操作系统的可信计算与安全验证技术
可信计算的研究与发展
可信计算的研究与发展一、概述随着信息技术的快速发展，计算机和网络系统已经成为现代社会不可或缺的基础设施。
这些技术的广泛应用也带来了严重的信息安全问题，如数据泄露、恶意软件攻击、网络钓鱼等。
为了应对这些挑战，可信计算（Trusted Computing）技术应运而生。
可信计算是一种通过硬件和软件结合，确保计算机系统自身安全可信，从而保护存储在其中的信息不被非法访问和篡改的技术。
可信计算技术起源于上世纪末，随着计算机体系结构的演进和信息安全需求的提升，其研究和发展逐渐受到全球范围内的关注。
作为一种综合性的安全防护机制，可信计算旨在构建一个安全可信的计算环境，使得计算机系统在执行关键任务时能够抵御各种安全威胁。
近年来，可信计算技术取得了显著的进展。
一方面，可信计算平台（Trusted Platform Module，TPM）的广泛应用为计算机系统提供了硬件级别的安全支持另一方面，可信计算软件技术（如可信操作系统、可信数据库等）的不断发展，为上层应用提供了更加安全可靠的运行环境。
可信计算技术还涉及到了密码学、访问控制、身份认证等多个领域，形成了一套完整的安全防护体系。
尽管可信计算技术取得了显著的研究成果，但其在实际应用中仍面临着诸多挑战。
例如，如何确保TPM的安全性和可靠性、如何平衡系统性能与安全性之间的矛盾、如何适应不断变化的安全威胁等。
未来可信计算技术的研究和发展仍需要不断探索和创新，以满足日益增长的信息安全需求。
本文将对可信计算技术的研究与发展进行综述，分析当前的研究热点和难点问题，并展望未来的发展趋势。
通过对可信计算技术的深入了解和研究，有望为信息安全领域的发展提供新的思路和方向。
1. 可信计算的概念定义可信计算（Trusted Computing）是一种计算模式，旨在增强计算机系统的安全性、可靠性和完整性。
其核心思想是在硬件、软件和系统之间建立一个可信任的基础，以确保数据和代码在执行过程中的保密性、完整性和可用性。
可信计算技术研究
可信计算技术研究【摘要】计算机系统和网络的安全问题不仅仅来源于网络，同时也来源于计算机硬件终端。
为解决这一问题，可信计算技术成为了研究的热点。
【关键词】计算机系统；可信计算；技术研究前言文章介绍了可信计算的发展历程，可信技术平台的体系结构，以及可信技术的应用。
同时结合自身实践经验和相关理论知识，提出了可信计算的内部网安全解决方案。
二、可信计算的发展历程2000年12月美国卡内基梅隆大学(CMU)与美国国家宇航总署(NASA)的Ames研究中心牵头成立了高可信计算联盟。
现在，微软、英特尔和有190家公司参加的可信计算平台联盟(TCPA)都在致力于数据安全的可信计算。
2003年4月，TCPA重组为“可信计算组织”。
TCG在原TCPA强调安全硬件平台构建的基础之上，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，促进不依赖特定厂商的可信计算平台工作标准的制定。
目前该组织已经完成了TCG Specification1．2的标准制定，该标准为未来的可信计算勾勒出了大体的框架。
可信计算框架的主要思路就是在目前各种终端(包含PC机、手机以及其他智能终端设备等)的硬件平台上增加可信架构未提高终端系统的安全性。
换句话说，就是在终端系统中加入一个可信的第三方，通过第三方对终端系统的度量以及约束机制来保证终端系统的可信。
终端可信的核心是称为可信平台模块的可信芯片。
三、可信技术平台的体系结构可信平台是以TPM为核心，将CPU、操作系统、应用软件、网络基础设备融为一体的完整体系结构。
整个体系主要分为3层：TPM、TSS和应用软件。
1.TPMTPM是一种S0C芯片，它是可信计算平台的信任根(可信存储根和可信报告根)，其结构如图2所示。
它由CPU、存储器、I／O、密码协处理器、随机数产生器和嵌入式操作系统等部件组成。
TPM至少需要具备4个主要功能：对称／非对称加密、安全存储、完整性度量和签名认证。
TCG&可信计算(ypf)
要摆脱这种不合理的现状，需要改变思维方式， 从终端开始防范攻击。 如果信息系统中每个使用者都经过认证和授权， 其操作都符合规定，就不会产生攻击性事故。 从终端入手研究可信平台模块(Trusted Platform Module) 、可信平台、可信网络到 可信Internet，是从根本上解决当前信息安全 问题的途径。
可信计算的沿革
1999年10月由国际几大IT巨头Compaq、HP、 IBM、Intel和Microsoft牵头组织了可信计算 平台联盟TCPA (Trusted Computing Platform Alliance)，成员达190家，遍布全 球各大洲主力厂商。主要是为了解决PC架构上的 不安全，从基础上提高其可信性。
TPM 非易失性 储存 I/O 执行引擎 操作系统 程序代码 可选状态配置 易失性 储存 SHA-1 协处理器 随机数生成器 AIK
平台配置 寄存器
RSA 协处理器
RSA 密钥生成
4.1 可信计算平台的体系结构
整个体系主要可以分为三层：TPM、TSS[1]和应用软 件。TSS处在TPM之上，应用软件之下，称作可信软 件栈，它提供了应用程序访问TPM的接口，同时进行对 TPM的管理。 TSS分为四层：工作在用户态的TSP[2]、TCS[3]、 TDDL[4]和内核态的TDD[5]。
4、软件栈规范(TSS Specifications)
TSS Specification设计了支持TPM的软件服务层的结 构，定义了各层之间的接口，规范了各个角色对于TSS的 操作权限。该规范定义了TCG软件开发接口，中间的服务 接口。
5、可信网络连接规范（Trusted Network Connect Specifications）
可信计算的沿革
6可信计算基础-加密与认证技术
数字证书（续）
• 证书的内容(证书格式遵循 X.509国际标准) —证书的数据：版本信息、证书序列号、CA使用的签名算 法、发行证书CA的名称、证书的有效期、被证明的公钥信 息 —发行证书的CA签名：CA签名和签名算法 • 证书的有效性 —证书没有过期 —密钥没有修改 —用户仍然有权使用这个密钥 —CA负责回收证书，发行无效证书清单 • 证书使用 证书帮助证实个人身份，你的证书和你的密钥就是你是谁 的证据
加密技术
明文P
加密算 法E
密文C
解密算 法D
明文P
加密密钥Ke
解密密钥Kd
单钥(对称密钥、秘密密钥)加密算法
• 对信息的加密、解迷密使用相同的密钥
– C=E(P, K), P=D(C, K)
• 代表：DES、3DES、和 IDEA • 优点：简单、速度快 • 问题：
– 密钥的分发 – 密钥的管理
CA的基本功能
• 生成和保管符合安全认证协议要求的公共和私 有密钥、数字证书及其数字签名 • 对数字证书和数字签名进行验证 • 对数字证书进行管理，重点是证书的撤消管理， 同时追求实施自动管理（非手工管理） • 建立应用接口，特别是支付接口。CA是否具有 支付接口是能否支持电子商务的关键
证书的树形验证机构
信息认证（Authentication）
内容
—确认信息的来源
技术
数字签名技术 身份认证技术 数字签名技术 时间戳 消息的流水作业号
—验证信息内容的完整性
—确认信息的序号和时间
身份认证
• 目标： 可信性、完整性、不可抵赖性、访问控制 • 基本方式
—用户所知道的某个秘密信息（如口令） —用户所持有的某个秘密信息或硬件（如智能卡） —用户所具有的某些生物学特征（如指纹）
可信计算芯片
可信计算芯片可信计算芯片（Trusted Computing Chip）是一种集成了可信计算相关技术的芯片，旨在提供更高的安全性和保护用户数据的能力。
可信计算芯片通常包括可信计算模块（Trusted Computing Module，TCM）和密钥管理模块（Key Management Module，KMM）等关键组件。
可信计算芯片的主要目标是保护计算机系统的完整性、机密性和可用性。
它通过使用硬件和软件技术来确保计算机系统的各种组件的安全性。
可信计算芯片的核心功能包括：提供可信启动，确保系统在启动过程中没有被篡改；提供硬件级别的加密和解密功能，保护用户数据的机密性；提供硬件级别的数字签名和认证功能，确保系统资源和软件程序的完整性；提供防篡改功能，一旦系统被篡改，就会自动断电以保护用户数据；提供指定白名单功能，只有被授权的软件程序才能运行在系统中，防止恶意软件的运行。
可信计算芯片通常使用硬件级别的安全隔离技术来保护关键数据和运行环境。
它将敏感信息储存在一个专门的安全区域内，该区域与普通的计算环境相隔离，只有经过授权的软件程序才能访问。
这种安全隔离技术能够有效防止恶意软件的攻击和用户数据的泄露。
可信计算芯片还提供了硬件级别的密钥管理功能。
它可以生成、存储和管理密钥，确保密钥的安全性和机密性。
同时，它还提供了硬件级别的密钥交换和认证功能，能够确保通信过程中的数据安全。
可信计算芯片还具有自我保护和追溯功能。
它能够自动检测和抵御各种攻击，包括物理攻击、软件攻击和网络攻击等。
同时，它还可以记录和追溯所有的安全事件和操作，提供审计和安全检测的能力。
总的来说，可信计算芯片是一种集成了可信计算相关技术的芯片，能够提供更高的安全性和保护用户数据的能力。
它通过使用硬件和软件技术来确保计算机系统的各种组件的安全性和完整性。
可信计算芯片在保护计算机系统的完整性、机密性和可用性方面具有重要的作用，并广泛应用于云计算、物联网等领域。
第6章操作系统安全技术
传递性: 传递性: 若a≤b且b≤c,则a≤c 且 , 非对称性: 非对称性 若a≤b且b≤a,则a=b 且 , 代表实体, 代表主体, 代表敏 若引入符号 O 代表实体,S 代表主体,≤代表敏 感实体与主体的关系,我们有: 感实体与主体的关系,我们有 O≤S 当且仅当 密级 密级 并且 隔离组 隔 密级O≤密级 密级S 隔离组O≤隔 离组S 离组 关系≤限制了敏感性及主体能够存取的信息内容 限制了敏感性及主体能够存取的信息内容, 关系 限制了敏感性及主体能够存取的信息内容, 只有当主体的许可证级别至少与该信息的级别一样 高,且主体必须知道信息分类的所有隔离组时才能 够存取. 够存取.
单层模型模型有一定的局限性, 单层模型模型有一定的局限性 , 在现代操作系统 的设计中,使用了多级安全模型, 的设计中 , 使用了多级安全模型 , 信息流模型在其 中得到了深入的应用.如著名的Bell-LaPadula模型 中得到了深入的应用 . 如著名的 模型 模型. 和Biba模型. 模型
2. 多层网格模型
6.2 操作系统的 安全设计
开发一个安全的操作可分为如下四个阶段: 开发一个安全的操作可分为如下四个阶段:建立安 全模型,进行系统设计,可信度检查和系统实现. 全模型,进行系统设计,可信度检查和系统实现. 实现安全操作系统设计的方法有两种:一种是专门 实现安全操作系统设计的方法有两种: 针对安全性面设计的操作系统; 针对安全性面设计的操作系统 ;另一种是将安全特性 加入到期目前的操作系统中. 加入到期目前的操作系统中.
(3)加拿大的评价标准(CTCPEC) )加拿大的评价标准( ) 加拿大的评价标准(CTCPEC)的适用范围:政府部 门.该标准与ITSCE相似,将安全分为两个部分:功能 性需求和保证性需求 (4)美国联邦准则(FC) )美国联邦准则( ) 美国联邦准则(FC)是对TCSEC的升级,在该标准中引 入了"保护轮廓"(PP)的概念,其每个保护轮廓包括: 功能,开发保证和评价. (5)国际通用准则(CC) )国际通用准则( ) 国际通用准则(CC)是国际标准化组织对现行多种安全 标准统一的结果,是目前最全面的安全主价标准.CC的 第一版是在1966年6月发布的,第二版是在1999年6月发 布的,1999年10月发布了CC V2.1版,并成为ISO标准. 该标准的主要思想和框架结构取自ITSEC和FC,并允分 突出"保护轮廓"的相思.CC将评估过程分为:功能和 保证;评估等级分为:EAL1~EAL7
可信计算概念、标准与技术
服务器规范
• 是服务器的总体规范，内容包括：在server环境中用到的专用术语总结、server平台的TPM需求、针对server平 台的主规范分析、server环境下TBB的定义及需求、引导过程中PCR的使用
基础设施工作组 ：因特网及企业基础设施中符合TCG特定平台规范的可信平台的集成，在混合的环境下实现各种商业模式。 • 信任决策信息的规范化的表示与交换。 • 研究平台信任根、信任链、密钥生存期服务，表示它们与所有者策略之间的关系 • 建立一个体系结构框架、接口、元数据弥补基础设施之间的差距
TNC子工作组：基础设施工作组的一个子工作组 • 发布一个开放的体系结构（在网络连接时或之后实施策略，各种终端节点、网络技术、策略之间可以相互交互） • 发布一系列终端完整性标准。
安全审计
攻击行为 赖不掉
攻击者进不去 标识与鉴别
窃取保密信息 看不懂
数据加密
系统工作瘫不成
可用性 资源管理+安全管理
什么是可信
• 如果针对某个特定的目的，实体的行为与预期的行为相符，则称针对这个目的， 该实体是可信的。
对建立可信计算环境的需求
• 商业运行、社会基础设施运行、个人越来越依赖于IT计算环境。 • IT计算环境面临越来越多的安全威胁。 • 安全可信问题已经成为普适计算、云计算等新型计算模式真正实现的瓶颈。 • 现技术因成本、可管理性、向后兼容性、性能、可移植性等问题无法被广泛采纳。
三. TCG现有标准规范介绍
TCG的文档路线图
三. TCG现有标准规范介绍
现有规范介绍
等保2.0中的可信计算
打造自主可控，安全可信的计算环境
可信计算3.0的防护措施
u对 “自己”与“非己”的识别
u 梳理系统的安装、 部署和运维，确定“自己”部分。 u 通过制定策略来让网络系统明确 “自己”部分。 u 以密码机制为基因，确保策略的可信和识别的可靠。
u对 “非己”的控制
u 不需要对系统合法流程的修改。 u 通过访问控制机制实施对“非己”行为的直接控制。 u 通过可信密码机制让敏感数据免受“非己”的破坏。 u 通过审计机制让“非己”无法消除行为痕迹。
等保2.0中的可信计算
可信计算技术介绍 可信计算的发展与创新 等保2.0中的可信计算要求 等保2.0可信计算技术分析
打造自主可控，安全可信的计算环境
可信计算技术介绍
2
打造自主可控，安全可信的计算环境
可信的基本概念
u “可信”指的是可预期性
u 信息安全的“可信”则是指实现信息安全“五性”的安全功能逻辑的可预期 性。
控，不被干扰，只有这样方能使计算结果总是与预期一样。 u 安全防护由可信子系统执行，独立于原系统，以保证安全防护执行逻辑的安
全性与自主性，并减少对原系统的干扰。
10
打造自主可控，安全可信的计算环境
可信是网络空间安全对抗现实的要求
u网络空间安全面临严峻挑战 u“封堵查杀”等被动防御措施不能解决安全问题 u依托主动免疫的安全防护框架，保护网络空间安全
u从地基开始，一层一层地搭建起坚固的防护体系
u 可信计算中的“地基”，是一个以物理防护和密码技术为基础的“可信根”。 u 从可信根开始，一层层向上进行信任扩展，是实现整个网络环境可信的基本方
法。
9
打造自主可控，安全可信的计算环境
可信计算3.0的基本思想
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操作系统的可信计算与安全验证技术随着信息技术的迅猛发展，计算机操作系统作为软硬件交互的关键部分，面临着越来越严峻的安全挑战。
为确保计算机系统的运行稳定性和安全性，研究人员不断探索可信计算与安全验证技术。
本文将介绍可信计算的概念和目标，以及常见的安全验证技术。
一、可信计算的概念和目标
可信计算是指对计算机系统的完整性、机密性和可用性进行验证和保障的一种技术手段。
其目标是建立起一个可信赖的计算环境，确保计算系统在面临各种攻击和恶意软件时能够保持稳定、安全运行。
可信计算的基本原理是通过硬件和软件的相互协作，实现对计算机系统的全方位保护。
具体来说，可信计算主要关注以下几个方面：
1. 身份认证：确保用户和系统之间的身份识别和验证，防止未经授权的访问和操作。
2. 数据保密性：加密算法和访问控制机制可以有效保护数据的机密性，防止数据泄露。
3. 防篡改与完整性验证：采用数字签名、哈希校验等技术保证计算机系统和软件的完整性，防止被篡改或者插入恶意代码。
4. 安全启动过程：验证系统引导过程的完整性和信任性，保证系统启动时不受恶意软件的影响。
二、安全验证技术
为了实现可信计算的目标，研究人员提出了多种安全验证技术。
下
面将介绍其中较为常见的几种技术。
1. 可信平台模块（TPM）
可信平台模块是一种硬件组件，它集成了加密、身份认证、密钥管
理等功能，用于保护系统的整体安全性。
TPM可以生成和存储密钥，
验证系统启动过程的完整性，并为认证和访问控制提供支持。
2. 安全启动技术
安全启动技术确保系统在启动过程中没有被篡改。
其中，UEFI（统一的可扩展固件接口）替代了传统的BIOS，提供了更安全的启动环境。
Secure Boot技术则确保固件和操作系统启动过程中的可信性，防止恶
意软件的注入。
3. 虚拟化安全
虚拟化技术在云计算等场景中得到广泛应用，但也面临着安全性挑战。
为了保障虚拟机（VM）的安全，研究人员提出了多种技术，如虚
拟化安全监控器、虚拟机隔离、虚拟机快照等。
4. 安全审计与日志管理
安全审计和日志管理是对系统操作和事件进行监控和记录，以便检
测和跟踪潜在的安全威胁。
通过对日志进行分析和审计，可以及时发
现异常行为，并确保系统在遭受攻击时能够做出应对。
三、操作系统的可信计算与安全验证技术应用
在实际应用中，可信计算与安全验证技术已经被广泛应用于操作系统中，以保护系统的安全性和可靠性。
1. 银行系统
银行系统是一个资金安全性要求非常高的领域，可信计算和安全验证技术在银行系统中的应用非常重要。
通过身份认证、数据加密和完整性验证等技术，确保用户的账户和交易信息得到保护，防止恶意攻击和信息泄露。
2. 云计算平台
云计算平台为用户提供了弹性的计算和存储资源，但同时也面临着安全隐患。
可信计算和安全验证技术在云计算平台中的应用可以确保虚拟机之间的隔离、数据的机密性和完整性，并对恶意行为进行监测和预防。
3. 物联网系统
物联网系统涉及到大量的设备和传感器，如果这些设备受到攻击，将对用户的隐私和安全造成威胁。
通过可信计算和安全验证技术，可以对物联网系统进行身份识别、设备认证和通信加密，保障设备和数据的安全。
四、结语
可信计算与安全验证技术是保障计算机操作系统安全的重要手段。
通过在硬件和软件层面上的相互配合，可以确保系统的完整性、机密
性和可用性，有效地抵御各种攻击和威胁。
在未来的发展中，可信计算和安全验证技术还将不断创新，以适应新型威胁和挑战。