專利名稱：基于sd可信計(jì)算模塊的嵌入式終端及實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可信終端及其實(shí)現(xiàn)方法，應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
以手機(jī)為典型代表的嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展為大眾的生活帶來了巨大的便利，移動(dòng)辦公、手機(jī)銀行等業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展將原來在桌面計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的應(yīng)用擴(kuò)展到移動(dòng)設(shè)備上，成為嵌入式領(lǐng)域中發(fā)展最為迅猛的方向之一。同時(shí)，手機(jī)等移動(dòng)終端的系統(tǒng)安全問題也變得越來越重要。黑客攻擊、病毒泛濫使嵌入式系統(tǒng)的安全問題顯得尤為嚴(yán)唆。其中桌面計(jì)算機(jī)原指臺式計(jì)算機(jī)，后泛指個(gè)人計(jì)算機(jī)。可信計(jì)算(Trusted Computing)是指在計(jì)算和通信系統(tǒng)中廣泛使用基于硬件安全模塊支持下的可信計(jì)算平臺，以提高系統(tǒng)整體的安全性，遵從TCG (Trusted ComputingGroup，可信計(jì)算組織)規(guī)范?？尚庞?jì)算被認(rèn)為是解決計(jì)算機(jī)環(huán)境安全問題的ー項(xiàng)重要技木，能夠從系統(tǒng)的安全啟動(dòng)、身份鑒別、數(shù)據(jù)加密等多個(gè)方面保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全。在桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，針對可信計(jì)算，中國當(dāng)前采用的是在計(jì)算機(jī)主板上加入具有中國自主產(chǎn)權(quán)的TCM (Trusted Cryptography Module,可信密碼模塊)模塊，TCM模塊與處理器總線之間通過LPC(Low Pin Count,低引腳數(shù))接ロ連接以交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安全啟動(dòng)、身份鑒別、數(shù)據(jù)加密等功能，可以解決桌面計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)安全問題。參考文獻(xiàn)《可信計(jì)算》，英文名稱《Apractical Guide to Trusted Computing)),作者DavidChallener (美國)RyanCatherman (美國)等,機(jī)械エ業(yè)出版社,2009年I
月I曰。TCM標(biāo)準(zhǔn)是由國家密碼管理局(全稱國家商用密碼管理辦公室)聯(lián)合國內(nèi)ー些IT企業(yè)推出的，是ー種安全芯片，能有效保護(hù)PC，防止非法用戶訪問電腦。2007年12月20日，聯(lián)想、同方、中興集成電路、方正等12家PC、軟件、芯片企業(yè)聯(lián)合舉辦了 “打造中國信息安全DNA——中國自主可信計(jì)算產(chǎn)品聯(lián)合發(fā)布會”，全球首款符合TCM規(guī)范的芯片誕生。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和用戶需求的差異化，對目前電腦安全技術(shù)也提出了新的要求，単一的技術(shù)手段已經(jīng)不能滿足目前信息安全防護(hù)的需求。目前的安全電腦技術(shù)實(shí)現(xiàn)在硬件方面主要包括Smart card智能安全系統(tǒng)、TPM (Trusted Platform Module,可信賴平臺模塊)芯片嵌入式安全系統(tǒng)、硬盤雙網(wǎng)隔離技術(shù)等；在軟件方面包括安全系統(tǒng)及ー鍵恢復(fù)功能等。這些技術(shù)目前都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，多技術(shù)應(yīng)用結(jié)合，互相補(bǔ)充才能實(shí)現(xiàn)真正有效的防護(hù)。業(yè)界專家表示，作為ー個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，TPM芯片在架構(gòu)上位于PC系統(tǒng)的最底層，獨(dú)立于操作系統(tǒng)運(yùn)行，固化在芯片中的程序也可以保證TPM芯片的自身安全。TPM芯片之所以安全，最大的優(yōu)勢是可以通過硬件算法對數(shù)據(jù)、密鑰文件進(jìn)行存儲和加密。TPM實(shí)際上是ー個(gè)含有密碼運(yùn)算部件和存儲部件的小芯片上的系統(tǒng)，由CPU、存儲器、1/0、密碼運(yùn)算器、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器和嵌入式操作系統(tǒng)等部件組成。
LPC接ロ，是Intel于1997年9月29日公布的ー個(gè)取代傳統(tǒng)ISA BUS的一種新接ロ規(guī)范，并且以免費(fèi)開放授權(quán)的方式，供業(yè)界采用。隨著嵌入式系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，在嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)可信計(jì)算也變得愈發(fā)重要，但是桌面的可信計(jì)算并不能直接照搬到嵌入式系統(tǒng)中來，目前嵌入式系統(tǒng)的可信計(jì)算還沒有統(tǒng)ー的標(biāo)準(zhǔn)可循。 目前存在的主要問題包括
I.功耗問題=TCM模塊是面向桌面設(shè)計(jì)的，在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)加解密將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的待機(jī)時(shí)間，這在嵌入式系統(tǒng)中是不可接受的。2.接ロ問題TCM通過LPC接ロ與處理器總線相連接，但在嵌入式設(shè)備中不存在LPC接ロ，如果需要連接TCM模塊與處理器，需要在其中間加入一個(gè)轉(zhuǎn)接設(shè)備，進(jìn)行傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換。也有廠商在TCM模塊中提供I2C (Inter — Integrated Circuit)接ロ，使之能夠適合于嵌入式應(yīng)用，但是I2C是ー種低速的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，速度只能達(dá)到400Kbps，已不能夠達(dá)到高性能嵌入式系統(tǒng)的要求。3.數(shù)據(jù)存儲問題在桌面系統(tǒng)中，操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序等普通數(shù)據(jù)是存儲在硬盤或者固態(tài)硬盤中，TCM模塊只是作為存儲密鑰等重要信息和加解密的引擎來使用；但是在嵌入式系統(tǒng)中，普通數(shù)據(jù)很多是存儲在SD卡中，考慮到嵌入式系統(tǒng)體積緊湊的要求，如果把密鑰存儲等重要信息存儲、加解密引擎以及普通數(shù)據(jù)的存儲集成到一個(gè)設(shè)備中，降低體積與成本、提升集成度與可靠性，對嵌入式系統(tǒng)將是非常重要的。有的嵌入式應(yīng)用中采用USB接ロ的可信計(jì)算模塊來解決可信計(jì)算的問題，但是這個(gè)模塊只能存儲了密鑰等重要信息，并且在嵌入式終端體積越來越小的情況下，通過USB接口外接ー個(gè)模塊將非常不便。

發(fā)明內(nèi)容
基于嵌入式系統(tǒng)可信計(jì)算的狀況，本發(fā)明提出一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端及實(shí)現(xiàn)方法，提高可信計(jì)算在嵌入式終端上的適用性，且便于終端的可信計(jì)算的升級。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的，依據(jù)本發(fā)明的ー個(gè)方面的一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端，包括含有嵌入式微處理器及外圍設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)，以及基于SD卡封裝并通過SD控制接ロ與所述嵌入式系統(tǒng)通信的SD可信計(jì)算模塊；
其中，SD可信計(jì)算模塊含有嵌入式硬核，以控制運(yùn)行片上操作系統(tǒng)通過擴(kuò)展的SD協(xié)議預(yù)留的接ロ命令與所述嵌入式系統(tǒng)通信。依據(jù)本發(fā)明的另ー個(gè)方面的一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，可信計(jì)算模塊基于SD卡被獨(dú)立封裝，通過SD可信計(jì)算模塊含有的嵌入式硬核，控制運(yùn)行在SD卡上的片上操作系統(tǒng)依據(jù)擴(kuò)展的SD協(xié)議的預(yù)留命令與嵌入式系統(tǒng)接□。基于本發(fā)明的上述方案，提出了一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端架構(gòu)，可信模塊作為卡內(nèi)置于嵌入式終端內(nèi)，比需要接在外部的USB接ロ設(shè)備更適合于嵌入式系統(tǒng)終端。基于SD可信計(jì)算模塊的方案可以在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，不增加額外硬件的情況下，僅僅通過升級系統(tǒng)的存儲部件，也就是SD卡來實(shí)現(xiàn)，并可以通過軟件升級的方式實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的可信計(jì)算升級，對嵌入式終端的運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，并提供嵌入式設(shè)備的身份鑒別。由于SD卡的廣泛適用性，基于本發(fā)明的上述方案可廣泛應(yīng)用于各種手持信息安全設(shè)備、手持金融終端等，并且易于實(shí)施，具有良好的應(yīng)用前景。


圖I為基于SD可信計(jì)算模塊的 嵌入式終端的ー種結(jié)構(gòu)圖 圖2為ー種SD可信計(jì)算模塊結(jié)構(gòu)圖。圖3為ー種SD可信計(jì)算模塊存儲分區(qū)結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式以下以ー個(gè)具體實(shí)施例進(jìn)行描述本發(fā)明的實(shí)施過程，但本發(fā)明不僅限于該實(shí)施例。本發(fā)明的內(nèi)容涵蓋任何在本發(fā)明核心內(nèi)容上做修改、等效、替換的各種方案?；诳尚拍K的嵌入式終端如附圖I所示，主要部件包括
1.CPU :中央處理器，運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)及應(yīng)用軟件，進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的控制功能；
2.存儲器包括ROM，RAM，F(xiàn)LASH，其中ROM用于存儲不可修改的啟動(dòng)代碼，RAM用于存儲運(yùn)行中的變量，F(xiàn)LASH用于存儲程序或者數(shù)據(jù)；
3.IO接ロ 用于實(shí)現(xiàn)外設(shè)訪問及控制；
4.SD可信計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)可信計(jì)算的各項(xiàng)功能，并且可以實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密存儲與讀取操作。那么在SD可信計(jì)算模塊中，包含支持可信計(jì)算的各種功能模塊，通過以下內(nèi)容完成與嵌入式系統(tǒng)的接ロ，詳細(xì)如附圖2所示。SD可信計(jì)算模塊是硬件和固件的集合，提供密碼算法支撐以及大容量數(shù)據(jù)安全存儲功能?？尚拍K采用獨(dú)立的封裝形式，如SD卡，mini SD卡以及TF卡(T_Flash，又稱microSD)的形式，適應(yīng)不同的嵌入式系統(tǒng)終端的需求。SD可信計(jì)算模塊采用國家密碼管理局的密碼算法，基本組成結(jié)構(gòu)如附圖2所示。I. SD控制接ロ 可信模塊的輸入輸出硬件接ロ，提供對可信計(jì)算模塊的資源訪問；通過嵌入式系統(tǒng)的IO接ロ與嵌入式系統(tǒng)接ロ。2.隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器是生成隨機(jī)數(shù)的単元，所生成的隨機(jī)數(shù)必須為真隨機(jī)數(shù)，并滿足國家商用密碼隨機(jī)數(shù)檢測要求，為后續(xù)的身份驗(yàn)證提供基礎(chǔ)；
3.執(zhí)行引擎SD可信計(jì)算模塊的運(yùn)算執(zhí)行単元，一般為嵌入式CPU核，CPU上運(yùn)行片上操作系統(tǒng)(COS, Chip Operating System),通過COS為外部訪問可信模塊提供接ロ?？尚庞?jì)算模塊中的COS負(fù)責(zé)調(diào)度管理模塊中的各種資源，嵌入式系統(tǒng)提供密碼服務(wù)，實(shí)現(xiàn)可信計(jì)算的各項(xiàng)功能。嵌入式終端與可信模塊之間的APDU (ApplicationProtocol Data Unit應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)通過SD協(xié)議擴(kuò)展命令的數(shù)據(jù)域進(jìn)行傳輸。4.非易失性存儲器存儲永久數(shù)據(jù)的存儲單元，所說的永久數(shù)據(jù)包括密鑰、身份等重要信息；還可以存放程序、運(yùn)行數(shù)據(jù)等普通數(shù)據(jù)。兩類數(shù)據(jù)共用SD卡內(nèi)閃存存儲空間，卡內(nèi)空間以分區(qū)管理的方式進(jìn)行存儲，無需為密碼增添新的存儲介質(zhì)。5.易失性存儲器可信計(jì)算模塊運(yùn)行時(shí)臨時(shí)數(shù)據(jù)的存儲單元。6. SM2橢圓曲線密碼算法引擎產(chǎn)生SM2密鑰對和執(zhí)行SM2加/解密、簽名運(yùn)算的單元；其密鑰位長為m (m=256)。本方案采用的SM2算法，其密鑰位長為m (m=256)。SM2算法包涵系統(tǒng)參數(shù)、密鑰對生成、數(shù)字簽名算法(SM2-1)、密鑰交換協(xié)議(SM2-2)和加密算法(SM2-3)共五個(gè)部分。7. SM3引擎執(zhí)行雜湊運(yùn)算的単元；對于給定的長度為k(k〈264)的消息，SM3密碼雜湊算法經(jīng)過填充、迭代壓縮和選裁，生成雜湊值。經(jīng)預(yù)處理過的消息分組長度為512比特，本規(guī)范選用的雜湊值長度為256比特。SM3密碼雜湊算法也是國家密碼管理局編制 的商用算法，用于密碼應(yīng)用中的數(shù)字簽名和驗(yàn)證、消息認(rèn)證碼的生成與驗(yàn)證以及隨機(jī)數(shù)的生成，可滿足多種密碼應(yīng)用的安全需求。8. SMS4引擎執(zhí)行對稱密碼運(yùn)算的單元；本方案對稱密碼算法為SMS4。該算法是一個(gè)分組算法，該算法的分組長度為128比特，密鑰長度為128比持。加密算法與密鑰擴(kuò)展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)。解密算法與加密算法的結(jié)構(gòu)相同，只是輪密鑰的使用順序相反，解密輪密鑰是加密輪密鑰的逆序。SMS4算法是ー個(gè)分組算法，在諸如《完全映射及其密碼學(xué)應(yīng)用》中都有介紹。9. HMAC (keyed-Hash Message Authentication Code,密鑰相關(guān)的哈希運(yùn)算消息認(rèn)證碼)引擎基于SM3引擎的計(jì)算消息認(rèn)證碼単元，利用密碼雜湊算法SM3，對于給定的消息和驗(yàn)證雙方共享的秘密信息產(chǎn)生長度為t個(gè)字節(jié)的消息驗(yàn)證碼(t為消息驗(yàn)證碼的長度，不小于16字節(jié)，不大于32字節(jié))，消息驗(yàn)證碼產(chǎn)生過程采用FIPS PUB 198中的消息驗(yàn)證碼產(chǎn)生過程。HMAC，利用哈希算法，以ー個(gè)密鑰和ー個(gè)消息為輸入，生成ー個(gè)消息摘要作為輸出。HMAC引擎提供HMAC運(yùn)算作用
(1)驗(yàn)證TPM接受的授權(quán)數(shù)據(jù)和認(rèn)證數(shù)據(jù)；
(2)確認(rèn)TPM接受到的命令請求是已授權(quán)的請求，并且，命令在傳送的過程中沒有被改動(dòng)過。
定義HMAC需要一個(gè)加密用散列函數(shù)(表示為H，可以是MD5或者SHA-I)和一個(gè)密鑰K。我們用B來表示數(shù)據(jù)塊的字節(jié)數(shù)。(以上所提到的散列函數(shù)的分割數(shù)據(jù)塊字長B=64)，用L來表示散列函數(shù)的輸出數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)(MD5中L=16，SHA-I中L=20)。鑒別密鑰的長度可以是小于等于數(shù)據(jù)塊字長的任何正整數(shù)值。應(yīng)用程序中使用的密鑰長度若是比B大，則首先用使用散列函數(shù)H作用于它，然后用H輸出的L長度字符串作為在HMAC中實(shí)際使用的密鑰。一般情況下，推薦的最小密鑰K長度是L個(gè)字節(jié)。上述基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端的核心內(nèi)容在于提出一種基于SD卡實(shí)現(xiàn)的可信計(jì)算模塊，在此終端中，采用基于SD接ロ的可信計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)嵌入式可信計(jì)算的功能，同時(shí)將SD卡的大容量存儲空間分區(qū)，在同一張卡上，實(shí)現(xiàn)密鑰等重要信息與普通數(shù)據(jù)分區(qū)存儲而無需額外的存儲設(shè)備，該SD卡既是可信計(jì)算模塊，實(shí)現(xiàn)密鑰等重要信息的存儲以及加解密引擎功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)普通數(shù)據(jù)的加密存儲功能。嵌入式終端與可信模塊之間通信通過擴(kuò)展SD協(xié)議的預(yù)留命令來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)SD協(xié)議的規(guī)范，用戶可以自定義擴(kuò)展命令實(shí)現(xiàn)新的功能，這些新的命令是對SD規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)指令的補(bǔ)充，與SD普通的存儲命令不會沖突。因此本方案遵從SD協(xié)議的規(guī)范設(shè)計(jì)，普通SD卡的存儲功能不會受到影響。
SD可信計(jì)算模塊的存儲空間即為模塊內(nèi)的閃存存儲設(shè)備，無需額外的非易失存儲空間，其閃存存儲空間分配如附圖3，分為系統(tǒng)保留區(qū)，密鑰區(qū)和文件系統(tǒng)區(qū)。系統(tǒng)保留區(qū)為SD卡內(nèi)系統(tǒng)預(yù)留，用于存儲SD卡閃存的配置信息以及壞塊的預(yù)留塊，配置信息在可信模塊生產(chǎn)過程中由專用閃存寫入工具燒錄，燒錄完成后由可信模塊內(nèi)驅(qū)動(dòng)軟件管理，該內(nèi)容為常規(guī)SD卡生產(chǎn)過程，不是本方案闡述重點(diǎn)。密鑰區(qū)用于存放密鑰、身份信息等。文件系統(tǒng)區(qū)用于存放數(shù)據(jù)文件。三個(gè)分區(qū)中，只有文件系 統(tǒng)區(qū)對嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)是可見的，對不支持可信計(jì)算的嵌入式系統(tǒng)，可信模塊表現(xiàn)為普通SD卡，對支持可信計(jì)算的嵌入式系統(tǒng)，可以通過SD擴(kuò)展命令訪問密鑰區(qū)和文件系統(tǒng)區(qū)。SD可信計(jì)算模塊為嵌入式終端提供產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)、簽名、完整性度量、數(shù)據(jù)加密功倉^:。隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生基于SD可信計(jì)算模塊中的真隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊，隨機(jī)數(shù)是嵌入式設(shè)備與可信模塊之間身份認(rèn)證的基礎(chǔ)，嵌入式設(shè)備與可信模塊對同一個(gè)隨機(jī)數(shù)進(jìn)行加解密運(yùn)算用以確認(rèn)對方的身份合法性。基于真隨機(jī)數(shù)的身份認(rèn)證機(jī)制保證密鑰在任何情況下只能通過加解密統(tǒng)ー隨機(jī)數(shù)的方式進(jìn)行訪問而不會被外部實(shí)體直接讀取訪問，確保密鑰的安全性。SD可信計(jì)算模塊采用密碼模塊密鑰(EK)標(biāo)識其身份，在SD可信計(jì)算模塊擁有者授權(quán)下，在可信模塊內(nèi)部生成ー個(gè)SM2密鑰對，作為可信模塊身份密鑰(MIK)，用于對模塊內(nèi)部的信息進(jìn)行數(shù)字簽名，實(shí)現(xiàn)可信模塊身份認(rèn)證和可信模塊完整性報(bào)告，從而向外部證實(shí)可信模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)的可信性。密碼模塊密鑰在可信模塊使用前由一個(gè)可信方簽署，確保其可信性，用于建立密碼模塊密鑰與可信密碼模塊的一一對應(yīng)關(guān)系。假設(shè)M是ー份消息，KPRI-S和KPUB-S分別是可信模塊的ー對身份密鑰(MIK)的私鑰和公鑰。可信模塊用KPRI-S對消息M進(jìn)行加密，得到KPRI-S{M}，并將KPRI-S{M}發(fā)送給指定的嵌入式設(shè)備，該嵌入式設(shè)備將得到的KPRI-S{M}用KPUB-S進(jìn)行解密，得到消息M，即可證明消息M是可信模塊身份認(rèn)證密鑰私鑰為KPRI-S的嵌入式設(shè)備發(fā)送的。完整性度量是指計(jì)算部件的度量值計(jì)算度量值的過程是執(zhí)行雜湊運(yùn)算的過程。雜湊運(yùn)算輸入的數(shù)據(jù)應(yīng)為度量者指定的可以表征被度量者特性的數(shù)據(jù)，定義為ー個(gè)部件。雜湊運(yùn)算輸出的雜湊值即為被度量者的完整性度量值。度量者應(yīng)把度量值記入可信模塊中指定的PCR (平臺配置寄存器)中。記入的辦法是新PCR值=密碼雜湊算法(原PCR值Μ度量值)，Μ符號表示兩段數(shù)據(jù)拼接起來形成一段數(shù)據(jù)的操作。在可信模塊中的雜湊算法為SM3，輸入消息分組長度為512比特，所得的雜湊值長度為256比特?？尚拍K把度量值記入可信密碼模塊內(nèi)相應(yīng)的平臺配置寄存器(PCR)中。如果ー個(gè)部件序列中的各部件完整性度量值存儲在同一個(gè)PCR中，則采用壓縮存儲方式，即從第一個(gè)部件開始，將該部件完整性度量值與目標(biāo)PCR的已有存儲值拼接，進(jìn)行雜湊運(yùn)算，然后將所得結(jié)果再存儲于該P(yáng)CR中，依次類推，最后ー個(gè)部件的完整性度量值存儲操作完成后，所得值即為該部件序列存儲到PCR中的完整性度量值。通過完整性度量的操作可以確認(rèn)嵌入式系統(tǒng)各部件的完整性。如果ー個(gè)部件完整性度量存儲于PCR中的值與預(yù)期結(jié)果不符，則表示該部件的完整性被破壞，系統(tǒng)安全受到侵害，嵌入式系統(tǒng)將進(jìn)入異常處理程序，嘗試恢復(fù)該部件或者退出系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)加解密采用對稱密碼算法SMS4實(shí)現(xiàn)。在可信密碼模塊內(nèi)部進(jìn)行加解密操作時(shí)，需要通過命令指定密鑰，數(shù)據(jù)分組長度為128比特，密鑰長度為128比持。SD可信計(jì)算模塊與嵌入式系統(tǒng)的命令交互基于SD協(xié)議的擴(kuò)展命令進(jìn)行，定義嵌入式系統(tǒng)與可信模塊之間交互的基本命令接ロ，主要功能包括取隨機(jī)數(shù)、身份驗(yàn)證、身份簽名、完整性度量、更新密鑰、安全讀寫。 SD協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)命令如表I所示。表I SD協(xié)議命令格式
比特位!'47 I46 "[45:40 [39:8 17:1 θ
描述丨麁始位I梧送位I命令索引丨#數(shù)1循環(huán)校驗(yàn) 結(jié)束位在SD協(xié)議中為生產(chǎn)商預(yù)留的命令索引即可做為擴(kuò)展命令的命令索引，本方案的擴(kuò)展命令為CMD63，命令格式如表2。命令分為兩部分，第一部分是CMD63的標(biāo)準(zhǔn)命令，共48位，其中的參數(shù)域定義擴(kuò)展命令的功能定義；后面一部分是嵌入式終端的發(fā)送給可信模塊的APDU數(shù)據(jù)域。表2自定義命令格式
CMD63 命令 Ijfe據(jù)域(APDU)
CMD63擴(kuò)展命令定義如表3所示，由參數(shù)域[11:8]決定，與其余位無關(guān)。表3擴(kuò)展命令參數(shù)定義命令定義參數(shù)[11:8]備注
取隨機(jī)數(shù)0001[15:12」表示取隨機(jī)數(shù)的字節(jié)數(shù)
度量請求0010執(zhí)行雜湊函數(shù)操作
身份簽名0011可信模塊身份簽名，[15:12]表示消息M長度:
驗(yàn)證密鑰0100驗(yàn)證密鑰
安全讀 0101 讀取加密數(shù)據(jù)，固定讀取512字節(jié)，[39:12]表示讀取數(shù)據(jù)的地址。 :安全寫Ioioooooo丨駕入加密數(shù)據(jù)，固定寫入512字節(jié)，[39:12]表不寫入數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址_
(一)取隨機(jī)數(shù)
嵌入式系統(tǒng)通過該操作從可信模塊中獲取給定長度的真隨機(jī)數(shù)，作為后續(xù)密碼操作的基礎(chǔ)。其操作步驟
1)嵌入式系統(tǒng)向可信模塊發(fā)送取隨機(jī)數(shù)請求命令，參數(shù)域[15:12]給出取隨機(jī)數(shù)的字節(jié)數(shù)；
2)可信模塊調(diào)用真隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊，產(chǎn)生給定字節(jié)的隨機(jī)數(shù)序列，通過CMD63的響應(yīng)返回。(ニ)度量請求
嵌入式系統(tǒng)為了驗(yàn)證系統(tǒng)中部件的完整性，向可信模塊提出完整性的度量請求，度量的輸入數(shù)據(jù)為度量者指定的可以表征被度量者特性的數(shù)據(jù)，雜湊運(yùn)算輸出的雜湊值即為被度量者的完整性度量值，度量值被記入指定的PCR (平臺配置寄存器)中。輸入消息分組長度為512比特，所得的雜湊值長度為256比特。其操作步驟
O嵌入式系統(tǒng)向可信模塊發(fā)送度量請求命令，數(shù)據(jù)域長度為512比特；
2)可信模塊使能SM3引擎，執(zhí)行雜湊運(yùn)算，并將結(jié)果存儲于PCR中；
3)可信模塊通過CMD63的響應(yīng)向嵌入式系統(tǒng)返回操作是否成功的結(jié)果。(三)身份簽名在可信模塊的可信模塊身份密鑰(MIK)，對模塊內(nèi)部的信息進(jìn)行數(shù)字簽名，實(shí)現(xiàn)可信模塊身份認(rèn)證和可信模塊完整性報(bào)告，從而向外部證實(shí)可信模塊內(nèi)部數(shù)據(jù)的可信性，外部實(shí)體通過MIK的公鑰進(jìn)行驗(yàn)證。其操作步驟
O嵌入式系統(tǒng)通過取隨機(jī)數(shù)命令從可信模塊取得長度為Length的消息M ；
2)嵌入式系統(tǒng)向可信模塊發(fā)送身份簽名請求，消息M在命令的數(shù)據(jù)域中發(fā)送。
3)可信模塊用MIK的私鑰對對消息M進(jìn)行加密，得到KPRI-S{M}，并通過CMD63的響應(yīng)返回給嵌入式系統(tǒng)；
4)嵌入式系統(tǒng)用MIK的公鑰對KPUB-S{M}進(jìn)行解密，若得到消息M，則表示可以確認(rèn)可信模塊的身份，并證實(shí)可信模塊的完整性；否則表示可信模塊的身份有誤或被破壞。(四)驗(yàn)證密鑰
基于隨機(jī)數(shù)，驗(yàn)證嵌入式系統(tǒng)的密鑰，確認(rèn)嵌入式系統(tǒng)對可信模塊操作的合法性。其操作步驟
O嵌入式系統(tǒng)通過取隨機(jī)數(shù)命令從可信模塊取得長度為Length的消息M ；
2)嵌入式系統(tǒng)用自己存儲的對稱密鑰用SMS4算法對M進(jìn)行加密，生成SMS4(M)，并通過驗(yàn)證密鑰命令發(fā)送給可信模塊；
3)可信模塊用自己存儲的對稱密鑰用SMS4算法對SMS4(M)解密，若解得M,則驗(yàn)證通過，否則失敗，并將結(jié)果通過CMD63的響應(yīng)返回。(五)安全讀
在驗(yàn)證密鑰的基礎(chǔ)上，解密讀取存儲在可信模塊中的數(shù)據(jù)。其操作步驟
1)通過驗(yàn)證密鑰確認(rèn)嵌入式系統(tǒng)對可信模塊操作的合法性，獲得數(shù)據(jù)訪問權(quán)限；
2)嵌入式系統(tǒng)向可信模塊發(fā)送安全讀命令，固定讀取512字節(jié)；
3)可信模塊讀取目標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用經(jīng)過驗(yàn)證的密鑰，用SMS4算法進(jìn)行數(shù)據(jù)解密得到明文，并返回給嵌入式系統(tǒng)。(六)安全寫
在驗(yàn)證密鑰的基礎(chǔ)上，將嵌入式系統(tǒng)輸入的明文進(jìn)行加密并存儲在可信模塊中。其操作步驟
1)通過驗(yàn)證密鑰確認(rèn)嵌入式系統(tǒng)對可信模塊操作的合法性，獲得數(shù)據(jù)訪問權(quán)限；
2)嵌入式系統(tǒng)向可信模塊發(fā)送安全寫命令，固定寫入512字節(jié)，寫入數(shù)據(jù)在CMD63的數(shù)據(jù)域給出；
3)可信模塊接收目標(biāo)數(shù)據(jù)，應(yīng)用經(jīng)過驗(yàn)證的密鑰，用SMS4算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密得到密文，并將加密數(shù)據(jù)存儲在目標(biāo)地址；
4)可信模塊向嵌入式系統(tǒng)返回寫入是否成功的結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端，其特征在于，包括含有嵌入式微處理器及外圍設(shè)備的嵌入式系統(tǒng)，以及基于SD卡封裝并通過SD控制接ロ與所述嵌入式系統(tǒng)通信的SD可信計(jì)算模塊； 其中，SD可信計(jì)算模塊含有嵌入式硬核，以控制運(yùn)行片上操作系統(tǒng)通過擴(kuò)展的SD協(xié)議預(yù)留的接ロ命令與所述嵌入式系統(tǒng)通信。
2.一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，可信計(jì)算模塊基于SD卡被獨(dú)立封裝，通過SD可信計(jì)算模塊含有的嵌入式硬核，控制運(yùn)行在SD卡上的片上操作系統(tǒng)依據(jù)擴(kuò)展的SD協(xié)議的預(yù)留命令與嵌入式系統(tǒng)接ロ。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述可信計(jì)算模塊中的SD卡除預(yù)留的系統(tǒng)保留區(qū)外，分配一個(gè)存儲空間用于存放可信計(jì)算密鑰及身份信息，記為密鑰區(qū)，其余存儲空間為用于存放用戶數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，SD可信計(jì)算模塊與嵌入式系統(tǒng)的接ロ方法是依據(jù)SD協(xié)議預(yù)留的命令索引定義基于可信運(yùn)算的命令，并通過參數(shù)域的定義表示預(yù)定的命令；嵌入式系統(tǒng)發(fā)送指令字給可信計(jì)算模塊，可信計(jì)算模塊解析指令字，依據(jù)獲得的參數(shù)，匹配預(yù)定的命令，執(zhí)行相應(yīng)命令。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在干，SD可信計(jì)算模塊與嵌入式系統(tǒng)間采用基于真隨機(jī)數(shù)的身份認(rèn)證機(jī)制，在SD可信計(jì)算模塊擁有者授權(quán)的情況下，在SD可信計(jì)算模塊模塊內(nèi)部生成ー個(gè)SM2密鑰對，作為身份密鑰對SD可信計(jì)算模塊內(nèi)部的信息進(jìn)行數(shù)字簽名。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，嵌入式系統(tǒng)的完整性度量由SD可信計(jì)算模塊處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于SD可信計(jì)算模塊的嵌入式終端及實(shí)現(xiàn)方法，可信模塊作為卡內(nèi)置于嵌入式終端內(nèi)，比需要接在外部的USB接口設(shè)備更適合于嵌入式系統(tǒng)終端?；赟D可信計(jì)算模塊的方案可以在不改變系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，不增加額外硬件的情況下，僅僅通過升級系統(tǒng)的存儲部件，也就是SD卡來實(shí)現(xiàn)，并可以通過軟件升級的方式實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的可信計(jì)算升級，對嵌入式終端的運(yùn)行環(huán)境、數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，并提供嵌入式設(shè)備的身份鑒別。由于SD卡的廣泛適用性，基于本發(fā)明的上述方案可廣泛應(yīng)用于各種手持信息安全設(shè)備、手持金融終端等，并且易于實(shí)施，具有良好的應(yīng)用前景。
文檔編號G06F21/00GK102693385SQ201210168318
公開日2012年9月26日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者孫濤, 陳德展 申請人:山東神思電子技術(shù)股份有限公司