（计算机科学与技术专业论文）可信计算平台完整性度量及实体行为度量研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：查毖鲣 日期： 塑应：2 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：查邋翌 导师签名： 一 p j rn 摘耍 摘要 可信计算立足于终端，在终端构建一个信任根，以信任根为起点，通过完整 性度量技术，建立信任链，实现信任由信任根扩展到硬件平台、操作系统，直至 整个网络，保证整个计算环境的可信。 完整性度量是实现可信计算上述目标的关键技术，本文研究可信计算中完整 性度量的理论和技术，从实体行为的角度建立度量模型，完善现有完整性度量方 法，对动态度量技术进行初步探讨；并建立由信任根到应用进程的完整性度量技 术实现平台，搭建完整性度量基础平台，为今后的进一步研究工作奠定基础。 首先，在可信计算的研究背景下，研究可信计算平台的功能结构及其完整性 度量技术。在可信计算平台中，重点分析了作为可信计算平台核心模块的可信平 台模块( t p m ) 和基于自主密码的可信密码模块( t c m ) 。针对完整性度量技术， 研究了信任根和信任链以及完整性度量、存储和报告等相关技术。分析了由于 t p m 和t c m 的密码算法不同而导致的完整性度量兼容性问题，并提出了相应解 决方案。对可信计算平台及其完整性度量技术的研究，是本文研究工作的基础。 其次，在上述研究的基础上，针对实体行为运行可信，构建完整性度量模型。 从图灵机的角度抽象出度量属性和度量规则，基于实体行为运行可信的度量模型 包括两方面的内容：一是针对行为输入的度量，采用细粒度隔离机制对行为输入 缓冲区溢出进行防范，来保证行为输入的完整性；二是针对行为运行环境的度量， 通过分析实体行为间的依赖关系，建立实体行为运行环境集合，并针对此集合中 的元素进行度量。通过丰富度量属性和度量方法，完善现有完整性度量和动态度 量模型。 最后，针对可信计算的完整性度量技术，建立完整性度量机制实现平台。以 可信密码模块为核心，研究和实现基于自主密码的完整性度量技术；以可信平台 控制模块为基础，分析主动模式的完整性度量技术，构建由信任根开始的信任链； 以上层应用为目标，研究基于进程的完整性度量实现方法，将信任链向应用软件 扩展。完整性度量机制实现平台的建立，为完整性度量技术的进一步研究和实现 奠定了基础。 本文的主要创新点包括以下两个方面： ( 1 ) 在可信计算平台及其完整性度量技术的研究中，分析了基于自主密码 的可信密码模块，针对由于密码配置的不同而导致的完整性度量兼容问题，提出 了基于主动度量模式以及第三方数据库的解决方案； ( 2 ) 针对现有完整性度量和动态度量模型的不足，从图灵机的角度，研究 北京t q k 大学t 学硕十学位论文 了基于实体行为运行可信的度量模型，从行为输入及运行环境两个方面对实体行 为运行可信进行度量。 关键词可信计算；完整性度量；兼容性；实体行为度量 a b s t r a c t a bs t r a c t t i m s t e dc o m p u t i n gi se s t a b l i s h e dr o o to f 仃u s ti nt e 肌i n a l n 啪u 曲i n t e 鲥t ) ， m e a s u r e m e l l tt e c b n 0 1 0 9 y ，m en s tc h a i l li se s t a b l i s h e df r o mt h er o o to ft 1 1 j s tw h i c hi s n l es t a n i n gp o i n t 。a sar e s u l tt m s ti se x p e n d e d 丘d mr o o to f 饥l s tt 0h 衲a r ep l a t f o m ， o s u n t i lm ew h o l en 邮) l ，o r kt oe n s u i em ec o m p u t i n ge n v i r o m e n ti s 协l l s t i n t e 鲥够m e 踟r e m e i l “s l ek e yt e c l l n o l o g yt o r e a l i z em ea b o v eo b j e c t i v eo f 仃u s t e dc 0 n l p u t i n g t k sp 印e rr e s e a r c h e do ni n t e 鲥t ym e a s w 锄e n tt l l e o r y a i l d t e 幽l o g yo f 觚t e dc o m p 帆n g m e 删e n t m o d e li sr 印r e s 饥t e d 丘o mm ev i e wo f e r l t i 田b e h a 啊o rt 0p e r f e c tm ec u l r 懈1 ti n t e 鲥t ym e a s u r e m e n tm e t h o d s ，a n d t 1 1 ed y n 锄i c m e a s l l r 锄e n t t e c l l i l o l o g y i sd i s c u s s e dp r e l i m i n 撕l y i i l t e 鲥t y m e a s u r e m e l l t t e c l l l l o l o g yr e a l i z a t i o np l a t f o m 舶mr o o to f 咖s tt 0 印p l i c a t i o np r o c e s s i sc o n s 仃u c t e d ， 砌c hb u i l du paf o u l l d a t i o no fi n t e 酣t ) ，m e a s u f e m e n t ，锄di sm e 黟o u n d w o r ko f 也e 缸讹旧r e s e a r c h f i r s t l y ，i nt h eb a c k g r o u n do fh l l s t e dc o n l p u t i n g ，t h i sp 印e rr e s e 鲫c h e d o nt l l e 向n c t i o ns 仃u c n l r e锄di n t e 酊t ym e a 赋e i i l 饥tt e c h o l o g yo f 觚s t c dc o m p u t i n g p l a t f o m 1 1 1m e 仃u s t e dc o m p u t i n gp l a t f o 肋，概t c dp l a t f 0 皿m o d u l e ( t p m ) 锄d t m s 锄c r y p t o 铲a p h ym o d u l e ( t c m ) 讹c ha r c l e k e n l e lm o d u l eo f 觚l s t e d c o m p u t i n gp l a t f o ma r ca i l a l ) ，z e d 嬲锄p h a s i s i na l l u s i o nt oi n t e 鲥t ym e a s w e m e n t t e c l l l l o l o g y ，r o o to f 缸u s t ，仃u s tc h a i l la 1 1 di n t e 鲥t ym e a s u r 锄e i l t s t o r a g ea n dr 印o r ta r e r e s e 砌e do n 1 1 1 ec o m p a t i b i l i 够p r o b l 锄o fi n t e 鲥t ) rm e a s u f 锄e n tw h i c hi sa r e s u l t o ft 1 1 ed i 儆e n c eo fc 呻t o 孕a p h yb e t 、e e i lt p m 觚dt c m i sa i l a ：l y z c d ，a n d l e s o l u t i o n sa r ep r e s e n t e di nm i sp 印既1 1 1 er e s e a r c ho nt n j s t e dc o m p u t i n gp l a t f o 仰a n d t h ei n t e 鲥t ym e 删c 1 1 tt e 咖1 0 l o g ) ra r et h eb a s i so f “sp 印 s e c o n d l y ，b a u s e do nt l l ea b o v er e s e 疵hw o r k ，m ei n t e 鲥t ym e a s u r 锄e n tm o d e l 6 d mv i e wo fe n t i t yb e h a v i o ro p 锄a t i n gt n j s ti sc o n s t m c t c d m e 觞u r e m e n t 砌b u t e s a j l dm l e sa r ea b s t r a c t c db a s e do n1 m n g t h em e a s u r e m 锄tm o d db a s e do ne i l t i t ) r b e h a v i o ro p e r a t i i l g 乜m s ti si n c l u d i n g l ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：o n 也eo n eh a i l d ，f o rt l l e m e a s u r e i i l e n to f b e h a v i o ri n p u t ，f i n e g r a i n c di s 0 1 a t i o nm e c h a l l i s mw i l i c hp r e v e n t st l l e b e h a v i o ri n p u t6 o mb u 丘e ro v e m o wt 0e i l s u r et h eb e h a v i o ri 印u ti n t e 鲥够；o nm e o t h e rh a n d f o rm eb e h a v i o rn 】n t i m ee n v i r o n m e n t ，m r o u g h 觚a i y s i so nm ed e p e n d e n t r e l a t i o n s h i po fe n t i t i e sb e h a 啊o r s ，l es e to fe n t i t yb e h a v i o rm n t i m ee n v i r o 啪饥ti s e s t a b l i s h e d a l l de a c he l 锄e n to ft h es e ti sm e 删t h ec u n e n ti n t e 鲥t y i i i m e a s u r e m e n ta 1 1 d d y n a m i cm e a s u r e m e i l t a t t r i b u t e sa i l dm e a s u r 锄e n tm e a n s m o d e li s i m p r o v e db ym e a s u r e m e n t f1 n a l l y ；a l m l n ga ti n t e g r i t ym e a s u r 锄e n tt e c h n o i o g yo ft m s t e dc o m p u t i n g ，t h e i n t e 印t ym e a s e m e n tm e c h a i l i s mi m p l 锄e n t a t i o np l a t f o n i li se s t a b l i s h e d b a s e do n t c m ， i n t e 鲥t ym e a s u r e m e n tt ec ：1 1 1 1 0 1 0 9 yo f h o m e g r o w n i sr e s e a r c h e da 1 1 d 蛐p l e m c n t e d ； b a s e do nt p c m ，“t i a t i v e i n t e 鲥t ym e a s u 础1 1 e n tt e c l l l l 0 1 0 9 yi s a 1 1 a l y z e d ，a n dt l l et m s tc h a i ns t a n i n g 舶mr o o to ft m s ti sc o n s 缸u c t e d ；舶m 访e w o t a p p l l c a t l o n ， t h ei n t e 鲥t ym e 姗r e l n e l l t i m p l 锄c n t a t i o nb a s e do np r o c e s si s r e s e 卸c h e di i lt h i sp 印e fw h i c h e x t e n d s 仃懈tc h a i nt 0s o 胁a r el e v e l t h ec o n s n l l c t i o n o 士m t e 即t ym e a s u r e m e n ti m p l e m e n t a t i o ne s t a b l i s h e dm eb a u s i so f 内t u r ew o r ko f i n t e 鲥t ym e 卿r e l l l e l l tt e 咖1 0 l o 夥 t h ei 衄o v a t i o n so fm i sp a p e ra r ea s 内1 l o w i n g s ： ( 1 ) t h r o u 曲 t h er e s e a rc _ ho ft m s t e d c o m p u t i n gp l a t f o m la n di n t e 星酊t y m e a s w l 。1 1 1 e n t ，t h s t e dc r ) ，p t o g r a p h ym o d u l eb a s e do nh o m 唧w n c r y p t o g r a p h yi s a n a l y z e d a i m i n ga tt h ec o i n p a t i b i l i t yp r o b l e mo fi n t e 鲥够m e 嬲u r e m e n tw h i c hi sm e r e s u l to fd i 侬鹏n tc r y p t o 黟印h yb e t 、7 l ，e 吼t p m a i l dt c m ，m es o l u t i o nb a s e do n i n i t i a t i v em e a s u r e l l l e n ta i l dt h et h j r dp a n y a r ep r e s e n t e d ( 2 ) i i la 1 1 u s i o nt ot 1 1 es h o r t a g eo fc u m m ti n t e 鲥哆m e a s u r 锄e n ta n dd v i l 锄i c m e a s m 锄e n tm o d e l ，m i sp 印e rr e s e a r c h e do nt h em e a s u 僦l e n tm o d e lb a s e d o ne 1 1 t i t v b e n a v l o rr u n t i m e 饥l s t 自d mt h e v i e wo ft u “n & b e h a v i o ri n p u ta n dr u i l t i m e e 1 1 v i r o n m e n th a v e b e e nm e a s u r c 妇 i ( e y w o r d s ! 警e d c o m p u t i n g ，i n t e 鲥t ym e a s u r e m e i l t ， c o m p a t i b i l i t y e n t i t y b e h a v i o rm e a s u 】r 饥1 e n t 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2研究背景1 1 2 1可信计算的概念2 1 2 2可信计算的发展与现状一3 1 2 - 3 完整性度量研究概述一6 1 3研究内容9 1 3 1 可信计算平台及其完整性度量技术一9 1 3 2 基于实体行为的完整性度量模型一9 1 3 3完整性度量机制实现平台1 0 1 4研究目的及意义1 0 1 5课题来源11 - 1 6论文结构1 1 第2 章可信计算平台及其完整性度量技术1 3 2 1可信计算平台体系结构及其功能1 3 2 1 1可信平台模块( t p m ) 1 6 2 1 2可信密码模块( t c m ) 1 7 2 2可信计算平台完整性度量技术1 9 2 2 1 信任根和信任链2 0 2 2 2完整性度量、存储和报告2 1 2 3可信计算平台的完整性度量兼容问题2 2 2 3 1t p m 厂r c m 比较分析2 3 2 3 2完整性度量兼容需求分析2 4 2 3 3完整性度量兼容解决方案2 7 2 4本章小结2 8 第3 章基于实体行为运行可信的度量模型2 9 3 1基于实体行为运行可信的完整性度量模型综述2 9 3 1 1 实体行为度量属性2 9 3 1 2实体行为度量规则3 2 3 2基于细粒度隔离机制的行为输入完整性度量方案3 3 3 2 1 输入完整性度量方法分析3 3 3 2 2 细粒度数据隔离存储方法3 4 3 2 3行为输入完整性度量方法3 6 3 3基于依赖关系的行为运行环境完整性度量模型3 8 3 3 1 威胁模型3 8 3 - 3 2基于实体行为的实体依赖关系分析3 9 3 3 3 实体行为运行环境的完整性度量模型4 0 v 北京t 业人学丁学硕l j 学位论文 3 4 本章小结4 2 第4 章完整性度量机制实现平台4 3 4 1完整性度量机制实现平台体系结构4 3 4 2基于自主密码的完整性度量4 4 4 2 1主要功能4 4 4 2 2完整性度量计算功能实现4 5 4 2 3完整性度量存储功能实现4 6 4 2 4完整性度量报告功能实现一4 8 4 3基于主动度量模式的可信启动5 0 4 3 1主动度量模式的含义5 0 4 3 2可信平台控制模块5 0 4 3 3完整性度量流程5 2 4 3 4信任链建立流程5 3 4 3 5 主动度量模式分析5 5 4 4基于进程的运行时完整性度量5 5 4 4 1完整性度量框架5 6 4 4 2 完整性度量内容5 7 4 4 3完整性度量实现方法5 9 4 4 4实验结果6 l - 4 5本章小结6 l 。 结论6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 1 _ 致 射7 3 v 1 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 信息产业的迅猛发展以及信息技术的日新月异，使得信息安全面临着越来越 严峻的问题。信息安全事关国家安全，经济利益以及社会稳定，因此必须采取有 效的措施确保信息安全。 目前，大部分信息安全系统主要是由防火墙、入侵监测和病毒防范等组成。 这种从外围进行防范的安全技术，无法从根本上解决问题。由于p c 机软、硬件 结构简化，导致资源可任意使用，尤其是执行代码可修改，恶意程序可以被植入 的安全隐患，终端安全面临着十分严峻的威胁。随着网络技术的发展和网络应用 的普及，终端不再是孤立的个体，终端的安全隐患将威胁着整个网络的安全，因 此信息安全的研究重点逐渐从外围的封堵手段，转变到对终端根源的控制。 为了解决计算机和网络结构上的不安全，从根本上提高其安全性，必须从芯 片、硬件结构和操作系统等底层方面做起，综合采取措施。因此我们应该以“防 内为主，内外兼防，狠抓终端源头安全 的模式，构筑全面高效的安全防护系统。 在安全问题上应该：追源头、练内功、控使用、防内患、积极防御【l 翻。 由此产生出可信计算的基本思想，其目的是在计算和通信系统中广泛使用基 于硬件安全模块支持下的可信计算平台，以提高整体的安全性。可信计算技术弥 补了以防外为主的防御手段的缺陷。它立足于入侵源头设防，对网络上的每一个 节点实施认证和控制，建立点对点的信任机制。基于这个信任系统，实施身份认 证、授权访问控制和安全责任审计等防御手段，突破了传统的“堵漏洞、做高墙、 防外攻 的被动方式。可信计算技术以完整性度量技术为基础，通过信息的信任 传递模式，保障了信息在用户、程序与机器之间的可信传递，建立了由信任根到 网络的信任链，从而维护了网络和信息安全。 本文将以可信计算领域为研究背景，以可信计算的技术和理论研究为基础， 重点研究可信计算的关键技术完整性度量技术，及其相关的理论和实现方 案。 1 2 研究背景 本文以可信计算为研究背景，主要研究其中的完整性度量技术，下面将首先 对可信计算的概念进行介绍，其次，描述了可信计算的发展过程和研究现状，最 后，针对可信计算领域中的关键技术之一“完整性度量 技术的研究进行概述。 北京t 、i k 大学t 学硕f j 学位论文 1 2 1 可信计算的概念 在计算机应用环境中，对“可信 有多种解释。目前对于“可信 并没有统 一的定义，主要有以下几方面： 在容错计算领域，认为可信是指计算机系统所提供的服务是可以论证其是可 信赖的。这就是指从用户角度看，计算机系统所提供的服务是可信赖的，而且这 种可信赖是可论证的。强调计算系统的可靠性、可用性和可维性，而且强调可信 的可论证性【】。 i s o i e c1 5 4 0 8 标准定义可信为：参与计算的组件、操作或过程在任意的 条件下是可预测的，并能够抵御病毒和物理干扰【5 】 文献 6 】认为，可信安全+ 可靠可信计算系统是能够提供系统的可靠性、 可用性、信息和行为安全性的计算机系统。 文献 7 】从社会学、心理学以及哲学的角度对信任的概念进行了分析，将信 任与协作、推荐联系在一起，从不同的角度讨论了信任的概念。 可信计算组织( t c gt r u s t e dc o m p u t i n gg 胁u p ) 对“可信”的定义是：“一 个实体在实现给定目标时，若其行为总是如同预期，则该实体是可信的 ( a n e i l t i t yc a i lb et n 塔t e di fi ta l w a y sb e h a v e si nt h ee x p e c t e dm a l l l l e rf o rt 1 1 ei n t 饥d e d p u 印o s e ) 【引。 t c g 可信计算的基本思想是首先构建一个信任根，再建立一条信任链，从 信任根开始到硬件平台，到操作系统，再到应用，一级认证一级，一级信任一级， 把这种信任扩展到整个计算机系统，从而确保整个计算机系统的可信【l 】。以可信 平台模块( t p m ，t r u s t e dp l a t f o m lm o d u l e ) 为核心，逐步把可信由t p m 推向网络 和各种应用。t p m 是一个具备多种密码支持部件、安全功能部件和存储部件的 小的片上系统。 t c g 提出可信计算机平台的概念，并把这一概念具体化到p c 机、服务器、 p d a 和手机和网络连接，提出了可信计算平台的体系结构和技术路线，并推出 了以可信平台模块t p m 基础的一系列规范，内容包括可信平台模块、软件栈、 主机、网络连接等，这些规范描述了以t p m 为核心的可信计算平台体系结构【 1 6 】。 根据t c g 对可信的定义，一个可信平台要达到可信的目标，需要提供三个 基本特性：保护功能，身份证明，完整性度量和完整性报告。 本文讨论的“可信 与t c g 定义的“可信 大致相同，描述的是实体行为 和结果的可预期性。从实体行为的角度出发，关注影响行为的过程及行为结果的 关键要素。 第l 章绪论 1 2 2 可信计算的发展与现状 可信计算立足终端，注重防内的思想已成为了目前信息安全领域新的潮流， 也是国内外研究的热门领域。 可信计算技术的发展要从容错计算说起。容错计算的研究与发展应该以 1 9 7 1 年召开第一届国际容错计算会议为起点。“容错 当然不是指“容易错”， 而是指“容许错 ，更确切些说应该是“容许故障。人们认识到，不论怎样精心 设计，选择多么好的元件，物理缺陷和设计错误总是不可避免的，所以需要各种 容错技术来维持系统的正常运行。从1 9 7 5 年开始，商业化的容错机推向市场。 到九十年代，软件容错的问题被提了出来，进而发展到网络容错【1 7 】。 在上个世纪7 0 年代初期，a n d e r s o njp 首次提出可信系统( 1 m s t e ds y s t e m ) 的概念，由此开始了人们对可信系统的研究。较早期学者对可信系统研究( 包括 系统评估) 的内容主要集中在操作系统自身安全机制和支撑它的硬件环境，此时 的可信计算被称为d 印e n d a b l ec o m p u t i n g ，与容错计算( f a u l t t o l e r a i l tc o m p u t i n 曲领 域的研究密切相关。这一阶段研发出的许多容错技术已被用于目前普通计算机的 设计与生产。 1 9 8 3 年美国国防部推出了“可信计算机系统评价标准( t c s e c ，t m s t e d c o m p u t e rs y s t e me v a l u a t i o nc r i t 甜a ) 【1 8 】，其中对可信计算基( t c b ，t r u s t e d c o m p u t i n gs y s t e m ) 进行了定义。这些研究成果主要是通过保持最小可信组件集合 及对数据的访问权限进行控制来实现系统的安全从而达到系统可信的目的。 1 9 9 6 年，i b mw 缸s o n 实验室开发的安全协处理器i b m4 7 5 8 【挎。2 1 】充分吸取已 有研究成果，是一个能满足商业需求的高端密码加速器。该协处理器硬件体系包 括一个4 8 6 级c p u ，模指数运算加速器，d e s 、s h a 1 运算器，随机数发生器 等。协处理器的软件体系包括m i n i b 0 0 t 、操作系统和应用三个层次。由m i l l i b 0 0 t 层负责系统的安全管理和配置；操作系统层负责管理计算、存储及密码相关资源； 而应用层则使用操作系统所提供的各项服务。i b m4 7 5 8 具有认证自身和其软件 配置的能力，也允许外部实体认证平台的可信性。 同年，b i l l 舳a u 曲实现了具有自动恢复功能的安全引导系统a e g i s 【2 2 彩】， 并对该过程进行形式化分析。a e g i s 以i b mp c 平台为原型，修改了标准的引导 过程，在b i o s 代码中包含了验证代码和公钥证书。它把整个启动过程依次分为 四个阶段：阶段o ，阶段1 ，阶段2 和阶段3 。在计算机加电自检后，进入阶段o ， 阶段0 包含一个小的可信软件集，数字签名，公钥证书以及恢复代码，阶段0 是被定义为绝对信任的，自身具有简单的校验和检测。阶段1 包含b i o s 其余部 分的代码，阶段2 为扩展卡及其r o m ，阶段3 为操作系统引导块，阶段4 为操 作系统。前一阶段验证后一阶段完整性后，运行后一阶段代码。a e g i s 引导过 北京t q k 大学t 学硕_ f 学位论文 程可以选择启动操作系统，或选择启动恢复进程、并修复完整性校验有错误的模 块。 九十年代安全协处理器和安全启动的研究为当代可信计算思想的产生奠定 了基础。1 9 9 9 年1 0 月，由h n e l 、c o m p a q 、h p 、i b m 以及m i c r o s o n 发起成立了 一个“可信计算平台联盟t c p a ( 1 m s t e dc o m p u t i n gp l a t f o 肌a 1 l i a l l c e ) ”。该组织致 力于促成新一代具有安全、信任能力的硬件运算平台。截至2 0 0 2 年7 月，已经 有1 8 0 多家硬件及软件制造商加入t c p a 。2 0 0 3 年4 月8 日，t c p a 重组为“可 信计算组织”t c g 。t c g 在原t c p a 强调安全硬件平台构建的宗旨之外，更进 一步增加了对软件安全性的关注，旨在从跨平台和操作环境的硬件组件和软件接 口两方面，促进与厂商独立的可信计算平台工作标准的制定。 2 0 0 3 年，i i l t d 正式推出了支持p a l l a d i 啪的l a 觚1 d e 技术【2 4 1 ，用于保护敏 感信息的硬件架构，简称l t 技术。其核心是在原来硬件基础上增加一层可信机 制，其目的是保护p c 可能遭受的基于软件，甚至基于硬件的攻击。l t 是一组 强化的硬件部件，包括微处理器、芯片组、i o 设备及其相应软件。 同年，微软将p a l l a d i u m 改名为n g s c b 的可信计算计划【2 5 】，强调可信计算 在数字产权管理方面的应用。微软将推出新一代操作系统v i s t a 支持可信计算 机制硬件技术，并计划推出相应的新一代处理器欧洲于2 0 0 6 年1 月启动了 名为“开放式可信计算( o p e nt m s t e dc o m p u t i n 曲 的研究计划【2 6 1 。 2 0 0 6 年，i b m 的r e i i l c rs a i l e r 和t r e l l tj a e g e r 等人为x e l l 虚拟机设计实现了 “虚拟t p m ”【2 7 1 ，一个可信计算硬件同时能够为多个运行的操作系统提供安全 服务。为此，他们扩展了现有t p m 规范的指令集，使多个用户能透明地使用一 个t p m ，并大大提高了可信计算硬件的使用效率。 2 0 0 7 年，h l t e l 正式发布了可信执行技术( t x t ：t m s t e de x t e i l s i o n t e d m o l o g y ) 【2 8 1 。该技术主要是通过硬件内核和子系统来控制被访问的计算机资源。可以应 付计算机病毒、恶意代码、间谍软件和其他安全威胁。t x t 技术具备以下保护 功能：处理器执行内存、处理器事件处理、系统内存、内存和芯片组路径、存储 子系统、人为输入设备和显卡输出等。 在对可信计算3 0 多年的研究过程中，可信计算的含义不断地拓展，由侧重 于硬件的可靠性、可用性到针对硬件平台、软件系统、服务的综合可信，适应了 i n t 锄e t 上应用不断拓展的发展需型2 9 1 。 相比于国外可信计算的发展，我国可信计算的发展起步不完，水平不低，成 果可喜。我国在可信计算技术研究方面起步较早，技术水平不低。在安全芯片、 可信安全主机、安全操作系统、可信计算平台应用等方面都先后开展了大量的研 究工作，并取得了可喜的成果【3 0 j 。 早在1 9 9 2 年，我国信息安全专家沈昌祥发明了微机保护卡，利用了密码技 弟1 币绪论 术解决d o s 运行环境中的p c 机安全保护问题，达到了无病毒、自我免疫的效 果。其核心技术是采用了二进制可执行代码的加密保护，加载运行时进行完整性 校验，不符合合法授权的程序无法运行，病毒自然也无法进来。即使恶意代码或 病毒进入系统，也无法破坏关键的应用程序和系统文件，因为关键的可执行代码 通过密码机制进行了机密性和完整性保护。在这一思想影响下，国内当时还出现 了许多类似的基于硬件的防病毒卡。这可以认为是我国早期对可信计算的研究。 1 9 9 2 年之后，沈昌祥带领团队，在安全操作系统中提出和应用了完整性保 护思想，结合完整性校验等机制实现了高安全等级操作系统中的代码保护。这些 思想体现了密码技术在安全操作系统的保障作用，也是可信计算的实际应用。 2 0 0 0 年6 月武汉瑞达和武汉大学合作，开始研制安全计算机，并且在沈昌 祥等专家指导下，将平台认证、代码保护、密码校验等机制加入安全计算机方案， 核心思想采用了可信计算，2 0 0 4 年1 0 月通过鉴定，被认为是“国内第一款可信 计算机。 2 0 0 5 年4 月联想集团的可信平台模块芯片和可信计算机相继研制成功。同 年，兆日公司的t p m 芯片( s i n o s u i lt p m ) 也研制成功，同方、方正、浪潮、长城 等公司也推出了可信计算机样机，加入了可信计算的行列。至此，中国的可信计 算产业揭开了序幕。但很快发现，国内在技术上盲目跟踪t c g ，不同厂家的产 品各成一家，缺乏统一的标准，我国可信计算产业的发展受到很大局限。 2 0 0 5 年1 2 月，在我国可信计算开拓者沈昌祥院士倡导下，组织了国内知名 芯片厂商和国内可信计算产品研发的公司和科研单位，成立“可信计算密码支撑 平台联合工作组 ，对可信计算密码标准进行预研。 2 0 0 6 年，联合工作组在北京工业大学多次集中攻关，研究编写可信计算平 台密码方案，完成了“可信计算密码规范 和“可信计算平台密码规范测评规范 编制任务。针对这些成果，2 0 0 6 年8 月9 日在国家密码管理局主持下召开了专 家验收会，专家验收意见认为“可信计算平台密码方案 等成果为形成我国可信 计算平台密码相关标准和专利奠定了良好基础，为推动我国可信计算产业发展提 供了有力的密码技术支撑。 2 0 0 7 年2 月，北京工业大学、电子四所、华为、长城、中标软等十三家单 位，在“可信计算平台密码 基础上，研究制定“可信平台控制模块规范”等四个 面向主机的标准，完成了可信平台控制模块规范、可信平台主板功能接口规 范、可信基础支撑软件规范、可信网络连接架构规范标准草案，形成了可 信计算标准系列的主体框架，解决了芯片、软件栈、主机平台和网络连接基本结 构等主要问题。 2 0 0 7 年1 2 月，国家密码管理局发布“可信计算密码支撑平台功能与接口规 划3 l 】 ，该规范以上述“可信计算密码规范 为指导，描述了可信计算密码支撑 北京t 、j k 大学t 学硕f j 学位论文 平台的功能原理与要求，并定义了可信计算密码支撑平台为应用层提供服务的接 口规范。用以指导我国相关可信计算产品开发和应用。根据国家密码管理条例规 定，同时也从民族产业自身利益出发，我国的可信计算必须采用我国自主密码， 即必须使用我国密码算法，自主设计和实现密码协议。 规范中定义了可信计算密码支撑平台( 哪，p t o 鲫l l i cs u p p o r tp l a t f o m 向r 饥l s t e dc o m p u t i n g ) ，作为可信计算平台的重要组成部分，包括密码算法、密钥管 理、证书管理、密码协议、密码服务等内容，为可信计算平台自身的完整性、身 份可信性和数据安全性提供密码支持。其产品形态主要表现为可信密码模块 ( t c m ，t r i l s t e dc r y p t o 擎印h ym o d u l e ) 和可信密码服务模块( t s m ，t c ms e r v i c e m o d u l e ) 。t c m 是可信计算平台的硬件模块，为可信计算平台提供密码运算功能， 具有受保护的存储空间，与t c g 可信计算平台的t p m 相对应。t s m 是可信计 算密码支撑平台内部的软件模块，为对平台外部提供访问可信密码模块的软件接 口。在可信平台控制模块规范标准草案中，提出了可信平台控制模块( t p c m ， t r u s t e dp l a t f o mc o n t r o lm o d u l e ) ，将t c m 的密码机制与主动控制功能相结合， 是可信应用的核心控制模块。 可信计算密码规范与标准的制定，为我国可信计算的发展方向和广泛应用起 到基础性的引导和促进作用。 2 0 0 7 年之后，包括9 7 3 、8 6 3 、国家自然基金、信息产业部和发改委等部委 的近十亿的国家有关基金，以可信计算平台密码方案为基础，大力支持可信计算 相关技术研究和产品开发。 2 0 0 8 年4 月，为促进我国可信计算技术发展，由企事业、科研单位、相关 用户和个人组成的中国可信计算联盟成立。其宗旨是：“以企业为主体，产学研 用联合，促进我国可信计算产业链的形成和发展，增强企业竞争力”。联盟的成 立将为该领域产学研用各方搭建起沟通、交流、共进和发展的桥梁，为推进我国 可信计算产业、科研和应用做出积极的贡献。 我国对于可信计算在系统中的应用也进行了相应的探索，比如，公安部进行 的信息系统等级化保护试验平台建设，显示了可信计算在高安全等级信息系统中 的保障作用。 经过若干年的发展，我国在可信计算领域已积累了宝贵的经验，在某些方面 已达到国际先进水平，当前可信计算技术已成为国家信息安全领域的发展要务。 目前，无论是在国际还是国内都已成为信息安全领域研究的热点和趋势。 1 2 3 完整性度量研究概述 本文的研究重点是完整性度量技术，完整性是信息安全的经典要素之一，在 第l 荦绪论 信息安全和可信计算中都具有十分重要的意义。下面将从完整性经典模型、完整 性静态度量和动态度量技术方面阐述完整性度量的研究概况。 完整性保护一般主要从两个方面进行，一方面是通过访问控制来防止完整性 遭受破坏，另一方面是通过完整性度量来判断完整性是否遭到破坏。 b i b a 模型【3 2 】和c - w 模型3 3 1 是典型的完整性访问控制模型。b i b a 模型用完整 性级别来对完整性进行量化描述，对于“读 操作，通过定义不同的规则，该模 型有三种不同的模式，分别为低水标( l o w w a t 昏m 啦) 模型、环( r i n g ) 模型， 和严格完整性( s t r i c ti n t e 鲥t y ) 模型；除此以外c w 模型是一个面向事务的模 型，事务是操作的集合，一个事务由一组操作构成。事务作用在数据上，该模型 的出发点是既要确保数据的完整性，又要确保事务的完整性。 莫科尔树( m e d d et r e e ) 模型【3 4 】是典型的完整性度量模型，又称哈希树模型。 哈希函数是数据完整性度量的常用方法之一。哈希函数是一种单向函数，即根据 自变量可以很容易