基于嵌入式ARM平台的可信计算的实现

目前市场上的TPM芯片主要应用在PC终端上，但是随着嵌入式系统的不断发展，TPM在嵌入式系统上的应用也越来越广，程序员在编写可信计算应用程序的时候，其切入点应该是TSS，本文就TPM和TSS的概念、TSS在ARM平台上的移植、调用TSS的API编写应用程序以及如何与TPM进行交互做了详细的介绍，最终实现了在嵌入式ARM平台上的可信计算。
TPM芯片结构和TSS体系结构概述
可信计算的核心是TPM，它是一种安全加密芯片，提供了一种基于硬件的方法来管理用户权限、网络访问、数据保护等。TPM芯片用来存储数字密钥、认证和密码，有了TPM不管是虚拟的还是物理的攻击都将变得更加困难。如图1所示，TPM芯片主要由以下几部分组成：I/O组件、非易失性存储、身份密钥、程序代码、随机数产生器、Sha-1算法引擎、RSA密钥产生、RSA引擎、Opt-In选择组件、执行引擎。

图1 TPM芯片结构
TPM芯片里的资源是有限的，它仅仅对外提供了一些基本的功能接口。为了充分应用TPM的内部功能，需要在TPM外部套接一个可信计算软件栈TSS，TSS作为可信计算平台上TPM的支持软件，其规范定义了一种能够让访问TPM变得简单和直接的体系结构。本文构建的嵌入式平台为三星的ARM9TDMI-S3C2410处理器，TPM芯片为Atmel公司的AT97SC3204T。
由图2可知，TSS的运行模式分为两种：用户模式和内核模式。用户模式下，通常根据用户的要求来加载和执行用户应用程序和服务，有时候这些用户应用程序和服务也可以作为启动服务被载入。在内核模式下，通常运行设备驱动和操作系统的核心组件。

图2 TSS体系结构
TSS由三个逻辑组件构成：TCG设备驱动程序库（TCG Device Driver Library，TDDL）、TSS核心服务（TSS Core Services，TCS）、TCG服务提供者（TCG Service Provider，TSP）。
TDDL提供了一个与TPM设备驱动程序进行交互的API的库，用来打开和关闭TPM设备驱动程序（TPM Device Driver）、发送和接收数据块、查询设备驱动程序的属性、取消已经提交的TPM命令。TCS层主要用来管理TPM的资源，提供了一个TPM命令数据块产生器和一个全局的密钥存储设备。TSP层通过共享对象或动态链接库直接被应用程序调用。
TSS的工作流程如下：应用程序的命令参数通过接口TSPl发送到TSP，TSP通过处理后传送给TCS，TCS将接收到的请求转化为TPM能够识别的字节流，通过TDDL和TDD传给TPM，然后反向经TDDL、TDD、TCS、TSP传回应用程序。
TSS在ARM上的移植
本文所使用的宿主机操作系统为Fedora，交叉编译工具为arm-linux-gcc。
TSS在ARM上的移植分为3部分：交叉编译OpenSSL、交叉编译TSS、制作包含TSS的文件系统。在交叉编译TSS之前，先交叉编译安装OpenSSL，因为交叉编译TSS的时候需要用到其中的libcrypto库文件，其流程如图3所示：

图3 TSS在ARM上的移植过程
交叉编译OpenSSL
本文所使用的OpenSSL具体版本为1.0.0，在交叉编译之前需要进行如下操作：
（1）配置：在对OpenSSL1.0.0进行配置时需要指定其安装路径，在后面配置TSS时需要调用OpenSSL安装路径里的库文件，并且需要指定交叉编译工具，具体命令如下：
$/config--prefix=/usr/local/openssl os/compiler:arm-linux-gcc
其中--prefix=/usr/local/openssl指定安装的路径，
os/compiler:arm-linux-gcc指定编译器arm-linux-gcc；
（2）修改Makefile，里面对应的部分需要修改为:
CC=arm-linux-gcc
EX_LIBS=-ldl
AR=arm-linux-ar $(ARFLAGS) r
RANLIB=arm-linux-ranlib
交叉编译TSS
本文所使用的可信计算软件栈为trousers0.3.3.2，在交叉编译之前需要进行如下操作：

（1）执行bootstrap.sh脚本，具体命令如下：
[root@happy trousers-0.3.3.2]#sh bootstrap.sh
（2）对软件包进行配置，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指定目标平台为ARM，并使用交叉编译工具；--with-openssl=/usr/local/openssl指定OpenSSL所在的位置，交叉编译的时候需要用到其中的libcrypto库文件；--prefix=/usr/tss指定安装位置。
包含TSS的文件系统制作
文件系统在宿主机上的目录为~/rootfs，将交叉编译安装好的TSS（在宿主机上的位置为/usr/tss）拷贝到~/rootfs/usr下，将TSS安装后生成的库文件拷贝到~/rootfs的lib目录下。
然后使用文件系统制作工具mkcramfs1.0，将目录rootfs制作成镜像文件，通过串口工具minicom下载到ARM开发板。
如果TSS启动成功，则会出现如下提示：TCSD trousers 0.3.3.2:TCSD up and running。
注意事项
在制作文件系统时，~/rootfs/etc中需要添加关于TSS的group、passwd文件，hosts里面应该包含localhost。否则，制作成文件系统烧写进开发板之后，当输入#./usr/tss/sbin/tcsd-f启动TSS时，会报错。
将不希望用户修改的文件都放在只读的cramfs分区下，修改初始化脚本liunxrc，将TSS所在的目录挂载为yaffs格式。另外下文中将要用到的/tmp目录也要挂载为yaffs格式，保证可读可写。
应用程序编写
在完成了TSS在ARM平台的移植之后，可以使用TSS所提供的API编写应用程序与TPM进行交互。下面主要介绍一下获取属主身份、创建密钥、对文件进行加密和解密。
属主身份获取
首次使用TPM时，需要先获取属主身份，主要用到函数Tspi_TPM_TakeOwnership()，示例代码如下：
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;
如果获取成功则返回值为0，如图4所示：

图4 属主身份获取
密钥创建
对文件进行加密时需要使用密钥，这可以使用函数Tspi_Key_CreateKey()来创建，示例代码如下：
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! ");
创建密钥之前/tmp目录下的文件只有dir，创建成功后会打印信息，并生成密钥文件UserKeyBlob.cer，如图5所示：

图5 密钥创建
文件加密
加密操作主要使用函数Tspi_Data_Bind()，示例代码如下：
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;
}
交叉编译后生成命令encryptFile。如果要加密的文件为/tmp/dir/test，前面创建的密钥所在的目录为/tmp，则编译后执行命令时的格式为encryptFile -e /tmp/dir /tmp。
加密之前，/tmp/dir目录下只有test一个文件，使用cat命令查看该文件的内容为：Hello，world！执行加密命令之后，使用cat命令再次查看该文件的内容，看到的是乱码，而不是原始内容，可见加密成功。加密后在test文件所在的目录下会生成一个FileKey.cer文件。如图6所示：

图6 文件加密
文件解密

解密操作使用函数Tspi_Data_Unbind()，示例代码如下：
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个命令，但后缀参数不同，格式为encryptFile –d /tmp/dir /tmp。执行解密操作后，使用cat命令查看加密的文件test，则可以看到原始的内容，说明解密成功。此时，test文件所在的目录下加密时生成的FileKey.cer文件消失。如图7所示：

图7 文件解密
除了上面的几个示例之外，还可以调用TSS的API编写各种应用程序对TPM进行操作。总之，只要给定了TPM芯片，掌握了TPM的基本知识和TSS的API，就可以写出可信计算的应用程序。
结束语
传统的可信计算一般是基于PC平台的，本文通过可信计算软件栈TSS在ARM平台上的实现，调用TSS的API编写应用程序与TPM进行交互，对于实现可信计算在嵌入式ARM平台上的应用提供了重要的桥梁和支持。