齊　能，譚　良

(1.四川師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，成都 610101；　2.中國科學(xué)院 計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100190)(*通信作者電子郵箱qihuaneng@163.com)

0　引言

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等大型計(jì)算應(yīng)用環(huán)境在實(shí)際業(yè)務(wù)上更多的應(yīng)用，具有提高效率、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)的虛擬化技術(shù)得到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注，并得以快速應(yīng)用和推廣。如何保障虛擬化平臺服務(wù)的可信[1-3]，確認(rèn)虛擬化平臺向用戶提供可信任的資源和服務(wù)[4-6]，是目前亟待解決的問題。基于硬件信任根的可信計(jì)算技術(shù)作為保障信息系統(tǒng)安全的關(guān)鍵技術(shù)，通過構(gòu)建從平臺底層硬件到平臺上層應(yīng)用程序的信任鏈[7-8]，并結(jié)合可信遠(yuǎn)程證明向平臺外部實(shí)體提供可信證明[9-11]。因此，利用可信計(jì)算技術(shù)保證虛擬機(jī)平臺可信、構(gòu)建可信虛擬平臺(Trusted Virtualization Platform, TVP)環(huán)境并構(gòu)建其信任鏈模型成為目前的研究熱點(diǎn)。

TVP的概念首先由Berger等[12]提出，隨后一些學(xué)者[13-16]針對如何構(gòu)建具體應(yīng)用場景的TVP功能應(yīng)用以及抽象和統(tǒng)一的TVP概念取得了很多較好的研究成果，并且達(dá)成了一些基本的共識。目前，相關(guān)學(xué)者絕大多數(shù)都認(rèn)為，在物理上，TVP作為一個可以支持虛擬化技術(shù)的可信計(jì)算物理主機(jī)，與一般的可信計(jì)算的區(qū)別在于：擁有在物理硬件可信平臺模塊(Trusted Platform Module, TPM)構(gòu)建起來的虛擬可信信任根；可以為多個用戶虛擬機(jī)(Virtual Machine, VM)提供可信虛擬信任環(huán)境。這種TVP的運(yùn)行架構(gòu)如圖1所示。從功能上看，TVP架構(gòu)主要分為四個層次：第一層為硬件信任根TVP，為整個架構(gòu)提供信任的物理保證；第二層主要包括虛擬機(jī)監(jiān)視器(Virtual Machine Monitor, VMM)，及構(gòu)建于VMM之上的管理域，它們通常被認(rèn)為是TVP的可信計(jì)算基(Trusted Computing Base, TCB)；第三層是虛擬信任根(virtual Root of Trust, vRT)，由于實(shí)現(xiàn)方案不同(如圖1中(a)、(b)所示)，可作為傳統(tǒng)信任鏈的擴(kuò)展，或者利用動態(tài)度量信任根(Dynamic Root of Trusted Measurement, DRTM)機(jī)制啟動；第四層是與用戶緊密相關(guān)的用戶虛擬機(jī)。

圖1　TVP基本運(yùn)行架構(gòu)Fig. 1　Basic running architecture of TVP

盡管如此，上述的TVP基本運(yùn)行架構(gòu)以及信任鏈傳遞模型存在過粗且邏輯上不完全合理的問題，與云環(huán)境中虛擬化平臺也不完全相符合。如圖1所示，為了便于敘述，本文將圖1中從TPM到第三層的信任鏈稱為可信虛擬平臺信任鏈，將第四層的信任鏈稱為虛擬機(jī)信任鏈。具體問題表現(xiàn)在：

1)現(xiàn)有的TVP模型把整個第三層都作為TVP的TCB并作為虛擬機(jī)的vRT，顯然是不精細(xì)的，且邏輯上也不完全合理的。第三層包括VMM以及DOM管理域(即宿主機(jī)Domain0，為方便描述，后文稱為Dom0)，信任鏈為CRTM(Core Root of Trust for Measurement)→BIOS→BootLoader→VMM→DOM OS→Apps，DOM管理域包含OS及大量的應(yīng)用程序，顯然不能采用鏈?zhǔn)蕉攘克械膽?yīng)用程序并存儲其平臺配置寄存器(Platform Configuration Register， PCR)值。

2)虛擬平臺信任鏈與虛擬機(jī)信任鏈?zhǔn)莾蓷l不同的信任鏈，即在整個TVP以及客戶虛擬機(jī)啟動過程中存在兩條在度量層次和度量時間上完全分隔的信任鏈，一條是可信虛擬平臺在啟動時的信任鏈，另一條是客戶虛擬機(jī)在啟動時的信任鏈。

針對上述問題，本文提出了一種具有瀑布特征的TVP架構(gòu)TVP-QT，并對TVP-QT信任鏈傳遞模型進(jìn)行了構(gòu)建，建立了擁有可信銜接點(diǎn)(Trusted-Joint Point, TJP)的TVP-QT及其完整的信任鏈模型。該模型以虛擬化硬件層物理TPM為起點(diǎn)，在可信虛擬化平臺信任鏈和可信虛擬機(jī)信任鏈之間加入可信銜接點(diǎn)。當(dāng)信任鏈從可信云平臺傳遞到可信銜接點(diǎn)時，由可信銜接點(diǎn)負(fù)責(zé)對可信虛擬機(jī)的可信虛擬平臺模塊(virtualization Trusted Platform Module, vTPM)及相關(guān)組件進(jìn)行度量，之后再將控制權(quán)交給vTPM，由vTPM負(fù)責(zé)對虛擬機(jī)的VBIOS(Virtual BIOS)、VMOS(OS of Virtual Machine)到VM應(yīng)用進(jìn)行度量。該模型中可信銜接點(diǎn)具有承上啟下的瀑布特征，能滿足云環(huán)境的層次性和動態(tài)性特征，保證了整個可信虛擬平臺的可信性。

1　相關(guān)工作

目前針對TVP及其抽象模型以及信任鏈傳遞模型的研究得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，本文就目前對TVP、TVP信任鏈模型的研究進(jìn)行了以下總結(jié)和分析。

對于TVP的研究，早在TVP概念出現(xiàn)之前，就出現(xiàn)了利用可信計(jì)算技術(shù)解決虛擬系統(tǒng)平臺安全的方案，為TVP的發(fā)展提供了一些理論和構(gòu)建基礎(chǔ)，這些平臺包括Terra[17]、PERSEUS[18]等，這些平臺的主要思想是把底層計(jì)算平臺分為兩部分，包括運(yùn)行著高安全性需求虛擬機(jī)的可信區(qū)域和其他不可信區(qū)域。隨后，Berger等[12]首先提出構(gòu)建TVP的基本組件vRT、vTPM等基本思想，并且構(gòu)建了具體的TVP架構(gòu)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的vRT等概念，HP、IBM等研究機(jī)構(gòu)分別提出并構(gòu)建了相應(yīng)的TVP[13-14]，其TVP架構(gòu)可根據(jù)不同應(yīng)用需求建立用戶可定制的TVP，在很大程度上推動了TVP的發(fā)展。隨后，Krautheim等[15]、王麗娜等[16]基于云計(jì)算環(huán)境建立了TVP，使其可以保護(hù)云計(jì)算環(huán)境下的虛擬機(jī)運(yùn)行，以及保護(hù)虛擬機(jī)運(yùn)行時上層服務(wù)軟件的完整性、安全性。之后，常德顯等[19]根據(jù)TVP的功能層次給出了包括虛擬機(jī)和虛擬可信根的TVP定義，并細(xì)分為VMM、Dom0、TPM、vRT等組件。Zhang等[20]提出一種具有可信域?qū)哟蔚腡VP，通過采用可信云平臺和可信虛擬機(jī)進(jìn)行分離的TVP構(gòu)建機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對可信云平臺以及可信虛擬機(jī)的安全保障。Yu等[21]、池亞平等[22]、李海威等[23]提出的可信虛擬平臺均為鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，存在信任鏈分離的問題。徐天琦等[24]、楊麗芳等[25]、蔡誼等[26]也分別利用可信計(jì)算技術(shù)構(gòu)建TVP解決虛擬化平臺服務(wù)器的安全性問題?？偨Y(jié)起來，目前已有的研究成果把TVP的VMM和管理域都作為TCB，一起作為虛擬機(jī)的vRT，這顯然存在過粗且邏輯上不完全合理的問題，因?yàn)楣芾碛虬琌S及大量的應(yīng)用程序，不能采用鏈?zhǔn)蕉攘克械膽?yīng)用程序并存儲其PCR值。

對于TVP信任鏈模型的研究，主要包括三個方面。其一是通過對可信計(jì)算組織(Trusted Computing Group， TCG)鏈?zhǔn)叫湃捂溎Ｐ偷臄U(kuò)展，實(shí)現(xiàn)TVP下可信度量以及信任傳遞。Scarlata等[27]提出在構(gòu)建TVP時，通過可信測量構(gòu)建從CRTM可信根到每個客戶虛擬機(jī)的信任鏈，就可以證明每個客戶虛擬機(jī)是可信的；這種信任鏈模型是不完善的，無法適應(yīng)比較復(fù)雜的TVP環(huán)境。Krautheim等[28]對信任鏈擴(kuò)展上提出了“Transitive Trust Chain”信任鏈模型，并且簡要地指出了信任鏈傳遞過程為TPM→VMM→TVEM manager→TVEM→VM OS→應(yīng)用程序(APP)，但是此種信任鏈模型沒有詳細(xì)描述特權(quán)域操作系統(tǒng)以及虛擬機(jī)操作系統(tǒng)的可信度量。Shen等[29]根據(jù)TCG動態(tài)度量方法提出了一種基于Xen的可信虛擬機(jī)在DRTM下的信任鏈構(gòu)建，其具體的構(gòu)建過程為：CPU→可信代碼→Xen VMM→Dom0(→vTPM Manager→Domain Builder)→Guest OS→APP，此種信任鏈模型也存在Krautheim等[28]所提模型中的問題。其二是通過研究可信云平臺和可信虛擬機(jī)兩部分的信任鏈，構(gòu)建TVP下的信任鏈模型。常德顯等[19]提出的TVP信任鏈從功能層次可表示為：硬件TPM層→TCB層→vRT層→用戶虛擬機(jī)層的信任鏈模型，此信任鏈模型對vRT及層次間的連接定義比較模糊。Zhang等[20]提出一種基于無干擾的可信域?qū)哟涡湃捂溎Ｐ?，并且指出分別度量物理主機(jī)和VM的方式，即首先度量從物理的TPM到物理主機(jī)的應(yīng)用程序，然后度量VM的vTPM和應(yīng)用程序，此種信任鏈模型無法有效地在TVP下構(gòu)建完整的鏈?zhǔn)叫湃捂溎Ｐ?，不能向用戶虛擬機(jī)呈現(xiàn)一條完整的信任鏈模型，文獻(xiàn)[22-23]也存在此類問題。其三是樹型或者星型的信任鏈模型。一部分學(xué)者認(rèn)為TCG的鏈?zhǔn)叫湃捂溈尚哦攘糠绞皆谔摂M化環(huán)境下是難以有效構(gòu)建的。朱智強(qiáng)[30]、曲文濤[31]基于星型信任度量結(jié)構(gòu)，提出基于信任根(Root of Trust, RT)對各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行度量的模型及其改進(jìn)，但是此種信任鏈模型也存在負(fù)擔(dān)重的管理域(Management Domain， MD)節(jié)點(diǎn)。總結(jié)起來，目前針對TVP的信任鏈模型的共同問題是信任鏈模型過粗且邏輯上不合理，而且目前研究內(nèi)容中的可信虛擬平臺信任鏈與虛擬機(jī)信任鏈?zhǔn)莾蓷l在度量層次和度量時間上分離的信任鏈，不能向虛擬機(jī)用戶展示一條從TPM到虛擬機(jī)應(yīng)用的完整信任鏈。

綜上所述，TVP基本運(yùn)行架構(gòu)以及信任鏈傳遞模型均有待改進(jìn)。特別地，由于TVP具有層次性和動態(tài)性，已有的研究成果不能精細(xì)地描述虛擬化環(huán)境中復(fù)雜的信任鏈傳遞機(jī)制，且存在兩條分離的信任鏈。

2　具有瀑布特征的TVP及信任鏈模型

為解決引言中提出的問題，本文提出了具有瀑布特征的TVP-QT及信任鏈模型。本文主要針對TVP-QT及信任鏈模型，而針對虛擬化平臺固有的安全性機(jī)制，比如VMM的特權(quán)域操作、VM之間的隔離性等安全性機(jī)制，可參考Barthe等[32]給出的形式化描述與分析。本章將對TVP-QT的功能組件以及TVP-QT信任鏈信任屬性進(jìn)行定義，并在下一章利用文獻(xiàn)[33]提出的安全邏輯形式化方法對信任鏈進(jìn)行形式化分析。本文主要對文獻(xiàn)[19]給出的定義進(jìn)行擴(kuò)展，其基本定義不再敘述。

2.1　TVP-QT信任模型

基于已有的TVP研究方案，本文提出的TVP-QT信任模型如圖2所示。TVP-QT分為五個層次：第一層是硬件信任根TPM構(gòu)成的可信虛擬平臺底層。第二層主要包括VMM以及管理域Dom0的相關(guān)組件，包括VBOIS、VOSLoader、VMOS等組件，作為TVP-QT的可信計(jì)算基。把Dom0 Kernel看成是可信基，這比已有的TVP更合理，因?yàn)镈om0實(shí)際上是整個虛擬化平臺的管理域，含大量的應(yīng)用程序，這些管理程序無法采用TCG鏈?zhǔn)蕉攘浚埠苋菀资艿焦舳淖僛34-37]。第三層是重點(diǎn)設(shè)計(jì)的可信銜接點(diǎn)，可信銜接點(diǎn)位于Dom0，是Dom0的一組應(yīng)用程序，包括vTPM實(shí)例的創(chuàng)建模塊vTPM Builder、vTPM-VM映射組件vTPM-VM Binding以及VM的創(chuàng)建組件VM Builder，且作為vRT的一部分，在信任鏈上按照vTPM Builder→vTPM-VM Binding→VM Builder的順序依次進(jìn)行度量?？尚陪暯狱c(diǎn)可對TVP-QT的第一、第二層與第四、第五層進(jìn)行有效銜接，保證TVP-QT信任鏈構(gòu)建的連貫性，起到承上啟下的作用，具有瀑布特征。第四層為vTPM，最上層為用戶虛擬機(jī)層次，其運(yùn)行時組件主要包括VBIOS、VOSLoader、VMOS、應(yīng)用程序(APP)等相關(guān)組件。基于上述對TVP-QT的分析，本文依據(jù)文獻(xiàn)[19]的基礎(chǔ)定義進(jìn)行擴(kuò)展抽象定義。

圖2　TVP-QT運(yùn)行架構(gòu)Fig. 2　Running architecture of TVP-QT

定義1TVP-QT主要包括兩類功能組件：TVP-QT:={M, RT}。其中：M表示虛擬化平臺所有主機(jī)類型集合，包括構(gòu)成虛擬化平臺的基本組件VMM、管理域內(nèi)核、可信銜接點(diǎn)及用戶虛擬機(jī)等；信任根(RT)是構(gòu)建TVP信任環(huán)境的基礎(chǔ)，也是TVP的核心組件，對TVP-QT來說，它包括硬件TPM、可信銜接點(diǎn)TJP和vTPM。

其中：M={m, vm}，m:={VMM, Dom0 Kernel, TJP}，vm:={vm1, vm2, …, vmn}；RT:={TPM, vRT}={TPM, (TJP, vTPM)}；并且m必須利用TPM進(jìn)行可信度量來提供信任，vm利用TJP和vm對應(yīng)的vTPM實(shí)例進(jìn)行可信度量?？尚陪暯狱c(diǎn)TJP可以劃分為TJP:={vTPM Builder, vTPM-VM Binding, VM Builder}，其中vTPM Builder表示與創(chuàng)建和管理vTPM實(shí)例相關(guān)的組件，并負(fù)責(zé)提供給vm運(yùn)行時的vTPM標(biāo)識以及端口；而vTPM-VM Binding則表示對vm和vTPM實(shí)例間綁定關(guān)系的相關(guān)組件；VM Builder表示與創(chuàng)建用戶虛擬機(jī)相關(guān)的配置文件、組件等。在TVP-QT涉及到的vTPM架構(gòu)中，每個vm必須與唯一對應(yīng)的vTPM實(shí)例綁定。可信銜接點(diǎn)TJP的來源如表1所示，其中vTPM管理組件可由VMM上的vTPM組件提供，比如目前存在于Xen上的vTPM Manager。

表1　TJP功能組件來源Tab. 1　Resource of TJP’s components

相對于已有的TVP，本文提出的TVP-QT信任模型具有如下特點(diǎn)：

1)TVP-QT更加精細(xì)。已有的TVP把整個管理域作為TCB，TVP-QT模型僅把Dom0 Kernel、TJP及vTPM作為TCB。

2)TVP-QT在邏輯上更合理。一方面，TVP-QT可以按鏈?zhǔn)蕉攘克袑哟危蟃CG的鏈?zhǔn)蕉攘繕?biāo)準(zhǔn)；另一方面，TVP-QT增加了TJP，從邏輯上比已有的TVP更加合理。

2.2　TVP-QT信任鏈及屬性

本文依據(jù)TCG對信任鏈的基本定義和要求構(gòu)建了基于TVP-QT的信任鏈模型，如圖3所示，從外部實(shí)體來看，虛擬化平臺仍然滿足TCG最初建立信任環(huán)境的思想。

圖3　虛擬化平臺可信環(huán)境信任鏈構(gòu)建與驗(yàn)證Fig. 3　Construction and validation of TVP-QT trust chain

本文將2.1節(jié)的可驗(yàn)證目標(biāo)抽象為信任鏈的信任屬性(Trusted Property, TP)，其抽象定義如下。

定義2TVP-QT的信任屬性為一個二元組：TPTVP-QT:={TCTVP-QT,VerTVP-QT}，其中TCTVP-QT表示2.1節(jié)對TVP-QT信任鏈模型具體構(gòu)建過程描述的各個組件序列，VerTVP-QT表示為需要對TVP-QT信任鏈模型進(jìn)行遠(yuǎn)程認(rèn)證的執(zhí)行序列。

按照定義1對TVP-QT中相應(yīng)功能組件的定義，該TVP-QT信任屬性可以進(jìn)一步細(xì)分為：

TPTVP-QT:={(TCm,(TCTJP,TCvTPM),TCvm),

(Verm,(VerTJP,VervTPM),Vervm)}

由定義可知TVP-QT信任屬性可以分為三類：m的信任屬性TCm，vRT的信任屬性TCvRT，以及vm的信任屬性TCvm。其中TCvRT包含TCTJP和TCvTPM兩個屬性。下面對TVP-QT三類組件的信任屬性進(jìn)行分別闡述。

1)主機(jī)m的信任屬性表示為TPm:={TCm,Verm}，其中，TCm表示基于硬件信任根構(gòu)建的信任鏈，即CRTM→BIOS→OSLoader→VMM→Dom0 KernelTPM_Static，此部分信任鏈可基于硬件可信芯片TPM的可信度量，在TVP-QT信任鏈可信傳遞過程中沒有其他程序代碼加載或者執(zhí)行。Verm:=Verify(m, TCm)表示對外驗(yàn)證主機(jī)m所聲稱的信任屬性TCm，使遠(yuǎn)程驗(yàn)證者R相信TVP-QT平臺主機(jī)m擁有這樣的信任鏈屬性TCm。

2)vRT的信任屬性為TPvRT:={TCvRT, VervRT}。由定義1對vRT以及定義2對TVP-QT信任屬性的定義：

TPvRT:={(TCTJP, VerTJP), (TCvTPM, VervTPM)}

其中，TCTJP表示基于硬件信任根構(gòu)建的信任鏈銜接點(diǎn)，其信任傳遞的過程包括兩種情況：其一是在m啟動時，需要采用靜態(tài)度量方式對TJP進(jìn)行度量，其信任傳遞的過程為 (…→Dom0 Kernel→TJP)TPM_Static，完整地表示為:(CRTM→BIOS→OSLoader→VMM→Dom0 Kernel →vTPM Builder → vTPM-VM Binding→VM Builder)TPM_Static；其二是在創(chuàng)建vm時，為了保證TJP的可信(由于TJP是應(yīng)用程序，惡意程序容易篡改)，從而使得信任關(guān)系可以傳遞到新建的vm, 需要采用動態(tài)度量方式對TJP重新度量驗(yàn)證，信任傳遞的過程為 (TJP)TPM_Dynamic，完整表示為:(vTPM Builder→vTPM-VM Binding→VM Builder)TPM_Dynamic。在這兩種情況下，VerTJP:=Verify(TJP, TCTJP)表示對外驗(yàn)證可信銜接點(diǎn)所聲稱的信任屬性TCTJP；TCvTPM表示用戶虛擬機(jī)信任根vTPM。其中，TJP到vTPM的信任傳遞，既可以采用靜態(tài)度量，也可以采用動態(tài)度量，其信任傳遞的過程為：(TJP→vTPM)TPM_Staic或(TJP→vTPM)TPM_Dynamic。VervTPM:=Verify(vTPM, VervTPM)表示對外驗(yàn)證vTPM所聲稱的信任屬性TCvTPM。

3)vm的信任屬性表示為TPvm:={TCvm,Vervm}，其中TCvm表示基于vTPM構(gòu)建的信任鏈，在創(chuàng)建vm時需采用動態(tài)度量方式對TJP進(jìn)行度量，vm從初始化到應(yīng)用的可信啟動過程為：(TJP)TPM_Dynamic→{INIT→VBIOS→VOSLoader→VMOS→APP}vTPM_Static。VerVM:=Verify(vm,TCvm)表示vm信任鏈的外部驗(yàn)證。

顯然，相對于已有的TVP信任鏈模型，本文提出的TVP-QT信任鏈模型具有如下特點(diǎn)：

1)TVP-QT信任鏈模型具有瀑布特征。TJP將分離的兩條信任鏈鏈接起來，保證TVP-QT信任鏈構(gòu)建的連貫性，起到承上啟下的作用。

2)TVP-QT信任鏈模型具有動態(tài)性和層次性。動態(tài)性主要體現(xiàn)在兩個方面:其一，從時間上看ms的信任鏈和vm的信任鏈?zhǔn)莾蓷l分離的信任鏈；其二，可信銜接點(diǎn)TJP在ms啟動時采用的是靜態(tài)度量，而在vm創(chuàng)建時，需要動態(tài)度量。層次性主要體現(xiàn)在ms的信任鏈?zhǔn)腔A(chǔ)，處于底層，而各vm的信任鏈?zhǔn)切湃螖U(kuò)展，處于頂層。底層信任鏈和頂層信任鏈通過銜接點(diǎn)TJP鏈接，保證底層信任鏈到頂層信任鏈的信任擴(kuò)展。

3)TVP-QT信任鏈模型利用構(gòu)建的可信銜接點(diǎn)解決了虛擬平臺信任鏈與虛擬機(jī)信任鏈的銜接問題。

3　基于擴(kuò)展LS2的TVP-QT信任鏈分析

本文將采用已有的形式化分析方法“擴(kuò)展安全邏輯(Logic of Secure System, LS2)”對TVP-QT信任鏈模型進(jìn)行形式化分析。對LS2的具體內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[19，33]。

3.1　基本假定

在對TVP-QT信任鏈屬性進(jìn)行形式化分析前，本文假定以下條件是成立的：1)TVP中的每個層次的鏡像文件未受破壞，用戶虛擬機(jī)可被可信度量；2)m支持 DRTM技術(shù)，能夠動態(tài)度量TJP和vTPM；3)vTPM的平臺身份密鑰(Attestation Identity Key，AIK)已得到認(rèn)證并頒發(fā)證書，具體實(shí)現(xiàn)方案參見vTPM[14]及 Trust Visor[38]等；4)遠(yuǎn)程挑戰(zhàn)者 R 與本地TVP之間已經(jīng)建立了安全信道[19]。

從2.2節(jié)的分析可知，本文對TVP-QT 信任鏈的信任屬性分析驗(yàn)證主要包括三部分：

1)包括TJP在內(nèi)的m信任鏈構(gòu)建的驗(yàn)證及遠(yuǎn)程驗(yàn)證；

2)TJP動態(tài)度量驗(yàn)證及遠(yuǎn)程驗(yàn)證；

3)利用vTPM構(gòu)建的vm信任鏈驗(yàn)證及遠(yuǎn)程證明。

在這三部分中，對3)的驗(yàn)證分析與文獻(xiàn)[19]相同，具體過程可參見文獻(xiàn)[19]，本文不再論述；下面本文只對1)、2)進(jìn)行驗(yàn)證分析。

3.2　m信任鏈的本地驗(yàn)證及遠(yuǎn)程證明

3.2.1本地程序執(zhí)行

根據(jù)2.2節(jié)對TVP中m信任屬性TPm定義以及TPvRT中對TCTJP的定義，其信任鏈本地執(zhí)行過程中涉及到的程序如下列程序1(Code Segment 1)所示。

Code Segment 1：

SRTM(m)≡b=read m.bios_loc

Extend m.pcr.s,b;

Jump b

BIOS(m)≡o=read m.os_loader_loc

Extend m.pcr.s,o;

Jump o

OSLoader(m)≡v=read m.vmm_loc

Extend m.pcr.s,v;

Jump v

VMM(m)≡d=read m.dom0_Kernel_loc

Extend m.pcr.s,d;

Jump d

Dom0 Kernel(m)≡vb=read m.tjp_loc

Extend t.pcr.s,t;

Jump vb

vTPMBuilder(m)≡vv=read m.vtpm-vm-binding_loc

Extend m.pcr.s,vv;

Jump vv

vTPMVM Binding(m)≡vmb=read m.vm-builder_loc

Extend m.pcr.s,vm;

Jump vmb

VMBuilder(m)≡o_app=read m. o_app _loc

Extend m.pcr.s, o_app;

Jump o_app

OtherAPP(m)≡…

程序執(zhí)行流程：m首先從CRTM啟動執(zhí)行，它從主機(jī)內(nèi)存地址m.bios_loc中讀取BIOS的代碼b，將其擴(kuò)展到一個PCR中，之后執(zhí)行指令Jump b；然后CRTM將控制權(quán)傳遞給m的BIOS，它從主機(jī)內(nèi)存地址m.os_loader_loc中讀取OS_Loader代碼o，將其擴(kuò)展到一個PCR中,之后執(zhí)行指令Jump o，將控制權(quán)交給OSLoader；OSLoader繼續(xù)按序從內(nèi)存m.vmm_loc讀取VMM的代碼v，將其擴(kuò)展到m.pcr.s[19]，然后轉(zhuǎn)換控制權(quán)給VMM，VMM、Dom0 Kernel執(zhí)行相似流程，直到可信銜接點(diǎn)TJP的加載。

3.2.2本地可信屬性描述

由上文信任鏈傳遞程序執(zhí)行過程可知，體現(xiàn)主機(jī)m信任鏈的是主機(jī)進(jìn)行可信度量后唯一對應(yīng)的PCR值。因此，基于定義2，可將m的本地信任傳遞屬性歸納為：信任鏈加載的正確由PCR中度量值決定。即m的本地信任傳遞屬性就是要求所有相應(yīng)啟動程序如BIOS、OSLoader、VMM、Dom0 Kernel、vTPM Builder、 vTPM-VM Binding、VM Builder等都能按確定的先后順序加載。以LS2將這種順序形式化表示為:

MeasuredBootSRTM(m,t)=

?tS.?tb.?to.?tv.?td.?tvb.?tvv.?tvmb.?to_app∧

?J.(tS

(Reset(m,J)@tS)∧(Jump(J,BIOS(m))@tb)∧

(Jump(J,OSLoader(m))@to)∧

(Jump(J,VMM(m))@tv)∧

(Jump(J,Dom0_Kernel(m))@td)∧

(Jump(J,vTPM-Builder(m))@tvb)∧

(Jump(J,vTPM-VMBinding(m))@tvv)∧

(Jump(J,VM-Builder(m))@tvvb)∧

(Jump(J,VM-Builder(m))@to_app)∧

(┐Reset(m)on(tS,t])∧(┐Jump(J)on(tS,tb))∧

(┐Jump(J)on(tB,to))∧(┐Jump(J)on(to,tv))∧

(┐Jump(J)on(tv,td))∧(┐Jump(J)on(td,tvb))∧

(┐Jump(J)on(tvb,tvv))∧(┐Jump(J)on(tvv,tvvb))∧

(┐Jump(J)on(tvvb,to_app))

上述公式表示：如果TVP的m基于信任鏈構(gòu)建了本地信任環(huán)境，則其啟動過程一定是從BIOS跳轉(zhuǎn)到OSLoader，從OSLoader到VMM，從VMM到Dom0_Kernel，然后從Dom0_ Kernel到TJP，而在此期間不會有其他程序執(zhí)行。為保證程序逐級加載順序與PCR值相對應(yīng)，必須證明信任鏈本地屬性是成立的。

定理1如果m從CRTM啟動運(yùn)行，且與該m啟動過程對應(yīng)的PCR值為seq(BIOS(m),OSLoader(m),VMM(m),Dom0_Kernel(m), vTPM Builder(m), vTPM-VM Binding(m), VM Builder(m))，那么該m的本地信任鏈傳遞過程就是唯一的、正確的，即確定地從BIOS(m)到OSLoader(m)再到VMM(m)、Dom0 Kernel(m)、vTPM Builder(m)、 vTPM-VM Binding(m)、VM Builde(m)。該信任屬性形式化表示為：

ProtectedSRTM(m)+Mem(m.pcr.s,seq(BIOS(m),

OSLoader(m),VMM(m),Dom0_Kernel(m),

vTPMBuilder(m),vTPM-VM Binding(m),

VM Builder(m)))?MeasuredBootSRTM(m,t)

證明本文按照以下步驟進(jìn)行證明：

首先，由前提條件可知在時間點(diǎn)t，有Mem(m.pcr.s, seq(BIOS(m),OSLoader(m), VMM(m), Dom0_Kernel(m), vTPM Builder(m), vTPM-VM Binding(m), VM Builder(m)))成立，反復(fù)利用PCR公理即可直接得到在該序列中的所有子序列一定在時間t之前就出現(xiàn)在m.pcr.s中，即：

?tS,t1,t2,t3,t4,t5,t6,J.(tS≤t1

(Mem(m.pcr.s,seq(BIOS(m),OSLoader(m),

VMM(m),Dom0_Kernel(m),vTPM Builder(m),

vTPM-VM Binding(m),VM Builder(m)))@t)∧

(Mem(m.pcr.s,seq(BIOS(m),OSLoader(m),

VMM(m),Dom0_Kernel(m),vTPM Builder(m),

vTPM-VM Binding(m)))@t6)∧(Mem(m.pcr.s,

seq(BIOS(m),OSLoader(m),VMM(m),

Dom0_Kernel(m),vTPM Builder(m))),@t5)∧

(Mem(m.pcr.s,seq(BIOS(m),OSLoader(m),

VMM(m),Dom0_Kernel(m)))@t4)∧(Mem(m.pcr.s,

seq(BIOS(m),OSLoader(m),VMM(m)))@t3)∧

(Mem(m.pcr.s,seq(BIOS(m),OSLoader(m)))@t2)∧

(Mem(m.pcr.s,seq(BIOS(m)))@t1)∧

Reset(m,J)@tS∧(┐Reset(m)on(tS,t))

(1)

接下來對程序1中信任鏈的執(zhí)行過程進(jìn)行說明，最先執(zhí)行的操作是以CRTM為起點(diǎn)啟動m，即Reset(m,J)，然后m執(zhí)行第一個信任程序BIOS(m)。利用LS2規(guī)則，在某個時間tB，程序會跳轉(zhuǎn)到b,此時內(nèi)存位置被鎖定，防止其他程序跳轉(zhuǎn)[19]。即有以下屬性(2)成立。

?t′,b,o

(((Mem(m.pcr.s,seq(BIOS,b,o))@t′)∧(ts

?tb·((ts

(IsLocked(m.pcr.s,J)@tb)

(2)

類似地，接下來的信任程序：OSLoader(m)、VMM(m)、Dom0_Kernel(m)、vTPM Builder(m)、vTPM-VM Binding(m)和VM Builder(m)也利用LS2規(guī)則，在某個時間to、tv、td、tvb、tvv、tvmb、to_app，程序會跳轉(zhuǎn)到o、v、d、vb、vv、vmb、o_app，且其他時間不會有程序跳轉(zhuǎn)，相應(yīng)的內(nèi)存位置(即PCR值)被該線程鎖定，即有o、v等對應(yīng)的類似式(2)的屬性成立，限于篇幅，這些屬性略。

根據(jù)式(2)及o、v、d等對應(yīng)的屬性可知，如果前提條件滿足，那么m上執(zhí)行程序的順序一定是從BIOS(m)到OSLoader(m)再到VMM(m)、Dom0Kernel(m)、TJP(m)。

?tS,tb,to,tv,td,tvb,tvv,tvmb,to_app

(tS

(┐Reset(m,I)on(tS,t])∧(Reset(m,J)@tS)∧

(Jump(J,BIOS(m))@tb)(┐Jump(J,BIOS(m))

on(tS,tb))∧(Jump(J,OSLoader(m))@to)∧

(┐Jump(J,OSLoader(m))on(tb,to))∧

(Jump(J,VMM(m))@tv)∧

(┐Jump(J,VMM(m))on(to,tv))∧

(Jump(J,Dom0_Kernel(m))@td)∧

(┐Jump(J,Dom0_Kernel(m))on(tv,td))∧

(Jump(J,vTPM-Builder(m))@tvb)∧

(┐Jump(J,vTPM-Builder(m))on(td,tvb))∧

(Jump(J,vTPM-VM Binding(m))@tvv)∧

(┐Jump(J,vTPM-Builder(m))on(tvb,tvv))∧

(Jump(J,VM Binding(m))@tvmb)∧

(┐Jump(J,VM Builder(m))on(tvv,tvmb))∧

(Jump(J,VM Binding(m))@to_app)∧

(┐Jump(J,VM Builder(m))on(tvmb,to_app))

(3)

定理1即得證。

可信計(jì)算技術(shù)提供的度量擴(kuò)展機(jī)制能夠保證只有程序得到正確的內(nèi)存值時才能繼續(xù)運(yùn)行下一個程序，可確保程序是在無攻擊者存在的情況下運(yùn)行的。

3.2.3信任鏈遠(yuǎn)程驗(yàn)證

TVP-QT的m需要對外部挑戰(zhàn)者證明自身的信任屬性，需要證明MeasuredBootSRTM(m,t)成立，證明方法可參照上文以及文獻(xiàn)[33]，本文在此僅對驗(yàn)證程序進(jìn)行說明。m信任傳遞的遠(yuǎn)程驗(yàn)證過程中涉及到的程序，如程序2(Code Segment 2)所示。

Code Segment 2：

TPMSRTM(m)≡w=read m.pcr.s;

r=sign(PCR(s),w),AIK-1(m);

send r

Verifier(m)≡sig=recieve;

v=verify sig, AIK(m);

match v,(PCR(s),

seq(BIOS(m),OSLoader(m),VMM(m),

Dom0_Kernel(m),vTPM Builder(m),

vTPM-VM Binding(m),VM Builder(m)))

首先，m讀取存儲的PCR值，用AIK簽名(AIK-1(m))并將其發(fā)送給遠(yuǎn)程驗(yàn)證者R。然后，R驗(yàn)證該簽名，如果PCR值是匹配的，則說明m的可信屬性是值得信任的。在此過程中R與m應(yīng)是不同的實(shí)體，以保證該驗(yàn)證過程的有效性，避免驗(yàn)證過程的偽造。

這些前提條件形式化表示為:

{TPMSRTM(m),TPMDRTM(m)})}

(4)

3.3　可信銜接點(diǎn)TJP的本地驗(yàn)證及遠(yuǎn)程證明

本節(jié)根據(jù)2.2節(jié)對TVP-QT中的相關(guān)定義和說明，對可信銜接點(diǎn)TJP的動態(tài)度量機(jī)制進(jìn)行本地驗(yàn)證和遠(yuǎn)程證明的形式化描述。

3.3.1本地程序執(zhí)行

根據(jù)2.2節(jié)對TVP-QT中TJP信任屬性TPTJP定義以及TPvRT中對TCTJP的定義，其信任鏈本地執(zhí)行過程中涉及到的程序如程序3(Code Segment 3)所示。

Code Segment 3:

LatelaunchDTRM(vTPM-Builder) ≡vtb=read m.vTPM-Builder_loc;

Extend m.dpcr.d,m;

Jump vtb

…

vTPM-Builder(TJP)≡vvb=

read m.vTPM-VM-Binding_loc;

Extend m.dpcr.d,vvb;

Jump vvb

vTPM-VM Binding(TJP)≡vvmb=read m.VM-Builder_loc

Extend m.dpcr.d,vvmb;

Jump vvmb

VM-Builder(TJP)≡vtpmb=read m.vTPM_loc

Extend m.dpcr.d,vtpmB;

Jump vtpmb

vTPM(m)≡…

程序執(zhí)行流程：首先確保TJP的vTPM-Builder能正常加載。然后利用DRTM度量TJP的三個組件vTPM Builder、vTPM-VM Binding、VM Builder，從主機(jī)內(nèi)存地址中讀取vTPM Builder的代碼，將其擴(kuò)展到一個PCR中[19]；之后執(zhí)行命令Jump vtb將控制權(quán)交給vTPM Builder，按照上面的過程依次度量vTPM-VM Binding、VM Builder。

在此過程中，對TJP的動態(tài)度量必須在m啟動之后且創(chuàng)建vm之前，否則會導(dǎo)致TJP無法按順序正確度量。將其表示為:

Honest(TPMSRTM(m)?TJPDRTM(m)∧

TJPDRTM(m)?vTPMSRTM/DRTM(vm))

此外，TVP在啟動m時，相應(yīng)的線程K對必須能夠?qū)Ξ?dāng)前m對應(yīng)的PCR值有鎖控制，這種控制對潛在的攻擊者也成立，表示為:

ProtectedSRTM(m)=?t,K.(Reset(m,K)@t)?

(IsLocked((m.pcr.s,m.pcr.d),K)@)t

由于TJP 的vTPM Builder被抽象為一個單獨(dú)的應(yīng)用程序，利用Latelaunch(vTPM Builder)動態(tài)加載機(jī)制確保其可信執(zhí)行，即KDRTM成立[27]。

3.3.2本地可信屬性描述

基于定義2及TJP度量后的PCR和其中的每個組件存在的唯一性、確定性映射關(guān)系，可將TJP的本地信任傳遞屬性歸納為：TJP信任鏈加載程序執(zhí)行順序的正確性由最終產(chǎn)生的PCR值決定。即TJP的本地信任傳遞屬性就是要求所有相應(yīng)啟動程序如vTPM Builder、vTPM-VM Binding、VM Builder等都能按確定的先后順序加載。以LS2將這種順序形式化表示為:

MeasuredBootDRTM(TJP,t)=

?I∈m.?tvtb.?tvvb.?tvvmb.?tvtpmb.

?K.(tvtb

(Jump(K,vTPM Builder(TJP))@tvtb)∧

(Jump(K,vTPM-VM Binding(TJP))@tvvb)∧

(Jump(K,VM Builder(TJP))@tvvmb)∧

(Jump(K,vTPM(TJP))@tvtpmb)∧

(┐Reset(m)on(tvtb,t])(┐Jump(K)on(tvtb,tvvb))∧

(┐Jump(K)on(tvvb,tvvmb))∧

(┐Jump(K)on(tvvmb,tvtpmb))

(5)

式(5)表示：如果TVP基于信任鏈構(gòu)建TJP信任環(huán)境，則其啟動過程一定是從vTPM Builder跳轉(zhuǎn)到vTPM-VM Binding，然后到VM Builder，在程序執(zhí)行期間，程序啟動序列都有唯一的PCR值，并且不會有其他應(yīng)用程序或者組件執(zhí)行。需要證明的信任鏈本地信任屬性如下。

定理2如果TJP加載成功，且與該TJP加載過程對應(yīng)的PCR值為seq(vTPM Builder(TJP),vTPM-VM Binding(TJP),VM Builder(TJP))，那么該TJP的本地信任鏈傳遞過程就是唯一的、正確的，即確定地從vTPM Builder(TJP)到vTPM-VM Binding(TJP)再到VM Builder(TJP)。該信任屬性形式化表示為:

ProtectedDRTM(TJP)+

Mem(m.dpcr.d,seq(vTPM Builder(TJP),

vTPM-VM Binding(TJP),VM Builder(TJP)))?

MeasuredBootDRTM(TJP,t)

(6)

證明過程類似m的信任鏈本地可信屬性的證明，在此不再敘述。

3.3.3信任鏈遠(yuǎn)程驗(yàn)證

TVP-QT的TJP 需要向R證明自己在信任鏈傳遞過程中進(jìn)行可信度量的組件的信任屬性及構(gòu)建的可信執(zhí)行環(huán)境，需要證明MeasuredBootDRTM(TJP,t)成立。

1)遠(yuǎn)程驗(yàn)證程序執(zhí)行。

首先，根據(jù) TCG 遠(yuǎn)程證明協(xié)議規(guī)范及在虛擬化平臺中的實(shí)現(xiàn)，給出TJP 信任傳遞的遠(yuǎn)程驗(yàn)證過程中涉及到的程序，如程序4(Code Segment 4)所示。

Code Segment 4:

TPMDRTM(TJP)≡w=read m.pcr.d;

r=sign(PCR(s),w),AIK-1(m);

send r

Verifier(TJP)≡sig=recieve;

v=verify sig, AIK(m);

match v, (PCR(s),

seq(vTPM Builder(TJP),vTPM-VM

Binding(TJP),VM Builder(TJP)))

首先，m讀取本地TJP的PCR值，用AIK簽名(AIK-1(m))并將其發(fā)送給挑戰(zhàn)者。然后，由遠(yuǎn)程驗(yàn)證者R驗(yàn)證簽名，并用預(yù)期的度量值與收到的PCR值進(jìn)行匹配，驗(yàn)證TJP是否擁有可信屬性。在此過程中遠(yuǎn)程驗(yàn)證者與TJP所屬的主機(jī)m應(yīng)是不同實(shí)體。

這些前提條件形式化表示為:

2)信任鏈屬性的遠(yuǎn)程驗(yàn)證。

根據(jù)遠(yuǎn)程證明協(xié)議執(zhí)行流程，給出以下信任傳遞屬性的遠(yuǎn)程證明目標(biāo)。

定理3如果遠(yuǎn)程驗(yàn)證者確認(rèn)TJP提供的度量值是唯一的、正確的，那么該TJP對應(yīng)的PCR值一定是如下的確定序列seq(vTPM Builder(TJP),vTPM-VM Binding(TJP),VM Builder(TJP))，因?yàn)楦鶕?jù)定理2可知，該序列表明該虛擬機(jī)的確執(zhí)行了相應(yīng)的信任鏈傳遞過程。

形式化表示為：

(Mem(m.pcr.d,seq(vTPM Builder(TJP),

vTPM-VMBinding(TJP),VM Builder(TJP)))@t)

(7)

ΓDRTM，ProtectedSRTM(m)

MeasureBootDRTM(m,t)

(8)

證明過程類似m的信任鏈遠(yuǎn)程驗(yàn)證的證明，在此不再敘述。

4　實(shí)例系統(tǒng)分析與討論

本文基于Xen虛擬化平臺對TVP-QT信任鏈進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證和分析，如圖4所示。其中，vRT被分散在Dom0、vTPMmanager域和vTPM域。本章根據(jù)第2章中對TVP-QT信任鏈的描述，將TVP-QT信任鏈分為三部分，結(jié)合Xen 4.4系統(tǒng)，對這三部分信任鏈進(jìn)行實(shí)際的分析與討論。

對于第一部分，在Xen平臺硬件加電啟動之后，把CRTM作為整個信任鏈的起點(diǎn)，并由CRTM首先度量物理平臺BIOS和其他有關(guān)BIOS的配置，然后BIOS獲得系統(tǒng)的控制權(quán)并度量Xen的引導(dǎo)程序Grub，主要度量grub-xen(head.S, trampoline.S, x86_32.S)，Grub獲得控制權(quán)后會根據(jù)Xen的鏡像頭信息獲得入口地址Oxl0000后讀入Xen的鏡像，并對此鏡像和_startxen()進(jìn)行度量，然后把控制權(quán)交給Xen，Xen獲得信任之后對Dom0相關(guān)組件進(jìn)行度量，包括construct_dom0()、_start_32_、start_Kernel和LinuxOS鏡像等。然后把控制權(quán)交給Dom0。至此，第一部分可信引導(dǎo)結(jié)束。

圖4　基于Xen的TVP-QT系統(tǒng)Fig. 4　TVP-QT system based on Xen

對于第二部分，Dom0 Kernel獲得控制權(quán)后首先度量TJP的vTPM Builder，包括Xen中創(chuàng)建vTPMManager域的配置文件(.cfg)、vTPM Manger域(主要是MiniOS鏡像文件和vTPM Manger程序)以及啟動vTPM的vtpm-common.sh、vtpm-impl.sh等組件。然后把控制權(quán)交給vTPM Builder，vTPM Builder獲得控制權(quán)，對TJP的vTPM-VM Binding進(jìn)行度量，包括Xen中xl、xenstore、vtpmd、tpm-xen、vtpm_manager_handle等針對vTPM-VM綁定的組件。隨后vTPMBuilder把控制權(quán)交給vTPM-VM Binding，vTPM-VM Binding獲得控制權(quán)后，對TJP的最后的組件VM Builder進(jìn)行度量，包括Xen的xl、libxl(Xen4.1之后xl作為默認(rèn)的管理工具)等創(chuàng)建虛擬機(jī)所需的組件以及創(chuàng)建虛擬機(jī)的配置文件(.cfg)和虛擬機(jī)的鏡像文件(.img)。完成VM Builder可信度量后，VM Builder獲得信任鏈控制權(quán)。至此，第二部分可信信任鏈傳遞結(jié)束。

對于第三部分，完成度量VM Builder后，可以采用兩種方法對vTPM進(jìn)行度量，其一是靜態(tài)度量，其二是動態(tài)度量。如果采用靜態(tài)度量，控制權(quán)在VM Builder;如果采用動態(tài)度量，則控制權(quán)在物理TPM。但無論是靜態(tài)度量還是動態(tài)度量，度量的對象都是vTPM實(shí)例域，包括vTPM實(shí)例域的配置文件(.cfg)以及啟動文件(.img)和Mini OS、tpm instance等組件。由于DRTM技術(shù)受硬件廠商所限制，利用靜態(tài)度量方式對vTPM實(shí)例域進(jìn)行可信度量。VM Builder完成對vTPM實(shí)例域的度量后，把控制權(quán)交給vTPM實(shí)例域，vTPM實(shí)例域獲得控制權(quán)，對最后的DomU部分進(jìn)行可信度量，包括DomU啟動的內(nèi)核所需啟動信息頁的有關(guān)的xen.h、start_info、qemu-dm、qemu-xen、pc-bios等組件和Linux鏡像文件進(jìn)行度量。需要說明的是，Xen中虛擬機(jī)有關(guān)的BIOS、引導(dǎo)等組件是利用封裝在Xen中的Qemu實(shí)現(xiàn)的，所以需要對Xen中Qemu重要組件進(jìn)行可信度量，如qemu-io、qemu-img等。在DomU啟動相關(guān)組件完成度量之后，可信虛擬平臺最后一部分信任鏈完成可信度量和信任傳遞。

以上述實(shí)例系統(tǒng)為例完整展示了本文建立的通用抽象模型。值得注意的是，本實(shí)例系統(tǒng)的信任鏈得以正確傳遞需要滿足以下前提：

1)必須保障vRT:=TJP+vTPM自身的可信。在實(shí)例系統(tǒng)中，可信銜接點(diǎn)TJP包含的組件比較多，還涉及Dom0、vTPMManager和vTPM等域，需要度量的內(nèi)容多，不允許出現(xiàn)遺漏，特別是TJP和vTPM關(guān)鍵的組件和配置文件必須是被度量的對象。

2)必須確保TJP中的vTPM Builder、vTPM-VM Binding、VM Builder三個管理程序在啟動時按順序執(zhí)行。盡管vTPM Builder、vTPM-VM Binding和VM Builder是Dom0中的應(yīng)用程序，但必須保證按順序執(zhí)行才能度量結(jié)果。

5　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

基于Xen實(shí)現(xiàn)了TVP-QT的原型系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)和結(jié)果分析，對TVP-QT信任鏈進(jìn)行有效性驗(yàn)證和性能測試。下面對仿真實(shí)驗(yàn)的環(huán)境進(jìn)行描述。

使用TPM-Emulator對TPM功能進(jìn)行仿真模擬，實(shí)驗(yàn)的Xen VMM版本為Xen4.4.0[40-41]，實(shí)驗(yàn)物理平臺的配置為Intel Core i3 @3.4 GHz處理器，內(nèi)存為8 GB，物理存儲為1 TB。Dom0采用Ubuntu LTS14.04，內(nèi)核版本為Linux3.19.0，DomU使用類型為Ubuntu LTS14.04的半虛擬化虛擬機(jī)，內(nèi)存為4 GB，并且部署不同的應(yīng)用作為仿真實(shí)驗(yàn)的測試對比。

表2為TVP-QT實(shí)驗(yàn)環(huán)境所用物理平臺和DomU類型為Ubuntu的具體配置信息。

表2　物理平臺(Dom0)和用戶虛擬機(jī)(DomU-Ubuntu)配置Tab. 2　Configure infomation of Dom0 and (DomU-Ubuntu)

本文實(shí)驗(yàn)按照云計(jì)算環(huán)境實(shí)際建立了Dom0，DomU(Ubuntu LTS14.04)以及實(shí)驗(yàn)所需的vTPMManager域和vTPM實(shí)例域，它們的配置文件和啟動方式本文不再作詳細(xì)敘述。

5.1　TVP-QT信任鏈構(gòu)建

TVP-QT信任鏈利用哈希函數(shù)對信任鏈各層次的構(gòu)建模塊、功能組件或文件進(jìn)行哈希值存儲，計(jì)算Hash值作為新的完整性度量值存儲到PCR中[29]，描述如下：

New PCRi=Hash(Old PCRi‖New Value)

其中：Hash函數(shù)選用SHA- 1，‖表示連接符號。在實(shí)驗(yàn)中成功運(yùn)行虛擬機(jī)UbuntuTest1，按照表3的順序?qū)CR進(jìn)行存儲。其中PCR[0]～PCR[7]存儲TVP-QT信任鏈第一層到第二層TCB的可信度量信息；PCR[8]～PCR[10]分別存儲信任鏈中可信銜接點(diǎn)三個重要的組件的度量信息；PCR[11]～PCR[15]存儲vTPM實(shí)例域和用戶虛擬機(jī)信任鏈度量信息。具體的存儲情況如表3所示。

按照TVP-QT信任鏈順序存儲的信任鏈信息結(jié)果如圖5所示。一旦程序或文件內(nèi)容發(fā)生變化，下次執(zhí)行該程序或者打開該文件時，用戶虛擬機(jī)就可以根據(jù)PCR值的信息判斷平臺狀態(tài)是否可信。

表3　仿真實(shí)驗(yàn)PCR存儲情況Tab. 3　Storage of PCR in simulation experiment

圖5　 信任鏈PCR信息Fig. 5　PCR information of trust chain

5.2　TVP-QT性能測試及分析

與已有的TVP信任鏈模型相比，TVP-QT信任鏈模型增加了可信銜接點(diǎn)TJP，需要對其獨(dú)立度量并且?guī)眍~外的開銷。對于底層m信任鏈的構(gòu)建，TVP-QT信任鏈模型比已有的TVP信任鏈模型增加了對TJP的靜態(tài)度量；對于頂層vm信任鏈的構(gòu)建, TVP-QT信任鏈模型比已有的TVP信任鏈模型增加了對TJP的動態(tài)度量。

為此首先針對TVP-QT信任鏈構(gòu)建過程中有關(guān)主機(jī)m的信任鏈構(gòu)建進(jìn)行性能測試和結(jié)果分析，并與傳統(tǒng)的TVP架構(gòu)(圖1所示)進(jìn)行對比分析。

本節(jié)性能測試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境采用表1所描述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，并且在Dom0和DomU分別安裝一些常用軟件來模擬云計(jì)算開發(fā)環(huán)境和云用戶環(huán)境，比如Firefox[41]、WPS for Linux[42]、Wine[43]、Eclipse[44]等。下面本文分別針對在TVP-QT和傳統(tǒng)TVP下m、vm的信任鏈構(gòu)建實(shí)驗(yàn)，對性能方面進(jìn)行對比和分析。

5.2.1 信任鏈構(gòu)建的性能分析

傳統(tǒng)TVP信任鏈中主機(jī)m的信任鏈構(gòu)建過程為：

CRTM→BIOS→OSLoader→VMM→Dom0 OS Kernel →APP

TVP-QT中主機(jī)m的信任鏈構(gòu)建過程為：

CRTM→BIOS→OSLoader→VMM→Dom0 OS Kernel →

vTPM Builder →vTPM-VM Binding→VM Builder→

other_app

對以上兩條信任鏈進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，并記錄每次的完成時間,結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，雖然TVP-QT在主機(jī)m上比傳統(tǒng)TVP多了TJP的靜態(tài)度量，但是在時間上并沒有太大的多余開銷，對可信虛擬運(yùn)行的影響不大。所以，TJP的引入可以在保證可信虛擬平臺m相關(guān)組件實(shí)現(xiàn)完整度量的情況下，不會給平臺帶來太多的開銷。

圖6　m信任鏈構(gòu)建時間Fig. 6　Construction time of m trust chain

5.2.2vm信任鏈構(gòu)建的性能分析

傳統(tǒng)TVP信任鏈中vm的信任鏈構(gòu)建過程為:

INIT→VBIOS→VOSLoader→VMOS→APP

TVP-QT中主機(jī)vm的信任鏈構(gòu)建過程為：

(TJP)TPM_Dynamic→vTPM→VBIOS→VOSLoader→

VMOS→APP

對以上兩條信任鏈進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，并記錄每次的完成時間，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，TVP-QT相比傳統(tǒng)TVP下對vm的信任鏈構(gòu)建過程，也僅僅多了由TJP帶來的額外開銷，可以保證對vm可信度量后的正常啟動。

圖7　vm信任鏈構(gòu)建時間Fig. 7　Construction time of vm trust chain

綜上對TVP-QT與TVP信任鏈構(gòu)建過程的對比實(shí)驗(yàn)來看，帶有可信銜接點(diǎn)TJP的可信虛擬平臺TVP-QT能夠保證在對整個平臺帶來足夠小開銷的情況下實(shí)現(xiàn)對平臺的可信度量，保證了虛擬化環(huán)境的安全可信。

6　結(jié)語

利用可信計(jì)算技術(shù)構(gòu)建可信虛擬平臺并且構(gòu)建信任鏈模型是目前解決云計(jì)算安全一個重要的研究方向。本文為了解決已有TVP模型過粗且邏輯不完全合理，而且還存在底層虛擬化平臺和頂層用戶虛擬機(jī)兩條分離的信任鏈等問題，提出了一種具有可信銜接點(diǎn)的TVP-QT模型，對TVP-QT中的功能組件及其信任屬性進(jìn)行詳細(xì)定義，并結(jié)合可信銜接點(diǎn)在TVP-QT建立從虛擬化平臺硬件TPM開始的完整信任鏈模型TVP-QT。最后，本文基于Xen VMM實(shí)現(xiàn)了TVP-QT原型系統(tǒng)，并對TVP-QT信任鏈的構(gòu)建過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述，通過仿真實(shí)驗(yàn)對TVP-QT及其信任鏈的有效性和性能等進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了該信任鏈的正確性和有效性。

參考文獻(xiàn):

[1]林闖,蘇文博,孟坤,等.云計(jì)算安全:架構(gòu)、機(jī)制與模型評價[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào),2013,36(9):1765-1784. (LIN C, SU W B, MENG K, et al. Cloud computing security: architecture, mechanism and modeling [J]. Chinese Journal of Computers, 2013, 36(9): 1765-1784.)

[2]俞能海,郝卓,徐甲甲,等.云安全研究進(jìn)展綜述[J]. 電子學(xué)報(bào),2013,41(2):371-381. (YU N H, HAO Z, XU J J, et al. Review of cloud computing security [J]. Acta Electronica Sinica, 2013, 41(2): 371-381.)

[3]ALI M, KHAN S U, VASILAKOS A V. Security in cloud computing: opportunities and challenges [J]. Information Science, 2015, 305: 357-383.)

[4]XU P, CHEN H, ZOU D, et al. Fine-grained and heterogeneous proxy re-encryption for secure cloud storage [J]. Chinese Science Bulletin, 2014, 59(32): 4201-4209.

[5]XIANG S, ZHAO B, YANG A, et al. Dynamic measurement protocol in infrastructure as a service [J]. Tsinghua Science and Technology, 2014, 19(5): 470-477.

[6]YU F, ZHANG H, ZHAO B, et al. A formal analysis of trusted platform module 2.0 hash-based message authentication code authorization under digital rights management scenario [J]. Security and Communication Networks, 2015, 9(15): 2802-2815.

[7]譚良,徐志偉.基于可信計(jì)算平臺的信任鏈傳遞研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)科學(xué),2008,35(10):15-18. (TAN L, XU Z W. Development of the transitive trusted chain based on TPM [J]. Computer Science, 2008, 35(10): 15-18.)

[8]徐明迪,張煥國,張帆,等.可信系統(tǒng)信任鏈研究綜述[J].電子學(xué)報(bào),2014,42(10):2024-2031. (XU M D, ZHANG H G, ZHANG F, et al. Survey on chain of trust of trusted system [J]. Acta Electronica Sinica, 2014, 42(10): 2024-2031.)

[9]譚良,陳菊,周明天.可信終端動態(tài)運(yùn)行環(huán)境的可信證據(jù)收集機(jī)制[J]. 電子學(xué)報(bào),2013,41(1):77-85. (TAN L, CHEN J, ZHOU M T. Trustworthiness evidence collection mechanism of running dynamic environment of trusted terminal[J]. Acta Electronica Sinica, 2013, 41(1): 77-85.)

[10]于愛民,馮登國,汪丹.基于屬性的遠(yuǎn)程證明模型[J].通信學(xué)報(bào),2010,31(8):1-8. (YU A M, FENG D G, WANG D. Property-based remote attestation model [J]. Journal on Communications, 2010, 31(8):1-8.)

[11]譚良,陳菊.一種可信終端運(yùn)行環(huán)境遠(yuǎn)程證明方案[J].軟件學(xué)報(bào),2014,25(6):1273-1290. (TAN L, CHEN J. Remote attestation project of the running environment of the trusted terminal [J]. Journal of Software, 2014, 25(6): 1273-1290.)

[13]DALTON C I, PLAQUIN D, WEIDNER W, et al. Trusted virtual platforms: a key enabler for converged client devices [J]. ACM SIGOPS Operating Systems Review, 2009, 43(1): 36-43.

[15]KRAUTHEIM F J, PHATAK D S, SHERMAN A T. Introducing the trusted virtual environment module: a new mechanism for rooting trust in cloud computing [C]// TRUST’10: Proceedings of the 3rd International Conference on Trust and Trustworthy Computing， LNCS 6101. Berlin: Springer, 2010: 211-227.

[16]王麗娜,高漢軍,余榮威,等.基于信任擴(kuò)展的可信虛擬執(zhí)行環(huán)境構(gòu)建方法研究[J].通信學(xué)報(bào),2011,32(9):1-8. (WANG L N, GAO H J, YU R W, et al. Research of constructing trusted virtual execution environment based on trust extension[J]. Journal on Communications, 2011, 32(9): 1-8.)

[17]GARFINKEL T, PFAFF B, CHOW J, et al. Terra: a virtual machine-based platform for trusted computing [C]// SOSP ’03: Proceedings of the Nineteenth ACM Symposium on Operating Systems Principles. New York: ACM, 2003: 193-206.

[18]PFITZMANN B, RIORDAN J, STüBLE C, et al. The PERSEUS system architecture, IBM Research Report RZ 3335 (#93381)[R]. Zurich: IBM Research, 2001.

[19]常德顯,馮登國,秦宇,等.基于擴(kuò)展LS2的可信虛擬平臺信任鏈分析[J].通信學(xué)報(bào),2013,34(5):31-41. (CHANG D X, FENG D G, QIN Y, et al. Analyzing the trust chain of trusted virtualization platform based on the extended LS2[J]. Journal on Communications, 2013, 34(5): 31-41.)

[20]ZHANG L, CHEN X, LIU L, et al. Trusted domain hierarchical model based on noninterference theory [J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications, 2015, 22(4): 7-16.

[21]YU Z, ZHANG W, DAI H, et al. A trusted architecture for virtual machines on cloud servers with trusted platform module and certificate authority [J]. Journal of Signal Processing Systems, 2017, 86(2/3): 327-336.

[22]池亞平,李欣,王艷,等.基于KVM的可信虛擬化平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2016,37(6):1451-1455. (CHI Y P, LI X, WANG Y, et al. KVM-based trusted virtualization platform design and implementation[J]. Computer Engineering and Design, 2016, 37(6): 1451-1455.)

[23]李海威,范博,李文鋒.一種可信虛擬平臺構(gòu)建方法的研究和改進(jìn)[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全,2015(1):1-5. (LI H W, FAN B, LI W F. Research and improvement on constructing method of a trusted virtualization platform [J]. Netinfo Security, 2015(1): 1-5.)

[24]徐天琦,劉淑芬,韓璐.基于KVM的可信虛擬化架構(gòu)模型[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2014,52(3):531-534. (XU T Q, LIU S F, HAN L. KVM-based trusted virtualization architecture model [J]. Journal of Jilin University (Science Edition), 2014， 52(3): 531-534.)

[25]楊麗芳,劉琳.基于虛擬機(jī)的可信計(jì)算安全平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù),2014,33(2):170-172. (YANG L F, LIU L. Design of trusted computing security platform architecture based on virtual machine [J]. Coal Technology, 2014, 33(2): 170-172.)

[26]蔡誼,左曉棟.面向虛擬化技術(shù)的可信計(jì)算平臺研究[J].信息安全與通信保密,2013(6):77-79. (CAI Y, ZUO X D. Trusted computing platform for virtualization technology [J]. Information Security and Communications Privacy, 2013(6): 77-79.)

[27]SCARLATA V, ROZAS C, WISEMAN M, et al. TPM virtualization: building a general framework [M]// Trusted Computing. [S.l.]: Vieweg+Teubner, 2007, 2007: 43-56.

[28]KRAUTHEIM F J, PHATAK D S, SHERMAN A T. Introducing the trusted virtual environment module: a new mechanism for rooting trust in cloud computing [C]// TRUST 2010: Proceedings of the 3rd International Conference on Trust and Trustworthy Computing, LNCS 6101. Berlin: Springer, 2010: 211-227.

[29]SHEN C, ZHANG H, WANG H, et al. Research on trusted computing and its development [J]. Science China Information Sciences, 2010, 53(3): 405-433.

[30]朱智強(qiáng).混合云服務(wù)安全若干理論與關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢:武漢大學(xué),2011:91-117. (ZHU Z Q. The research on some theories and key technologes of hybrid cloud computing security [D]. Wuhan: Wuhan University, 2011: 91-117.)

[31]曲文濤.虛擬機(jī)系統(tǒng)的可信檢測與度量[D].上海:上海交通大學(xué),2010. (QU W T. Trusted detect and measure for virtual machine system[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2010.)

[32]BARTHE G, BETARTE G, CAMPO J D, et al. Formally verifying isolation and availability in an idealized model of virtualization [C]// FM 2011: Proceedings of the 17th International Symposium on Formal Methods, LNCS 6664. Berlin: Springer, 2011: 231-245.

[33]DATTA A, FRANKLIN J, GARG D, et al. A logic of secure systems and its application to trusted computing [C]// SP ’09: Proceedings of the 2009 30th IEEE Symposium on Security and Privacy. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2009: 221-236.

[34]CHEN G, JIN H, ZOU D, et al. SafeStack: automatically patching stack-based buffer overflow vulnerabilities [J]. IEEE Transactions on Dependable and Secure Computing, 2013, 10(6): 368-379.

[35]VERMEULEN S. SELinux Cookbook [M]// Birmingham, UK: Packet Publishing, 2014: 2-9.

[36]VARMA P D K, RADHA V. Prevention of buffer overflow attacks using advanced stackguard [C]// Proceedings of 2010 International Conference on Advances in Communication, Network, and Computing. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2010: 357-359.

[37]WANG Z, JIANG X. HyperSafe: a lightweight approach to provide lifetime hypervisor control-flow integrity [C]// SP ’10: Proceedings of the 2010 IEEE Symposium on Security and Privacy. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2010: 380-395.

[38]McCUNE J M, LI Y, QU N, et al. TrustVisor: efficient TCB reduction and attestation [C]// SP ’10: Proceedings of the 2010 IEEE Symposium on Security and Privacy. Washington, DC: IEEE Computer Society, 2010: 143-158.

[39]TAKEMURA C, CRAWFORD L S. The Book of Xen: A Practical Guide for the System Administrator [M]. San Francisco, CA: No Starch Press, 2009: 2-15.

[40]Xen Project. The Xen Project, the powerful open source industry standard for virtualization [EB/OL]. [2017- 03- 22]. http://www.xenproject.org.

[41]Mozilla Firefox Ltd. The new, fast browser for Mac, PC and Linux | Firefox [EB/OL]. [2017- 04- 12]. https://www.mozilla.org/en-US/firefox/#.

[42]Kingsoft Office Software. Best office run on Linux platform, WPS Office for Linux [EB/OL]. [2017- 05- 05]. https://www.wps.com/linux?from=download_page.

[43]CodeWeavers Inc. WineHQ — Run Windows applications on Linux, BSD, Solaris and macOS [EB/OL]. [2017- 04- 12]. https://www.winehq.org/.

[44]The Eclipse Foundation. Eclipse [EB/OL]. [2017- 04- 02]. https://www.eclipse.org/downloads/.