信息系统安全导论第五章之可信计算

最新推荐文章于 2025-02-10 11:36:11 发布

教IT的小王A

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文章标签：安全 java 服务器

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一、可信计算概论

1.1 可信计算的定义

可信计算是增强信息系统安全的一种行之有效的技术。它基于一个硬件安全模块，
建立可信的计算环境。可信硬件安全模块担任信任根的角色，通过密码技术、硬件访问控制技术和存储加密等技术保证系统和数据的信任状态。

1.2 可信计算的基本思想

1）可信计算的目标：

提高计算机系统的可信性
现阶段：确保系统数据完整性，数据安全存储，平台可信性远程证明

2）可信计算用途：

数字资产保护
身份认证
系统完整性保护

3）基本思想：

首先建立一个信任根，再建立一条信任链。从信任根开始到可信硬件平台、到可信操作系统、再到可信应用系统，一级度量一级，一级信任一级。从而把这种信任扩展到整个计算机系统。

1.3 可信计算的关键技术

1）信任根技术

信任根是系统可信的基础和出发点，信任根的可信性由物理安全、技术安全和管理安全共同确保。

可信计算组织TCG认为一个可信计算平台必须包含3个信任根(分别对应可信计算的三大基本功能）

可信测量根RTM（root of trust for measurement)
可信存储根RTS（root of trust for storage）
可信报告根RTR（root of trust for reporting ）

2）可信平台模块（Trusted Platform Module，TPM）

该技术旨在为计算机设备提供基于硬件的安全相关的功能。

“TCG设计TPM的目的是给漂浮在软件海洋中的船只──客户终端，提供一只锚。”

3）信任链技术

信任链：从信任根开始到硬件平台、到操作系统、再到应用，一级度量一级，一级信任一级。

用Hash函数来度量平台的启动序列和软件的完整性。
在TPM内部设置一些平台配置寄存器（Platform Configuration Register，PCR），用于存储度量的值。
计算方法：New PCRi = HASH (Old PCRi || New Value)，其中符号||表示连接。

4）可信软件栈（TSS）

可信软件栈TSS(TCG Software Stack)是TPM平台上的支撑软件，其作用是为其他软件使用TPM的可信计算服务提供接口。

5）密码技术

公钥密码和对称密码
数字签名和验证
加密和解密

对称密码是指加密和解密时使用同一密钥的方式：

![对称密码](https://img-
blog.youkuaiyun.com/20170820084803051?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvZGJzMTIxNQ==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast)

公钥密码则是指加密和解密时使用不同密钥的方式，又称为非对称密码。任何人都可以生成自己的公钥和私钥，把公钥公开，私钥自己保管。攻击者不能从公钥推导出私钥。当别人想把数据发送给我的时候，先用我的公钥对数据进行加密，然后发给我，我再用我的私钥解密。

![公钥密码](https://img-
blog.youkuaiyun.com/20170820091855252?watermark/2/text/aHR0cDovL2Jsb2cuY3Nkbi5uZXQvZGJzMTIxNQ==/font/5a6L5L2T/fontsize/400/fill/I0JBQkFCMA==/dissolve/70/gravity/SouthEast)

二、可信平台模块和信任根

2.1 可信平台模块TPM

TPM结构

1）I/O：TPM的输入和输出部件

2）密码协处理器：

公钥密码引擎：

■ TCG主要使用公钥密码，有意淡化对称密码。

■ TCG建议使用RSA密码，支持1024，2048位的RSA密钥，其中根密钥应为2048位。

■ 数据格式采用PKCS#1标准，并可以采用CRT格式表示证书。

对称密码引擎：

■ TCG有意淡化对称密码，TPM中没有明确设置对称密码引擎。

■ 对应认证数据和传输数据的加密可采用“一次一密” 方式的异或方式加密。

■ 传输数据的长度较长，必须采用PKCS#1中的MGF1函数对密钥进行扩展，然后再异或方式加密。

3）密钥产生：

产生RSA的密钥对。
对称密钥的产生使用TPM的RNG（Random Number Generator，随机数生成器）。

4）HMAC引擎（Hash-based Message Authentication Code，哈希消息认证码）：

HMAC是基于HASH函数的消息认证码。
TPM支持HMAC的计算，其计算根据RFC2104规范。

5）SHA-1引擎（Secure Hash Algorithm，安全哈希算法）：

用途：

■ 数据完整性校验

■ 数字签名的数字摘要

■ 计算HMAC

SHA-1的设计安全性为O（2^80)

6）随机数产生

RNG（Random Number Generator，随机数产生器）是TPM的随机源，要求符合FIPS140-1标准。
TCG既允许使用真随机的TRNG，也允许使用伪随机的 PRNG。

7）电源检测

管理：

■ TPM电源状态和平台电源状态。

■ TCG要求所有的电源状态变化应通知TPM。

原因：

■ 支持初始化、信任链等操作。

■ 与平台电源状态匹配。

■ 避免侧信道攻击。

8）Opt-Ln：一组选择配置开关。例如，通过on/off的选择,可激活/不激活某一部件和功能。

9）执行引擎：

运行程序
执行TPM收到的命令

10）非易失存储器

用于存储固定标识和TPM状态
已经设置了一些存储内容，如背书密钥EK（ Endorsement Key）等
其余空间，经TPM的属主授权的实体可以使用。

11）易失存储器

工作存储器
速度快，容量小

2.2 TPM的密钥体系

1）密码配置：主要采用公钥密码（RSA密码）

2）密钥配置：

① 背书密钥EK（Endorsement
Key）：背书密钥是一个模长为2048-bit的RSA公私钥对。EK不用作数据加密和签名；对于一个TPM而言，EK是唯一的，代表着每一个可信平台的真实身份。

TPM的根密钥，固化在TPM芯片里，与TPM唯一对应
2048位RSA密钥对
不可迁移密钥

② 平台身份证明密钥AIK（Attestation Identity Key）：替EK来提供平台的证明，可以理解为EK的别名。

EK的替身密钥
2048位RSA密钥对
不可迁移密钥
不能用于加密

③ 存储密钥SK（Storage Key）：用于对其他密钥进行存储保护。

存储根密钥SRK（Storage Root Key）

■ 2048位RSA密钥对

■ 保护一般存储密钥

■ 不可迁移

一般存储密钥SK（Storage Key）

■ 1024位RSA密钥对

■ 保护其他密钥

构成一个密钥树

④ 签名密钥SIGK（Signing Key）：用于对数据签名

1024位RSA密钥对
不可用于加密

⑤ 绑定密钥BK（Bind Key）：用于加密保护TPM外部的任意数据

加密保护数据和对称密钥
1024位RSA密钥对

⑥ 继承密钥LK（Legacy Key）：既可以用于签名也可以用于加密

在TPM外产生，使用时调入TPM
1024位RSA密钥对

⑦ 认证密钥AK（Authentication Key）：

对称密钥
用于保护TPM的会话

3）密钥的控制属性

① 迁移性：是否允许密钥从一个可信计算平台转移到另一个可信计算平台，EK、AIK、SRK是不可迁移的。

② 授权数据：

TCG规定密钥的使用必须经过授权
授权数据=Hash（共享的秘密数据 || 随机数）
TPM的存储空间很小，只存储EK和SRK的授权数据

4）密钥证书配置

① 背书密钥证书EC（Endersement Credential）

TPM生产商的名称
TPM的型号
TPM的版本
EK的公钥

② 身份证书IC/AIK证书AC（Identity Credential/ AIK Credential）

TPM生产商的名称
TPM的型号
TPM的版本
AIK的公钥

2.3 可信PC平台的信任根

1）TCG的技术规范：

① 可信度量根（RTM）：可信度量根核CRTM （ core root of trust for measurement）

② 可信存储根（RTS）：

TPM芯片中的PCR寄存器
存储根密钥SRK

③ 可信报告根（RTR）：

TPM芯片中的PCR寄存器
平台身份证明密钥AIK（背书密钥 EK）

2）可信度量根（CRTM）

CRTM是一个软件模块
CRTM是信任链的起点
根据BIOS的结构不同，CRTM有两种类型：

① 以BIOS的引导模块作为CRTM

② 以整个BIOS作为CRTM

3）可信存储根（RTS）

可信存储根由TPM中的平台配置寄存器PCR和存储根密钥SRK组成。

PCR是在TPM中开辟的一组寄存器，存储平台的可信度量值。
SRK在TPM中用于保护普通存储密钥SK，2048位RSA密钥对。

4）可信报告根（RTR）

可信报告根由TPM中的平台配置寄存器PCR和平台身份证明密钥AIK组成。

PCR的内容向外报告时用AIK签名保护。
AIK由背书密钥BK控制产生，因此真正的可信报告根是BK。

三、可信计算的典型应用

3.1 系统可信启动

1）BIOS完整性保护：可信度量根CRTM无论是BIOS启动块还是整个BIOS，都必须受到完整性保护。可信度量根如果能被随意更改，
那么其就不可能对平台启动的下一个部件进行正确地完整性校验，计算机就不能安全启动。

一种保护方法：将BIOS闪存芯片的写保护引脚与可信密码模块相连。

2）Linux中常用的启动引导工具：

Lilo(Linux Loader) ：旧版本
Grub(Grand Unified Bootloader)：新版本，替代Lilo

3）引导程序一般分为两个独立的阶段：

① Stage1：存放在启动扇区

第一阶段即BIOS从启动扇区中读入IPL（初始化程序引导工具），用来引导Stage1.5
Stage1.5用来加载文件系统驱动，以识别Stage2的文件系统

② Stage2：Grub的核心程序

4）平台完整性度量、存储及信任链传递

① 以可信度量根RTM为起点

② 当需要装载一个部件到平台上运行时：

先对该部件进行完整性度量
将度量值记录在TPM的PCR中
记录度量事件日志
然后再将其加载运行

3.2 BitLocker

1）BitLocker简介：

主要针对的问题：由计算机设备的物理丢失导致的数据失窃或恶意泄露。
Windows BitLocker驱动器加密通过加密Windows操作系统卷上存储的所有数据可以更好地保护计算机中的数据。
BitLocker使用TPM帮助保护Windows操作系统和用户数据，并帮助确保计算机即使在无人参与、丢失或被盗的情况下也不会被篡改。
BitLocker还可以在没有TPM的情况下使用，可以把密钥放在U盘上。

2）BitLocker的体系结构

3）BitLocker的加密原理

4）BitLocker的解密原理

5）封装和解封

① 初次整卷加密时的封装

计算系统分区相关组件的哈希值
把计算结果存到PCR寄存器
用相应寄存器封装卷主密钥（Volume Master Key，VMK）

② 引导时的完整性检查

计算系统分区相关组件的哈希值
把计算结果存到PCR寄存器
解封卷主密钥VMK

四、可信远程证明

远程证明是一个综合完整性校验和身份认证的过程，向验证者提供了一份可信的平台状态报告。

接下来我将给各位同学划分一张学习计划表！

学习计划

那么问题又来了，作为萌新小白，我应该先学什么，再学什么？
既然你都问的这么直白了，我就告诉你，零基础应该从什么开始学起：

阶段一：初级网络安全工程师

接下来我将给大家安排一个为期1个月的网络安全初级计划，当你学完后，你基本可以从事一份网络安全相关的工作，比如渗透测试、Web渗透、安全服务、安全分析等岗位；其中，如果你等保模块学的好，还可以从事等保工程师。

综合薪资区间6k~15k

1、网络安全理论知识（2天）
①了解行业相关背景，前景，确定发展方向。
②学习网络安全相关法律法规。
③网络安全运营的概念。
④等保简介、等保规定、流程和规范。（非常重要）

2、渗透测试基础（1周）
①渗透测试的流程、分类、标准
②信息收集技术：主动/被动信息搜集、Nmap工具、Google Hacking
③漏洞扫描、漏洞利用、原理，利用方法、工具（MSF）、绕过IDS和反病毒侦察
④主机攻防演练：MS17-010、MS08-067、MS10-046、MS12-20等

3、操作系统基础（1周）
①Windows系统常见功能和命令
②Kali Linux系统常见功能和命令
③操作系统安全（系统入侵排查/系统加固基础）

4、计算机网络基础（1周）
①计算机网络基础、协议和架构
②网络通信原理、OSI模型、数据转发流程
③常见协议解析（HTTP、TCP/IP、ARP等）
④网络攻击技术与网络安全防御技术
⑤Web漏洞原理与防御：主动/被动攻击、DDOS攻击、CVE漏洞复现

5、数据库基础操作（2天）
①数据库基础
②SQL语言基础
③数据库安全加固

6、Web渗透（1周）
①HTML、CSS和JavaScript简介
②OWASP Top10
③Web漏洞扫描工具
④Web渗透工具：Nmap、BurpSuite、SQLMap、其他（菜刀、漏扫等）

那么，到此为止，已经耗时1个月左右。你已经成功成为了一名“脚本小子”。那么你还想接着往下探索吗？

阶段二：中级or高级网络安全工程师（看自己能力）

综合薪资区间15k~30k

7、脚本编程学习（4周）
在网络安全领域。是否具备编程能力是“脚本小子”和真正网络安全工程师的本质区别。在实际的渗透测试过程中，面对复杂多变的网络环境，当常用工具不能满足实际需求的时候，往往需要对现有工具进行扩展，或者编写符合我们要求的工具、自动化脚本，这个时候就需要具备一定的编程能力。在分秒必争的CTF竞赛中，想要高效地使用自制的脚本工具来实现各种目的，更是需要拥有编程能力。

零基础入门的同学，我建议选择脚本语言Python/PHP/Go/Java中的一种，对常用库进行编程学习
搭建开发环境和选择IDE，PHP环境推荐Wamp和XAMPP，IDE强烈推荐Sublime；

Python编程学习，学习内容包含：语法、正则、文件、网络、多线程等常用库，推荐《Python核心编程》，没必要看完

用Python编写漏洞的exp,然后写一个简单的网络爬虫

PHP基本语法学习并书写一个简单的博客系统

熟悉MVC架构，并试着学习一个PHP框架或者Python框架 (可选)

了解Bootstrap的布局或者CSS。