一種可信計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘　要:可信計(jì)算機(jī)是目前計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的研究,在通用計(jì)算機(jī)的主板上內(nèi)置一個(gè)嵌入式安全系統(tǒng)ESM ,通過(guò)在通用計(jì)算機(jī)內(nèi)部增加硬件和軟件控制來(lái)增強(qiáng)通用計(jì)算機(jī)的安全性,從而達(dá)到建立一個(gè)可信計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的要求。ESM 包括一個(gè)硬件模塊和一個(gè)微型的操作系統(tǒng),設(shè)計(jì)靈活,擴(kuò)充性好,能將計(jì)算機(jī)的功能進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大和延伸,使其成為一個(gè)更加安全可靠,并且適用范圍更廣的安全計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

計(jì)算機(jī)的安全涉及從計(jì)算機(jī)底層硬件一直到應(yīng)用程序的各個(gè)環(huán)節(jié)。為了增強(qiáng)計(jì)算的安全性,從計(jì)算機(jī)底層到應(yīng)用程序、從硬件到軟件必須有一套完整的安全設(shè)計(jì)方案。如何從計(jì)算機(jī)底層硬件體系結(jié)構(gòu)入手,增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的安全性,是研究熱點(diǎn)之一。通過(guò)對(duì)可信技術(shù)[122 ]的研究,結(jié)合嵌入式技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式方式的可信計(jì)算機(jī)方案,該方案在通用計(jì)算機(jī)主板上嵌入一個(gè)嵌入式安全模塊ESM ( Embedded Security Module) ,從而能夠從硬件底層到操作系統(tǒng)、從硬件到軟件都做出改進(jìn),構(gòu)成一個(gè)較完整的安全體系結(jié)構(gòu)。ESM 模塊將計(jì)算機(jī)的功能進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大和延伸?；谶@一系統(tǒng),能夠開(kāi)發(fā)出一個(gè)更加安全可靠,并且適用范圍更廣的可信計(jì)算機(jī)。

1 ESM 概述

目前嵌入式系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[324 ] 。ESM 也是一個(gè)成功應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)。代寫(xiě)畢業(yè)論文從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō),ESM 主要由一個(gè)嵌入式硬件模塊和一個(gè)微型的嵌入式操作系統(tǒng)JetOS 組成。ESM 是嵌入在主板上的,并從硬件上增加了對(duì)主板上南橋芯片的直接控制能力。同時(shí),它還控制著一個(gè)智能卡接口,任何用戶使用計(jì)算機(jī)必須插入表明其身份的智能卡以后才能正常加電啟動(dòng)計(jì)算機(jī)。通過(guò)這2 個(gè)重要的硬件改進(jìn),結(jié)合其內(nèi)部的JetOS ,ESM 能夠自如地控制主機(jī)上的資源以及使用者的權(quán)限。從而使整個(gè)系統(tǒng)的安全性得到了很大的增強(qiáng)。ESM 的軟件核心是JetOS。JetOS 本身采用了一定的安全策略以達(dá)到用戶安全使用計(jì)算機(jī)的目的,JetOS 與主機(jī)采用雙向通訊的方式。JetOS 通過(guò)接收主機(jī)OS 的各種命令調(diào)用,然后返回處理結(jié)果來(lái)提供相應(yīng)的安全功能;同時(shí),JetOS 能夠主動(dòng)控制主機(jī),通過(guò)這種主動(dòng)控制,可以更好地監(jiān)控用戶對(duì)通用計(jì)算機(jī)使用中的不安全因素。圖1 顯示了軟件的層次結(jié)構(gòu)。

前面提到了ESM 還提供了智能卡操作的接口,圖2 表示增加了智能卡接口以后的三級(jí)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前,智能卡可以提供諸如身份認(rèn)證,電子簽名、權(quán)限管理等諸多安全功能。智能卡應(yīng)用也是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。ESM 通過(guò)提供智能卡結(jié)口,使得主機(jī)能夠很好地利用智能卡開(kāi)發(fā)出各種應(yīng)用程序,擴(kuò)展了計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍。

通過(guò)實(shí)驗(yàn),ESM 對(duì)系統(tǒng)的影響非常小,用戶在日常使用中根本感覺(jué)不到ESM 的存在?？傊?ESM 模塊將計(jì)算機(jī)的功能進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大和延伸。嵌入式的ESM 模塊其本身就像一個(gè)小型的控制和管理系統(tǒng),通過(guò)把它嵌入在主機(jī)主板上控制相關(guān)資源,并與主機(jī)雙向通訊,使得普通計(jì)算機(jī)能夠成為一個(gè)更加安全可靠,并且適用范圍更廣的安全計(jì)算機(jī)。

2 ESM 的嵌入式硬件設(shè)計(jì)

ESM 的硬件部分是一個(gè)單芯片系統(tǒng)。它主要是采用一個(gè)微處理器[5 ]進(jìn)行主控制及處理工作,外部連接有各種外部設(shè)備和I/ O ,這些外部設(shè)備用來(lái)提供各種接口及I/ O 操作,比如USB 接口、智能卡接口、以及同主板之間的接口。ESM 本身提供了2 個(gè)大容量的存儲(chǔ)設(shè)備用來(lái)裝載和運(yùn)行相應(yīng)的控制程序。同時(shí), ESM和主板也有直接的連接,并且采用了2 種不同的連接方式: GPIO 方式和I2C方式。這2 種方式分別完成2種不同的功能。GPIO 用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸, I2C用來(lái)控制主板外設(shè)。

在ESM 模塊內(nèi)部采用了幾種不同的總線方式,采用多總線復(fù)合的結(jié)構(gòu),可以帶來(lái)2 個(gè)明顯的好處:不同的應(yīng)用采用不同的協(xié)議傳輸,使得各種不同的應(yīng)用能夠滿足自己的一套標(biāo)準(zhǔn)和速率要求;利用不同速率的總線協(xié)議傳輸可以有效地改善系統(tǒng)的傳輸效率。通過(guò)對(duì)傳輸數(shù)據(jù)類型的分類,比如慢速量小的命令控制類數(shù)據(jù)采用自定義的GPIO 協(xié)議,而快速量大的數(shù)據(jù)操作則采用USB 或PCI 方式,這樣數(shù)據(jù)傳輸之間不需要相互等待,有效彌補(bǔ)慢速設(shè)備帶來(lái)的速度缺陷。

1) 內(nèi)部總線　微控制器內(nèi)部提供了內(nèi)部總線驅(qū)動(dòng)接口,它控制內(nèi)部的地址、數(shù)據(jù)和控制總線,如圖3 所示。從總線結(jié)構(gòu)圖可以看到,幾乎所有的外部設(shè)備都是通過(guò)CPU 的內(nèi)部總線同CPU 進(jìn)行交互的,但是通過(guò)CPU 內(nèi)部寄存器的設(shè)置,可以調(diào)整總線寬度,從而可以實(shí)現(xiàn)8 位和16 位外設(shè)的同時(shí)操作。內(nèi)部總線是ESM的基本架構(gòu),它將承載ESM 內(nèi)部的絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)流和指令流。

2) GPIO 協(xié)議通訊　GPIO 協(xié)議是ESM 自定義的,代寫(xiě)留學(xué)生論文用來(lái)和主機(jī)進(jìn)行通訊的一種特殊的總線形式。它的基本架構(gòu)如圖4 所示。利用CPU 提供的可編程的PIO 引腳引出3 根GPIO 信號(hào)線,代寫(xiě)碩士論文分別用來(lái)作為中斷信號(hào)線、數(shù)據(jù)信號(hào)線和時(shí)鐘信號(hào)線。它的另一端直接連接在主板的南橋引腳上,南橋的引腳同樣也是可編程的GPIO 信號(hào)線,操作原理一致,從而可以實(shí)現(xiàn)雙向的數(shù)據(jù)通訊。GPIO 協(xié)議主要一個(gè)慢速的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議,用來(lái)處理低速少量數(shù)據(jù)流。在ESM 中,GPIO 是主機(jī)和ESM 之間的控制命令通道,對(duì)于少量的命令數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō),GPIO 協(xié)議已經(jīng)足夠了。

3) I2C協(xié)議通訊　I2C總線是用于低速設(shè)備互聯(lián)的一種串行總線協(xié)議。它是一種雙總線結(jié)構(gòu),通過(guò)定義掛接在總線上的設(shè)備的地址,主從關(guān)系,可以很容易地實(shí)現(xiàn)多設(shè)備之間的訪問(wèn)。ESM 中利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口芯片,可以將并行數(shù)據(jù)輸入轉(zhuǎn)換為I2C格式的數(shù)據(jù)輸出,輸出數(shù)據(jù)用來(lái)控制一個(gè)I2C的從設(shè)備,如圖5所示。

4) PCI 總線　在總線結(jié)構(gòu)圖上可以看到,CPU 并沒(méi)有提供PCI 的接口控制電路,ESM 是通過(guò)一個(gè)具有PCI 接口的密碼協(xié)處理器來(lái)使用PCI 總線同主機(jī)通訊的,這也是硬件體系結(jié)構(gòu)一個(gè)創(chuàng)新的地方。ESM 提供的安全功能中有數(shù)據(jù)加解密功能,而數(shù)據(jù)加解密涉及到大量數(shù)據(jù)的交換,自定義的GPIO 協(xié)議通訊方式或低速USB 方式都很難滿足速度上的要求,這就必然要引入一個(gè)高速總線接口,密碼協(xié)處理器就是一個(gè)很好的切入點(diǎn)。它本身并不是為此而引入的,密碼協(xié)處理器主要提供對(duì)非對(duì)稱密碼運(yùn)算的支持,通過(guò)它可以快速實(shí)現(xiàn)電子簽名、運(yùn)行認(rèn)證算法以及密鑰的生成等。使用帶PCI 接口的密碼協(xié)處理器可以很好地解決ESM 的速度瓶頸,可以有效地緩解利用低速GPIO 接口帶來(lái)的傳輸方面的限制。

3 ESM 的嵌入式操作系統(tǒng)JetOS 設(shè)計(jì)