TPM emulator 调研报告

TPM emulator 调研报告

1.TPMemulator设计概要

    TPM emulator包包含3个主要部分（见图1）：实现真实TPM模拟器的用户空间守护程序（tpmd），作为连接模拟器常规接口的TPM设备驱动库（tddl），可以为与TPM设备驱动的底层兼容提供字符设备的内核模块（tpmd_dev）。

图1：TPMemulator包概览

    本调研基于http://tpm-emulator.berlios.de/发布的tpm_emulator-0.7.4.tar.gz代码进行分析。

2.启动过程

    TPMemulator的启动调用tpm_emulator_init，最初初始化加载外部函数与数据（initialize externalfunctions and data），调用tpm_extern_init()，之后进入自身的初始化（initialize the emulator），首先尝试加载（永久性）存储器中的原有数据，如果失败则采用默认数据值（tryto restore data, if it fails use default values），然后执行自身的初始化函数TPM_Init(startup)。

    TPMemulator自身的初始化分三步进行：第一步，所有数据元素被置为他们的默认值；第二步，对所有密码功能进行内部自检，如果有一个检查测试失败，模拟器进入失败-停止模式（fail-stopmode），并且向所有命令调用返回一条相应的错误消息；第三步，如果所有检查测试顺利通过，模拟器运行指定的启动模式，并且剩余的内部数据被相应的进行初始化。在启动模式的某特殊情况下，将保存长久性数据存储文件中的所有长久性数据的恢复。无论何时，只要对之前存储状态的恢复失败，模拟器也将转入失败-停止状态。

    本部分代码主要位于tpm/tpm_startup.c中。

2.1第一步

    所有数据元素被置为他们的默认值：

tpmData.stany.flags.postInitialise =TRUE;

其中数据结构为：

//These flags reset on anyTPM_Startup command.
typedef struct tdTPM_STANY_FLAGS{
    TPM_STRUCTURE_TAG tag;
    BOOL postInitialise;
    TPM_MODIFIER_INDICATOR localityModifier;
    BOOL transportExclusive;
    BOOL TOSPresent;
} TPM_STANY_FLAGS;

2.2第二步

    对所有密码功能进行内部自检：

TPM_SelfTestFull();

    该步骤分别对内部的随机数生成器（tpm_test_prng()）、SHA-1生成器（tpm_test_sha1()）、HMAC-SHA-1生成器（tpm_test_hmac()）、RSA密钥对生成器（tpm_test_rsa_EK()）进行测试，只有当全部成功通过测试后，置位

tpmData.permanent.flags.selfTestSucceeded =TRUE;

否则为FALSE，并将返回结果。

2.3第三步

    如果所有检查测试顺利通过，模拟器运行指定的启动模式：

TPM_Startup(startupType);

    此后根据不同的启动状态，进行不同的处理：

当startupType == TPM_ST_CLEAR，则将：

1. 重置TANY_DATA，使所有会话不可用（resetSTANY_DATA (invalidates ALL sessions) ）；

2. 初始化会话的nonce（initsession-context nonce）；

3. 重置PCR值（resetPCR values）；

4. 重置STCLEAR_FLAGS、STCLEAR_DATA（resetSTCLEAR_FLAGS、resetSTCLEAR_DATA）；

5. 为变量和PCR依赖的密钥赋特定值（flushvolatiles and PCR dependent keys）；

6. 初始化密钥的nonce（initkey-context nonce）；

7. 使计算器句柄不可用（invalidate counterhandle）；

8. 重置NV读写标志（resetNV read and write flags）。

当startupType == TPM_ST_STATE 以及 startupType == TPM_ST_DEACTIVATED时做相应的特殊处理。

3.数据文件初始化、加载、保存流程

    本部分代码主要位于tpm/tpm_data.h以及tpm/tpm_data.c中。

3.1数据初始化

    执行代码位于函数void tpm_init_data(void)中，为TPM的数据赋默认值，执行流程如下：

1. 以特定的默认值初始化背书密钥相关的n、e、p、q（基于RSA）；

2. 将数据本身置为NULL、FALSE或0（reset all data to NULL, FALSE or 0）；

3. 设置数据相关的各个永久标志值（set permanent flags）；

4. 设置TPM版本号（set TPM vision）；

5. 产生随机数（seedPRNG），执行函数：

tpm_get_extern_random_bytes(&tpmData.permanent.data.rngState,

   sizeof(tpmData.permanent.data.rngState))；

6. 初始化设置24个数据存储PCR的属性（setup PCR attributes），根据不同的输入参数初始化PCR的pcrReset、pcrResetLocal、pcrExtendLocal三个属性，调用静态内联函数：

static inlinevoid init_pcr_attr(intpcr, BOOL reset, BYTE rl,BYTE el)；

7. 根据参数，重新生成背书密钥（generate a new endorsement key）或设置为已有的背书密钥（setup endorsement key）；

8. 根据参数，重新生成DAA种子（generate the DAA seed）或设置为已有的DAA种子（setup DAA seed）；

9. 初始化预先定义好的非易失性存储设备（initialize predefinednon-volatile storage），调用函数：

static voidinit_nv_storage(void)；

执行初始化非易失性存储器（nv_storage），创建默认的NV最大空间（4096字节），各个字节赋初值0xff，设置NV的各个初始属性，设置NV的（永久性）数据空间为20字节；

10. 设置超时时间与持续时间值（set the timeout andduration values），调用静态函数：

static voidinit_timeouts(void)；

采用PC平台默认值，对永久性数据的tis_timeouts、cmd_durations数组进行初始化。

3.2数据加载

       执行代码位于函数int tpm_restore_permanent_data(void)中，流程如下：

1.从存储器中读出数据（readdata）到缓存变量，执行函数：

tpm_read_from_storage(&buf, &buf_length)

2.解码数据（unmarshaldata），并将数据加载到变量tpmData，先后执行函数：

tpm_unmarshal_TPM_VERSION(&ptr, &len, &ver)

tpm_unmarshal_TPM_DATA(&ptr, &len, &tpmData)

注：TPM emulator运行在内核层，可以有权利访问本地文件系统，对于永久性数据的存储采用直接访问本地文件的方式（Direct file access），在默认情况下，数据存储于本地文件（存储方法见3.3），在代码中宏定义存储文件路径与文件名为TPM_STORAGE_NAME，在emulator软件包的CMakeLists.txt中，对TPM_STORAGE_NAME进行了详细的分系统的初始化设定：对于WIN32系统，设定文件路径与文件名为"${PROGRAMFILES}/tpm_emulator-1_2_${${PROJECT_NAME}_VERSION_MAJOR}_${${PROJECT_NAME}_VERSION_MINOR}"，对于利用最新的tpm_emulator 0.7.6来说，上述语句即为"${PROGRAMFILES}/tpm_emulator-1_2_0_7"，${PROGRAMFILES}指程序运行所在的文件目录；对于APPLE系统，设定文件路径与文件名为"/private/var/lib/tpm/tpm_emulator-1_2_${${PROJECT_NAME}_VERSION_MAJOR}_${${PROJECT_NAME}_VERSION_MINOR}"；对于其他系统，设定文件路径与文件名为"/var/lib/tpm/tpm_emulator-1_2_${${PROJECT_NAME}_VERSION_MAJOR}_${${PROJECT_NAME}_VERSION_MINOR}"。内部数据文件即存储在上述路径下，相应数据在加载时也会在对应的目录下寻找存储的数据文件。

3.3数据存储

    执行代码位于函数int tpm_store_permanent_data(void)中，流程如下：

1.按照特定排列编码数据（marshaldata），首先计算待存储数据的长度，然后调用下列函数编码：

tpm_marshal_TPM_DATA(&ptr, &len, &tpmData)

2.将编码好的数据写入存储设备，调用函数：

tpm_write_to_storage(buf,buf_length - len)

4.命令执行

    一条TPM的命令执行通过调用函数tpm_handle_command()来初始化，函数的输入参数是依规定编排好的TPM命令。随后，命令的处理分三个步骤。第一步，命令被解码成三个主要部分（见图2）：请求头部（therequest header）、命令参数（the command parameters）和授权尾部（theauthorization trailer）（可选），在验证命令是否在当前的TPM状态下被允许执行后，输入参数的摘要被计算并且参数根据特定的TPM命令被进一步解编。第二步，进行实际的命令执行，并且设置命令响应参数，如果需要，授权尾部将被验证，以便保证命令的授权和输入参数的完整性。第三步，响应授权被计算，其结果与输出参数和响应头部相组合。最后，响应被编排成字节表示并被返回给调用者。

图2：TPM命令结构

    本部分代码主要位于tpm/tpm_cmd_handler.c中，具体步骤如下：

1.解码命令请求包，并验证包的完整性（weneed the whole packet at once, otherwise unmarshalling will fail），调用函数tpm_unmarshal_TPM_REQUEST；

2.更新计时器的计数（updatetiming ticks），调用函数tpm_update_ticks；

3.审计请求（auditreques），调用函数tpm_audit_request；

4.执行具体的命令（executecommand），调用函数tpm_execute_command，函数具体流程如下：

    4.1设置授权、响应标签及响应长度（setupauthorisation as well as response tag and size），如果标签值正常，则进入下一步；

    4.2检查在TPM当前的模式下命令是否是被允许执行的（checkwhether the command is allowed in the current mode of the TPM），调用函数tpm_check_status_and_mode，如果允许，则进入下一步；

    4.3根据命令的序数标志，处理相对应的命令操作（handlecommand ordinal），并将执行结果赋予响应变量，如果命令序数标志正确，则进入下一步；

    4.4设置响应（setupresponse），如果之前响应成功获得，则进行相应属性设置，进入下一步；

    4.5如果需要，终结授权的会话（terminateauthorization sessions if necessary）；

    4.6如果传输互斥（独占性）标志被置位，则设定只有TPM执行传输和传输签名释放被允许执行（iftransportExclusive is set, only the execution of TPM_ExecuteTransport andTPM_ReleaseTransportSigned is allowed）。

5.审计响应（auditresponse），调用函数tpm_audit_response；

6.初始化输出，编码响应结果（initoutput and marshal response），调用函数tpm_marshal_TPM_RESPONSE。

5.TPM emulator 0.7.4与0.6的区别

    TPM emulator 0.6于2009年9月发布，目前我组已成功移植到ARM板上；最新的版本TPM emulator 0.7.4于2011年12月发布，较0.6版本有以下区别：

1.0.7.4增加了移动可信模块（MTM），此模块与基本的TPM在功能和命令上都有一定差异；

2.0.6采用的是Makefile的自动化编译方式，代码包内是Makefile文件，更加侧重方便与UNIX下的编译，而0.7.4采用的是CMake方式的集成自动化编译，代码包内是CMakeLists.txt文件，需要安装编译工具，但其跨平台性更好，具有更丰富的功能；

3.0.74的设备驱动库（tddl）代码文件夹中，专为UNIX与Windows系统编写了头文件，分别为tddl_unix.h和tddl_windows.h，使驱动与特定系统的兼容性更好，这两个文件在0.6中并没有；

4.0.6中对于内部数据存储的目录设定是通过代码包中tpmd文件夹下tpm_emulator_config.h与tpmd.c文件完成设定的，而0.7.4在tpm文件夹中另写了两个全局变量文件tpm_emulator_extern.h和tpm_emulator_extern.c，这里面定义了数据存储的目录，但没有具体赋值，最后的目录设定是在最终的CMakeLists.txt中完成的，此外，上述两个全局变量文件定义了相关的全局变量供其他代码文件使用，对WIN32和WIN64系统做出了特别的支持；

5.在用户空间守护程序（tpmd）的代码文件夹中0.6仍是对所有操作系统编写的统一代码，而0.7.4对UNIX和Windows分别进行了代码编写；

6.对于内核模块（tpmd_dev）的代码编写，0.6主要针对Linux及OpenBSD进行编写，而0.7.4还对Darwin进行了额外的编写。