到运算结果Q，发送给Java应用可信认证模块；
D2、TSS访问驱动模块对第j个键值对进行读取，得到静态Java应用度量值的键值对<Sj，Nj>，发送给Java应用可信认证模块；Sj为第j个Java应用的名称，Nj为第j个Java应用的度量值；
D3、Java应用可信认证模块对Q和Nj进行对比：若相等，加载Java应用并执行。
优选的，在步骤C之前还包括：
C1、可信操作系统对集成了可信根应用的JVM二进制数据作SHA1运算，将SHA1运算得到的结果m1存放到所述TPM芯片中；
C2、可信操作系统对集成了可信根应用的JVM二进制数据重新进行SHA1运算得到结果m2；
若m1与m2相等，继续处理Java应用。
优选的，所述可信根应用采用Java语言编写。
优选的，包括由可信根应用服务接口、JAVA应用可信认证模块、JVM交互接口、TSS访问驱动模块、JVM度量模块组成的可信根应用；
其中，所述JAVA应用可信认证模块、TSS访问驱动模块均与所述可信根应用服务接口连接；所述JVM交互接口与所述JAVA应用可信认证模块连接；所述JVM度量模块与所述JVM交互接口连接；
所述JAVA应用可信认证模块从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中静态Java应用度量值，同时从JVM交互接口得到实时Java应用度量值，对两者进行对比后将对比结果发送给可信根应用服务接口；
所述可信根应用服务接口是可信根应用的外部访问接口；可信根应用服务接口从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中的Java应用度量值，并从Java应用可信认证模块获取Java应用可信认证结果，再将两者发送给可信操作系统；
所述JVM交互接口是可信根应用和JVM度量模块之间的交互接口，从JVM度量模块获取实时Java应用度量值，将结果送给Java应用可信认证模块，从而控制JVM是否进一步加载执行该应用；
所述TSS访问驱动模块从TSS中获取TPM芯片中的静态Java应用度量值，发送给Java应用可信认证模块和可信根应用服务接口；
所述JVM度量模块对请求的Java应用二进制数据进行SHA1运算，得到运算结果Q，发送给Java应用可信认证模块。
优选的，所述TSS访问驱动模块通过TSS与TPM芯片连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明构建一个“可信根应用”，并将此可信根应用集成到JVM中。TPM芯片对BIOS(Basic Input Output System)、操作系统加载器(OSLoader)、可信操作系统进行可信认证，构成可信环境。TPM芯片首先度量集成了可信根应用的JVM，并将度量值存入TPM芯片中，之后通过集成了可信根应用的JVM对可信操作系统中所有Java程序进行度量，并将度量值存入TPM芯片中，为后面Java应用运行时判定Java应用完整性作参考。当有Java应用请求后，首先对集成了可信根应用的JVM完整性进行检测，然后对请求的Java应用作完整性检测。通过上述方法可以实现在Java应用加载时对其他Java应用进行度量和认证，保证在JVM中的Java应用的可信性，使得信任链能够从可信JVM延伸到Java应用。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的流程图；
图2是本发明优选实施例的构建的JAVA虚拟机模块示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
参见图1、图2，本发明JAVA虚拟机信任链延伸方法包括步骤：
第一步，构建一个可信根应用和JVM度量模块，得到集成了可信根应用的JVM：
1.1在可信JVM中构建可信根应用，可信根应用是一个采用Java语言编写的可信服务应用程序。可信根应用采用Java语言编写。可信根应用由可信软件栈TSS(TCG SoftwareStack)访问驱动模块、JVM交互接口、Java应用可信认证模块和可信根应用服务接口组成。
TSS访问驱动模块与TSS相连，TSS访问驱动模块通过TSS获取TPM芯片中的静态Java应用度量值，将静态Java应用度量值送给Java应用可信认证模块和可信根应用服务接口；JVM交互接口是可信根应用和JVM度量模块之间的交互接口。JVM交互接口与JVM度量模块相连，从JVM度量模块获取实时Java应用的度量值，将实时Java应用的度量值送给Java应用可信认证模块，从而控制JVM是否进一步加载执行该应用；Java应用可信认证模块与TSS访问驱动模块、JVM交互接口、可信根应用服务接口相连。Java应用可信认证模块从TSS访问驱动模块获取静态Java应用度量值，同时从JVM交互接口得到实时Java应用度量值，Java应用可信认证模块通过对静态Java应用度量值和实时Java应用度量值进行对比后将对比结果(即Java应用可信认证结果)送给可信根应用服务接口；可信根应用服务接口是可信根应用的外部访问接口，该模块与Java应用可信认证模块和TSS访问驱动模块相连。可信根应用服务接口从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中的静态Java应用度量值，并从Java应用可信认证模块获取Java应用可信认证结果，可信根应用服务接口将TPM芯片中的静态Java应用度量值和Java应用可信认证结果送给可信操作系统。
1.2修改JVM，在JVM中添加JVM度量模块，得到集成了可信根应用的JVM，方法是：JVM度量模块与JVM类加载器和JVM交互接口相连，JVM度量模块实时地从JVM类加载器中获取加载的Java应用二进制字节流，JVM度量模块对加载的Java应用二进制字节流进行SHA1值计算得到Java应用二进制字节流的度量值，并将Java应用二进制字节流的度量值送给JVM交互接口。
第二步，TPM芯片对BIOS(Basic Input Output System)、操作系统加载器(OSLoader)、可信操作系统进行可信认证进行度量：
2.1 TPM芯片读取BIOS的二进制数据；
2.2 TPM芯片将BIOS的二进制数据作为哈希函数SHA1的输入参数，得到160位的函数输出值，与TPM芯片中存储的BIOS度量值作比较，若不相等则加载失败，提示“错误”，，转2.1步，若相等则执行2.3；
2.3 TPM芯片将操作系统加载器(OSLoader)二进制数据作为哈希函数SHA1的输入参数，得到160位的函数输出值，与BIOS中存储的OSLoader度量值作比较，若不相等则加载失败，提示“错误”，转2.1步，若相等则执行2.4步；
2.4 TPM芯片将可信操作系统二进制数据作为哈希函数SHA1的输入参数，得到160位的函数输出值，与OSLoader中存储的可信操作系统度量值作比较，若不相等则加载失败，提示“错误”，转2.1步，若相等则执行第三步；
第三步，可信操作系统对集成了可信根应用的JVM二进制数据作SHA1运算，将SHA1运算得到的结果m1存放到TPM芯片中；
第四步，可信根应用对需要在JVM中运行的其他所有Java应用作度量并存储，将信任链延伸到Java应用：
4.1 Java应用可信认证模块通过可信操作系统获取所有其他Java应用，若其他Java应用有M个，则形成一个长度为M的队列，队列中的元素为除可信根应用以外的其他Java应用；
4.2令i＝1；
4.3取出队列中第i个Java应用的二进制数据作SHA1运算得到运算结果即静态Java应用度量值Ni；
4.4将内容为<Java应用名称，Ni>的键值对通过TSS访问驱动模块存储到TPM芯片中；
4.5判定i是否小于M，若i小于M，表示还有Java应用未处理，令i＝i+1，转4.3，若i大于或等于M则执行第五步；
第五步，可信操作系统接收并处理Java应用请求，保证执行Java应用可信：
5.1可信操作系统接收某个Java应用运行请求，开始启动执行Java应用环境；
5.2可信操作系统对集成了可信根应用的JVM作完整性检测：
5.2.1可信操作系统重新读取集成了可信根应用的JVM二进制数据；
5.2.2可信操作系统对集成了可信根应用的JVM二进制数据进行SHA1运算得到结果m2；
5.2.3可信操作系统读取TPM芯片中预先存放的m1；
5.2.3可信操作系统对m1和m2进行比对，若m1与m2不相等，表明集成了可信根应用的JVM遭受了篡改，则终止加载集成了可信根应用的JVM，并向可信操作系统报告“JVM不完整”的错误，转5.1步；若m1与m2相等，表明集成了可信根应用的JVM未遭受篡改，则加载运行集成了可信根应用的JVM，执行5.3步；
5.3集成了可信根应用的JVM对Java应用作完整性检测：
5.3.1 JVM度量模块读取请求的Java应用二进制数据和Java应用名称S；
5.3.2 JVM度量模块对请求的Java应用二进制数据进行SHA1运算，得到运算结果Q(即实时Java应用度量值)，将Q送给Java应用可信认证模块；
5.3.3 TSS访问驱动模块读取TPM芯片中存储的静态Java应用度量值的键值对<Java应用名称，静态Java应用度量值>；
5.3.4令j＝1；
5.3.5 TSS访问驱动模块对第j个键值对进行读取，得到<Sj，Nj>；Sj为第j个Java应用的名称，Nj为第j个Java应用的度量值，将静态Java应用度量值的键值对送给Java应用可信认证模块；
5.3.6 Java应用可信认证模块对S和Sj进行对比，若两者相同，则表示找到了对应的Java应用，转5.3.8，若不相同表示未匹配到Java应用，则执行5.3.7，
5.3.7判定j是否小于M，若j小于M，表示还有<Java应用名称，Java应用度量值>键值对未处理，令j＝j+1，转5.3.5，若j大于或等于M则执行5.3.8，由于开始登记了所有Java应用便不存在查找Java应用失败的情况，可以根据j得到要执行的Java应用的度量值Nj；
5.3.8 Java应用可信认证模块对Q和Nj进行对比。若不相等，表明请求的Java应用遭受篡改，终止请求的Java应用，向可信操作系统报告“Java应用不完整”的错误，转5.1步；若相等，表明请求的Java应用未遭受篡改，加载Java应用并执行，从而保证Java应用可信，
执行结束后也转5.1步，可信操作系统一直处于等待、接收、处理Java应用的循环中。
这样，在TPM芯片和可信操作系统的支持下，通过创建运行在JVM内部的可信根应用，使得信任链能够从TPM芯片延伸到JVM内部，能在JVM内部对Java应用的完整性进行检测，从而能够有效保障Java应用可信。
根据上述的一种JAVA虚拟机，包括由可信根应用服务接口、JAVA应用可信认证模块、JVM交互接口、TSS访问驱动模块、JVM度量模块组成的可信根应用；
其中，所述JAVA应用可信认证模块、TSS访问驱动模块均与所述可信根应用服务接口连接；所述JVM交互接口与所述JAVA应用可信认证模块连接；所述JVM度量模块与所述JVM交互接口连接；
所述JAVA应用可信认证模块从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中静态Java应用度量值，同时从JVM交互接口得到实时Java应用度量值，对两者进行对比后将对比结果发送给可信根应用服务接口；
所述可信根应用服务接口是可信根应用的外部访问接口；可信根应用服务接口从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中的Java应用度量值，并从Java应用可信认证模块获取Java应用可信认证结果，再将两者发送给可信操作系统；
所述JVM交互接口是可信根应用和JVM度量模块之间的交互接口，从JVM度量模块获取实时Java应用度量值，将结果送给Java应用可信认证模块，从而控制JVM是否进一步加载执行该应用；
所述TSS访问驱动模块从TSS中获取TPM芯片中的静态Java应用度量值，发送给Java应用可信认证模块和可信根应用服务接口；
所述JVM度量模块对请求的Java应用二进制数据进行SHA1运算，得到运算结果Q，发送给Java应用可信认证模块。
所述TSS访问驱动模块通过TSS与TPM芯片连接。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种JAVA虚拟机中的信任链延伸方法，其特征在于，包括步骤：
A、在可信JVM中构建可信根应用，并在可信JVM中添加JVM度量模块，得到集成了可信根应用的JVM；
B、TPM芯片对BIOS、操作系统加载器、可信操作系统进行可信认证；
C、可信操作系统接收并处理Java应用请求；
D、集成了可信根应用的JVM对Java应用作完整性检测：
D1、JVM度量模块对请求的Java应用二进制数据进行SHA1运算，得到运算结果Q，发送给Java应用可信认证模块；
D2、TSS访问驱动模块对第j个键值对进行读取，得到静态Java应用度量值的键值对<Sj，Nj>，发送给Java应用可信认证模块；Sj为第j个Java应用的名称，Nj为第j个Java应用的度量值；
D3、Java应用可信认证模块对Q和Nj进行对比：若相等，加载Java应用并执行。
2.根据权利要求1所述的信任链延伸方法，其特征在于，在步骤C之前还包括：
C1、可信操作系统对集成了可信根应用的JVM二进制数据作SHA1运算，将SHA1运算得到的结果m1存放到所述TPM芯片中；
C2、可信操作系统对集成了可信根应用的JVM二进制数据重新进行SHA1运算得到结果m2；
若m1与m2相等，继续处理Java应用。
3.根据权利要求1所述的信任链延伸方法，其特征在于，所述可信根应用采用Java语言编写。
4.根据权利要求1-3所述的一种JAVA虚拟机，其特征在于，包括由可信根应用服务接口、JAVA应用可信认证模块、JVM交互接口、TSS访问驱动模块、JVM度量模块组成的可信根应用；
其中，所述JAVA应用可信认证模块、TSS访问驱动模块均与所述可信根应用服务接口连接；所述JVM交互接口与所述JAVA应用可信认证模块连接；所述JVM度量模块与所述JVM交互接口连接；
所述JAVA应用可信认证模块从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中静态Java应用度量值，同时从JVM交互接口得到实时Java应用度量值，对两者进行对比后将对比结果发送给可信根应用服务接口；
所述可信根应用服务接口是可信根应用的外部访问接口；可信根应用服务接口从TSS访问驱动模块获取TPM芯片中的Java应用度量值，并从Java应用可信认证模块获取Java应用可信认证结果，再将两者发送给可信操作系统；
所述JVM交互接口是可信根应用和JVM度量模块之间的交互接口，从JVM度量模块获取实时Java应用度量值，将结果送给Java应用可信认证模块，从而控制JVM是否进一步加载执行该应用；
所述TSS访问驱动模块从TSS中获取TPM芯片中的静态Java应用度量值，发送给Java应用可信认证模块和可信根应用服务接口；
所述JVM度量模块对请求的Java应用二进制数据进行SHA1运算，得到运算结果Q，发送给Java应用可信认证模块。
5.根据权利要求4所述的JAVA虚拟机，其特征在于，所述TSS访问驱动模块通过TSS与TPM芯片连接。
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