1 技術(shù)背景
　　當(dāng)前，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在人們的日常生活中。計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)過程是首先運(yùn)行BIOS（Basic Input Output System）^[1]，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和配置，然后裝載操作系統(tǒng)并運(yùn)行部分底層固件^[2]。計(jì)算機(jī)中的BIOS通常存儲(chǔ)在閃存(Flash)這種非易失性存儲(chǔ)器中^[3]，而BIOS常常是被病毒、黑客攻擊的對(duì)象。其攻擊方式是通過執(zhí)行代碼修改BIOS，從而造成BIOS或操作系統(tǒng)被破壞。由于BIOS是先于操作系統(tǒng)和病毒檢測(cè)軟件運(yùn)行的，因此通過軟件方式清除、檢查BIOS中的病毒十分困難。所以本文通過使用TPM（Trusted Platform Module）安全芯片，對(duì)計(jì)算機(jī)主板進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)安全" title="計(jì)算機(jī)安全">計(jì)算機(jī)安全啟動(dòng)系統(tǒng)。
1.1 TPM芯片的設(shè)計(jì)
　　安全芯片是安全PC的基礎(chǔ)。由Compaq、HP、IBM、Intel、Microsoft五家公司成立的TCPA（Trusted Computing Platform Alliance)聯(lián)盟(于2003年4月改名為TCG，Trusted Computing Group）注重PC的安全特性，提出了以硬件安全作為保證計(jì)算機(jī)安全的思想，TPM芯片就是基于此種想法設(shè)計(jì)的安全芯片。
　　為了有效地保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的BIOS、操作系統(tǒng)以及其他底層固件的安全，有必要在系統(tǒng)啟動(dòng)BIOS之前，對(duì)BIOS進(jìn)行驗(yàn)證。只有確認(rèn)BIOS沒有被修改的情況下，系統(tǒng)才啟動(dòng)BIOS。啟動(dòng)BIOS之后，可以進(jìn)一步驗(yàn)證操作系統(tǒng)和其他底層固件。當(dāng)所有的驗(yàn)證都通過時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)才可以正常運(yùn)行。由于BIOS先于操作系統(tǒng)和其他軟件運(yùn)行^[2]，因此，通過軟件驗(yàn)證BIOS是非常困難的。為了解決這一難題，本文設(shè)計(jì)一款TPM安全芯片，用于保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的BIOS。
　　圖1為安全芯片的結(jié)構(gòu)圖。圖中，主處理器模塊完成對(duì)整個(gè)安全芯片的控制；加密模塊完成對(duì)稱密碼算法、雜湊算法等密碼算法；接口模塊用于與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主板上的橋系統(tǒng)進(jìn)行連接；RAM用于存儲(chǔ)中間結(jié)果；Flash用于存儲(chǔ)芯片中的芯片操作系統(tǒng)COS。

1.2 TPM安全芯片工作原理
　　TPM安全芯片在計(jì)算機(jī)主板上的應(yīng)用如圖2所示。

　　通過TPM安全芯片對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供保護(hù)的方法為：(1)在主板上設(shè)置TPM安全芯片；(2)啟動(dòng)信息處理設(shè)備時(shí)，由TPM芯片驗(yàn)證當(dāng)前底層固件的完整性，如正確則完成正常的系統(tǒng)初始化后執(zhí)行步驟(3)，否則停止啟動(dòng)該信息處理設(shè)備；(3)由底層固件驗(yàn)證當(dāng)前操作系統(tǒng)的完整性，如正確則正常運(yùn)行操作系統(tǒng)，否則停止裝入操作系統(tǒng)?？傊?，此方法是通過在信息處理設(shè)備的啟動(dòng)過程中對(duì)BIOS、底層固件、操作系統(tǒng)依次進(jìn)行完整性驗(yàn)證，從而保證信息處理設(shè)備的安全啟動(dòng)之后，再利用TPM芯片內(nèi)置的加密模塊生成并管理系統(tǒng)中各種密鑰，對(duì)應(yīng)用模塊進(jìn)行加解密，以保證計(jì)算機(jī)等信息設(shè)備中應(yīng)用模塊的安全。
　　圖2中，信息處理設(shè)備的CPU 與主板上的北橋相連，北橋與南橋和靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）分別直接相連^[2]，南橋分別與超級(jí)輸入輸出接口(SuperIO)、BIOS 模塊和安全芯片通過LPC（Low Pin Count Bus）總線直接相連，同時(shí)，計(jì)算機(jī)主板上的CPU 通過讀寫控制" title="讀寫控制">讀寫控制線與安全芯片中的BIOS模塊直接相連。安全芯片通過完整性校驗(yàn)檢驗(yàn)主板上的BIOS模塊是否被非法修改。
　　上述方法能夠?qū)IOS的完整性進(jìn)行驗(yàn)證，但它僅僅避免了BIOS中的病毒對(duì)操作系統(tǒng)的破壞，安全芯片并不能防止BIOS本身被修改，只能在發(fā)現(xiàn)BIOS被修改后，停止啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，因而該方法只是被動(dòng)應(yīng)對(duì)可能的攻擊。
2 改進(jìn)的安全措施
2.1 改進(jìn)的TPM芯片設(shè)計(jì)
　　如圖3所示，改進(jìn)后的TPM芯片在原安全芯片的基礎(chǔ)上集成了BIOS。改進(jìn)后的TPM芯片中的主處理器模塊在初始化后啟動(dòng)芯片中的BIOS程序，并判斷對(duì)BIOS的操作是讀操作還是寫操作。在讀BIOS代碼之前，首先對(duì)其進(jìn)行完整性驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后，可以進(jìn)一步驗(yàn)證操作系統(tǒng)和其他底層固件的完整性，并且允許通過身份認(rèn)證" title="身份認(rèn)證">身份認(rèn)證的用戶修改BIOS代碼，從而使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)。這樣，不但可以對(duì)BIOS、底層固件、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用模塊依次進(jìn)行完整性驗(yàn)證，避免了對(duì)操作系統(tǒng)和應(yīng)用模塊的攻擊，而且使得沒有通過身份驗(yàn)證的攻擊者無法修改BIOS代碼，從而避免了對(duì)BIOS的攻擊。

2.2 應(yīng)用結(jié)構(gòu)
　　如圖4所示，裝有TPM安全芯片（此處以及下文中的“TPM安全芯片”或“安全芯片”都是指改進(jìn)后的集成BIOS的TPM安全芯片）的計(jì)算機(jī)上電時(shí)，TPM安全芯片中的主處理器模塊運(yùn)行存儲(chǔ)模塊中的芯片操作系統(tǒng)COS，完成芯片內(nèi)部的初始化；之后對(duì)BIOS模塊的讀寫操作過程進(jìn)行驗(yàn)證。BIOS模塊中的讀寫控制接口與該TPM安全芯片所在設(shè)備的CPU相連，接收其發(fā)出的讀寫信號(hào)，BIOS模塊中的內(nèi)部總線接口與TPM安全芯片內(nèi)部的主處理器模塊相連，由主處理器模塊對(duì)讀寫B(tài)IOS模塊的操作進(jìn)行驗(yàn)證。芯片的外部設(shè)備接口模塊與TPM安全芯片所在設(shè)備相連，在主處理器模塊的控制下，使TPM安全芯片與外部設(shè)備進(jìn)行信息交互。

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2.3 工作過程
　　圖5為TPM安全芯片應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程。
　　具體步驟如下：
　　(1)在確保計(jì)算機(jī)終端安全的環(huán)境下(如生產(chǎn)線上，或用戶第一次使用時(shí))，生成BIOS和底層固件的完整性驗(yàn)證碼，將其分別存儲(chǔ)在TPM安全芯片中；將操作系統(tǒng)的完整性驗(yàn)證碼存儲(chǔ)在底層固件或TPM安全芯片中；將待保護(hù)應(yīng)用模塊的完整性檢驗(yàn)碼存儲(chǔ)在操作系統(tǒng)或TPM安全芯片中。
　　(2)在計(jì)算機(jī)終端加電時(shí)，計(jì)算機(jī)終端內(nèi)的TPM安全芯片進(jìn)行基本初始化。
　　(3)主板系統(tǒng)運(yùn)行TPM安全芯片中的BIOS，TPM安全芯片根據(jù)信息處理設(shè)備的CPU發(fā)出的物理驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即相應(yīng)的讀寫請(qǐng)求，判斷對(duì)BIOS進(jìn)行讀操作還是寫操作，如果是讀操作，則執(zhí)行步驟(4)，如果是寫操作則執(zhí)行步驟(8)。
　　(4)TPM安全芯片讀出其內(nèi)部的BIOS代碼，并驗(yàn)證該BIOS代碼的完整性，然后執(zhí)行步驟(5)。
　　(5)TPM安全芯片驗(yàn)證底層固件的完整性，然后執(zhí)行步驟(6)。
　　(6)TPM安全芯片驗(yàn)證待加載操作系統(tǒng)的完整性，然后執(zhí)行步驟(7)。
　　(7)正常運(yùn)行系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，然后將TPM安全芯片定義為系統(tǒng)中的一個(gè)設(shè)備，并啟動(dòng)安全服務(wù)。
　　(8)允許通過身份認(rèn)證的用戶對(duì)TPM安全芯片內(nèi)部的BIOS代碼進(jìn)行更新。

　　圖6為讀BIOS代碼并驗(yàn)證其完整性的流程圖。
　　具體步驟如下：
　　(1)系統(tǒng)加電啟動(dòng)，計(jì)算機(jī)終端內(nèi)的TPM安全芯片進(jìn)行基本初始化。
　　(2)計(jì)算機(jī)終端的CPU發(fā)出讀BIOS代碼的物理驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
　　(3)TPM芯片讀取其內(nèi)部的BIOS代碼。
　　(4)對(duì)讀取出來的BIOS代碼進(jìn)行完整性計(jì)算。
　　(5)從存儲(chǔ)部件中讀取預(yù)先保存的BIOS的完整性校驗(yàn)碼，判斷計(jì)算出的完整性校驗(yàn)碼與預(yù)先保存的完整性校驗(yàn)碼是否一致，如果一致，則執(zhí)行步驟(6)，否則執(zhí)行步驟(7)。
　　(6)計(jì)算機(jī)終端的CPU運(yùn)行所讀取的BIOS代碼，讀BIOS代碼的流程結(jié)束。
　　(7)禁用該讀出的BIOS代碼，并發(fā)出該讀BIOS代碼已被非法修改的提示后，讀BIOS代碼的流程結(jié)束。
　　圖7為更新BIOS代碼流程圖。