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CN100511086C - 在预引导环境中提供安全执行模式 - Google Patents

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CN100511086C
CN100511086C CNB2003801040383A CN200380104038A CN100511086C CN 100511086 C CN100511086 C CN 100511086C CN B2003801040383 A CNB2003801040383 A CN B2003801040383A CN 200380104038 A CN200380104038 A CN 200380104038A CN 100511086 C CN100511086 C CN 100511086C
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Abstract

在一种实施方案中，本发明包括一种方法，用于在计算机系统中建立安全预引导环境；并且在所述安全环境中执行至少一个安全操作。在一种实施方案中，安全操作可以是在安全预引导环境中存储机密。

Description

在预引导环境中提供安全执行模式
背景
本发明涉及计算机系统的操作，更具体地说涉及预引导(pre-boot)环境中这一系统的操作。
当打开计算机系统时，在被初始化并且能够与用户通信之前，它不能执行用户期望的功能。这一初始化处理通常包括引导过程，一般由启动(boot-up)固件执行。启动固件可以是操作系统(“OS”)、OS的一部分、基本输入/输出系统(“BIOS”)或其他软件。
启动固件通常存储在某种形式的非易失性存储器中，并允许中央处理单元(“CPU”)执行各种任务，例如初始化、诊断、从大容量存储装置加载操作系统内核以及例程式的输入/输出(“I/O”)功能。启动固件可以存储在可擦除可编程只读存储器(“EPROM”)或快闪半导体存储器中。
在这一预引导环境中，通常只可获得极少的或者没有安全措施(所有的代码运行在原始的环0物理模式中)，也不能在预引导环境中存储机密。而且，当从预引导环境进入OS环境时，不能建立所谓的从预引导环境到OS环境的信任根(root of trust)。根据2002年2月22日发布的可信(trusted)计算平台联盟(TCPA)主规范版本1.16，这种信任根对于可信计算平台是所期望的，以提供与它自身以及它的当前软件处理有关的可靠信息，并提供对它的软件处理的操作的证明。
附图说明
图1是根据本发明一种实施方案的示例性程序流程的流程图。
图2是根据本发明一种实施方案的示例性固件操作的流程图。
图3是根据本发明一种实施方案的预引导环境的操作的流程图。
图4是根据本发明一种实施方案的系统的方框图。
具体实施方式
在一种实施方案中，本发明可用来建立计算机系统的安全的预引导执行环境。在这里使用时，术语“计算机系统”可指任何类型的基于处理器的系统，例如桌面计算机、膝上型计算机、服务器计算机、电器(appliance)或机顶盒等等。在特定的实施方案中，计算机系统可包括所谓的英特尔体系结构(IA)处理器，例如IA-32处理器，可从加州圣·克拉拉的英特尔公司获得。但是，应理解到在其他实施方案中，本发明可与当前已知或将来会出现的其他CPU微体系结构结合使用。
在一种实施方案中，安全预引导执行环境可实现在遵从由加州圣·克拉拉的英特尔公司于2000年12月12日发布的可扩展固件接口(EFI)规范(版本1.02)的固件中。
根据一种实施方案的计算机系统的安全预引导执行环境可用来执行安全操作，例如机密存储和后续对该机密的访问；这也公知为安全存储或隔绝存储。在这里使用时，“机密(secret)”意味着当未在安全预引导环境中时，对计算机系统和用户隐藏的任何信息(无论是数据、指令或其他)。例如，这样的机密可包括密钥、密码、财务信息、医疗记录等等。另外，安全预引导模式可用于隔绝执行。这提供了一种手段将非可信的、错误的或恶意的代码(统称为“有害代码”)与其他可信的可验证的代码隔离开来。
图1是根据本发明一种实施方案的示例性程序流程的流程图。如图1所示，计算机系统重启后(方框5)，固件确定CPU是否能够适应安全预引导模式操作，即CPU是否是安全性使能的(菱形10)。如果存在这样的CPU，则可运行安全性初始化软件(方框15)。然后，可安装BIOS安全虚拟机监视器(SVMM)(方框20)，并可进入SVMM预引导环境。在这里使用时，术语“安全虚拟机监视器”或“SVMM”意味着一种安全环境，其中在单个平台上存在一个或多个操作环境。在SVMM期间，可执行任何期望的安全操作，例如机密存储/访问、闪存更新等等。
应理解到，“虚拟机”不是必需的；相反，所述软件可以是安全监视器，其中所述“监视器”方面涉及检测并限制非可信代码的访问的能力。在某些实施方案中，SVMM可形成可信计算基(TCB)；TCB是一个小的经验证的代码子集，其可从其余代码隔绝开来，并控制其余代码的行为。TCB可设计成很小，以具有对安全性和保险性属性的形式上的第三方审查。
然后，或者，如果没有安全模式处理器可用，则可完成自加电检测(POST)，并且预引导环境预备加载OS(方框25)。然后确定进行可信OS加载是否可能(菱形30)。如果这样的加载是可能的，则卸载BIOS SVMM(方框35)。无论是哪种方式，OS然后都可取得对计算机系统的控制(方框40)。
应理解到，安全CPU运行模式的早期调用并不局限于虚拟机监视器(VMM)设计例如SVMM，而是可以和其他CPU安全性模式结合使用。
在一种实施方案中，固件可以在一系列阶段中执行预引导操作。图2是根据本发明一种实施方案的示例性固件操作的流程图。如图2所示，机器起动或重启后，可执行安全性阶段(方框110)。在安全性阶段中，可执行平台复位或加电后的初始操作来确保固件完整性是完好无缺的。然后，可执行预EFI(PEI)初始化阶段(方框120)。在PEI阶段中，代码可执行最小的处理器芯片集和平台配置以支持存储器发现。
然后，可执行驱动器执行(DXE)阶段(方框130)。正是在这一阶段中，大多数固件代码可运行在预引导环境中。在一种实施方案中，所述代码可实现为多个驱动器，其完成平台和设备的初始化。最终，可执行操作系统加载阶段(方框140)。在这一阶段中加载操作系统，该阶段结束时操作系统取得对平台的控制。
在一种实施方案中，固件可发起虚拟机监视器(VMM)驱动器。该驱动器可发布VMM协议的实例。在某些实施方案中，所述驱动器可早在DXE阶段中发起，并可执行SENTER命令来访问安全环境发起。
在一种实施方案中，VMM驱动器可具体化SVMM，在某些实施方案中，SVMM可具有可扩缩(scalable)的能力。该可扩缩性来源于VMM驱动器的下述能力，即允许将后续驱动器加载到安全执行模式中(这里称为“虚拟机扩展”或“VMX”)。在某些实施方案中，SVMM可执行在最高特权级(例如IA32处理系统中的环0P)。任何后续加载的驱动器都可执行在较低的特权级(例如IA32处理系统中的环3P)。而且，设计来运行在安全预引导环境中的任何其他代码(例如客户容宿系统管理模式(SMM)驱动器等等)也可执行在环3P中。
在各种实施方案中，这些后续驱动器可通过经过认证的驱动器加载机制来发起，以确保只有可信驱动器才被加载到SVMM所管理的安全预引导环境中。在一个这样的实施方案中，所述认证处理可包括使用公钥基础设施(PKI)来确保只有可信驱动器才被加载到VMX环境中。或者，可使用核心信任根维护来发起SVMM，包括但不局限于从复位向量到安全性阶段，到PEI阶段，再到DXE阶段的过渡性信任转交，如上所述。
在某些实施方案中，发布VMM协议的SVMM驱动器可具有若干职能。首先，它可以是平台上发射SENTER命令的首个代理，因此它还可来负责接收后续系统管理中断(SMI)激活。在某些实施方案中(例如遗留操作系统)，这一职能可在OS运行时间期间被保持，而在其他实施方案(例如EFI敏感的OS)中，这一职能可转换成操作系统提供的SVMM。
在某些实施方案中，SVMM可加载附加的VMX驱动器。这些驱动器可以是期望利用VMX的隔绝存储和执行属性的代码序列；这些驱动器可包括可从英特尔公司获得的BIOS完整性服务驱动器；认证服务，例如可从马萨诸塞州剑桥的麻省理工学院获得的Kerberos：或诸如密码算法的预引导实现之类的其他安全性代码，例如执行非对称密码计算的代理，例如可从马萨诸塞州Bedford的RSA安全公司获得的Rivest Shamir Adleman(RSA)。隔绝前述代码的要点在于需要所述代码的完整性(即，还没有被篡改)来满足驱动器行为的安全性断言。
现在参考图3，示出了根据本发明一种实施方案的预引导环境的操作的流程图。如图3所示，固件控制系统(方框210)。这一控制可以发生在加电时，通过系统状态(例如S3睡眠状态)事件或以其他方式进行。然后，初始化平台(方框220)。在某些实施方案中，这一初始化可包括对处理器、芯片集和存储器的最小的配置。
然后，如图3所示，可以初始化并创建安全环境(方框230)。这一初始化可包括从持久性存储设备获得安全代码。在一种实施方案中，所述安全代码可存储在对系统主板来说永久固定的闪存器件中。由于这一代码存储在持久性存储设备中，并已知为安全设备，因此预引导环境具有一定级别的完整性。而且，在一种实施方案中，所述初始化可包括执行芯片集中的代码以确保芯片集处于用于安全预引导操作的可允许状态中。在一种实施方案中，安全初始化可通过执行加载SINIT命令来完成。
在一种实施方案中，创建安全环境可包括在固定令牌中生成摘要(下面将进一步讨论)，其提供了与安全环境中的平台有关的信息。而且，创建安全环境可包括设立存储器栈。在一种实施方案中，可通过加载SVMM来创建安全环境，如上所述。
然后，可在预引导环境中执行安全操作(方框240)。在这里讨论时，这些操作可包括例如使用固定令牌来对机密进行密封和解封。安全环境的另一种用途可以是更新闪存。而且，这些操作可包括安全驱动器或可信驱动器以及证明日志/签名的执行。这样的签名证明例如可转交给一个质疑者。
当已执行预引导环境中的期望操作时，可进入引导环境(方框250)。在一种实施方案中，可提供从安全预引导环境到可信OS环境的过渡性转交。在其他实施方案中，在OS发起前可解除安全预引导环境。或者，在其他实施方案中，例如可利用在用于执行或保持平台完整性的背景下所保持的安全模式来进入引导环境。虽然参考单处理器进行了讨论，但是在其他实施方案中，也可存在多处理器环境(逻辑的或实际的)。
在一种实施方案中，安全预引导环境可保持一个机密，然后该机密可由平台固件所使用。在第一发起时，安全预引导环境可生成这一机密，其具有根密钥的形式，并适用于安全预引导环境所支持的算法和协议。一旦生成，该根密钥就可被保护起来，以使得受保护的根密钥只对运行在相同平台上的相同安全预引导环境公开。
在某些实施方案中，这一保护可通过使用可信计算平台(TCP)(或等效的硬件“保险箱”)来完成。在一种实施方案中，可使用固定令牌工具来密封安全预引导环境的根密钥。在一种实施方案中，固定令牌工具可以是附着于计算机系统的主板，并可与CPU通信的芯片，下面将进一步讨论。
在一种实施方案中，机密的生成可使用下述密封操作来完成，所述密封操作使用只可由所述固定令牌访问的密钥来加密安全预引导环境的根密钥和已注册标识二者。这一加密的数据(“密钥团”)然后可存储在大容量存储装置(例如计算机系统的硬盘驱动器)中。当发起安全预引导环境时，例如在后续的平台引导中，可将所述密钥团返回给固定令牌，固定令牌对之解密，并将之与针对当前安全预引导环境而注册的标识进行比较。如果当前安全预引导环境标识与密钥团中嵌入的标识匹配，则向安全预引导环境公开根密钥。
在一种实施方案中，密封操作允许软件显式地声明为了使得可公布机密，平台必须处于将来的“可信”配置之中。密封操作还隐式地包括以前执行该密封操作时的相关平台配置(即平台配置寄存器(PCR)值)。密封操作可使用预选择的值来将所述团绑定到单个TCP。
如果解封操作成功，则可以将平台配置在以前执行密封操作时是有效的这一证据，以及机密数据返回到调用者。
在某些实施方案中，安全预引导环境还可允许一种向外扩展(scale out)设计，其中可通过可加载的驱动器来提供额外的安全性能力和支持。在一种实施方案中，所述驱动器可以是EFI运行时间驱动器。这些驱动器可包括但不局限于用于安全代码执行的安全存储接口和驱动器。这样的驱动器可提供用户认证、远程映像完整性质疑者以及经证明的引导，所有这些都在一个加强的环境内。
在一种实施方案中，安全预引导环境可确保系统管理基址(SMBASE)的安全，以使得没有任何其他预引导组件可执行SENTER并因而具有系统管理随机访问存储器(SMRAM)内部的可见性。
因此，在这样的实施方案中，安全预引导环境可在发起后接收SMI激活。通过安全预引导的早期发起，由于所关联的系统管理模式存储器(SMMEM)激活，流氓软件执行SENTER的能力以及可看到SMRAM内部的能力被降低了。
在多种实施方案中，安全预引导环境可具有若干卸载选项。对于EFI敏感(EFI-aware)的OS引导，安全预引导环境可解除安全环境。或者，安全预引导环境可一直保持，直到调用了某种后来的“卸载”服务。
例如，安全预引导环境可提供到OS SVMM的受管理的转交。这出现了一个机会来从预引导建立可被完整地转移到操作系统的信任根，因而提供了在超出OS可通过在启动时加载自己的SVMM而得到的保证之外的与平台稳定性有关的额外保证，并且提供了在OSSVMM的控制下，平台SMM代码来源的更大保证，所述平台SMM代码将持续在操作系统运行时间中。
在多种实施方案中，本发明可为预引导空间中的代码提供安全操作环境。这样的环境提供了机会来改变对平台完整性非常关键的操作的处理方式，因而扩展了平台设计包封并改善了用户体验。
例如，在安全预引导环境中，闪存更新的执行可不必强制执行“init”命令，因为对闪存的写访问可由运行在安全预引导环境内的可信代码打开。具体地说，提供安全性(可包括但不局限于页面级保护)的存储器管理单元操作可由SVMM建立，以将对快闪区域的访问仅限于可信方。这些可信方可包括但不局限于平台所有者更新代码。
在另一种实施方案中，闪存更新可由引导环境中的可信OS执行。在这样的实施方案中，安全预引导环境期间的CPU可通过页面级保护机制来保护闪存区域。当从安全预引导环境发生过渡性转交时，可将相同的受保护存储区域提供给OS。因此，当处于引导环境期间，受保护的存储器(即闪存)可相应地被访问和更新。
在某些实施方案中，操作系统(OS)运行时间期间可使用SVMM来一同运行操作系统的SVMM。BIOS SVMM可提供特定于平台的行为，例如可靠性—可用性—可服务性(RAS)。这些可包括处理特定的平台错误，例如对具有纠错码(ECC)单比特错误(SBE)的存储器物理页面的写。芯片集检测到的SBE通常需要访问存储器的一个区域以进行读并且然后进行写回，以更新所述症状位(syndrome bits)。没有标准化的方式来向操作系统警告这一故障和必需的行为，并且在安全操作系统运行时间期间，OS控制所有的存储器。这样，与OS SVMM对等的BIOS SVMM规定了先前在系统管理模式(SMM)中完成的特定于平台的活动；SMM在安全操作系统到来之前具有对系统的完全访问权限。
另外，现今存在操作系统相对于平台而作出的默许信任断言。例如，BIOS创建描述不可枚举的资源的表，例如全存储器图、固定端口、本地APIC(高级可编程中断控制器)的地址、中断路由以及其他资源。这些表仅通过简单的校验和来保护。但是，对于可信平台，这些如今存储在普通存储器中的表可能会是攻击点。攻击者可排列出描述平台的值，并对操作系统撒谎；这一攻击可包括隐藏存储器、欺骗(spoofing)端口等等。预引导环境可用来生成这些表，对所述内容签名，过渡性地转交到具有信任断言的OS SVMM等等。
实施方案可实现在计算机程序中。这样，这些实施方案可存储在存储介质上，该介质上存储有指令，可用来对计算机系统编程以执行所述实施方案。存储介质可包括但不局限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、致密盘只读存储器(CD-ROM)、致密盘可重写盘(CD-RW)以及磁光盘、诸如只读存储器(ROM)、随机访问存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，闪存，磁卡或光卡的半导体设备，或任何类型的适用于存储电子指令的介质。类似地，实施方案可实现为由可编程控制设备执行的软件模块。可编程控制设备可以是计算机处理器或定制设计状态机。定制设计状态机可包括在硬件设备中，例如具有离散逻辑的印刷电路板、集成电路或专门设计的专用集成电路(ASIC)。
示例性实施方案可实现在软件中，以由适当的数据处理系统执行，所述系统配置以硬件设备的适当组合。图4是代表性数据处理系统的方框图，即可与本发明的实施方案一起使用的计算机系统300。
现在参考图4，在一种实施方案中，计算机系统300包括处理器310，处理器310可包括通用或专用处理器，例如微处理器、微控制器、ASIC、可编程门阵列(PGA)等等。
在一种实施方案中，处理器310可通过主机总线315耦合到存储器中心320，存储器中心320可通过存储器总线325耦合到系统存储器330。如图4所示，在某些实施方案中，系统存储器330可具有受保护的存储器页面。这样的页面例如可包括与SVMM以及其他可信虚拟机相关的页面等等。在某些实施方案中，存储器中心320可被配置来阻塞对系统存储器330的受保护页面的至少某些部分的访问。存储器中心320还可通过高级图形端口(AGP)总线333耦合到视频控制器335，视频控制器335可耦合到显示器337。AGP总线333可遵从加速图形端口接口规范(修订版2.0)，由加州圣·克拉拉的英特尔公司于1998年5月4日发布。
存储器中心320还可(通过中心链路338)耦合到输入/输出(I/O)中心340，I/O中心340耦合到输入/输出(I/O)扩展总线342和外围组件互连(PCI)总线344，PCI总线344由1995年6月的PCI局部总线规范出品版(修订版2.1)定义。I/O扩展总线342可以耦合到对一个或多个I/O设备的访问进行控制的I/O控制器346。如图4所示，在一种实施方案中，这些设备可包括存储设备(例如软盘驱动器350)和输入设备(例如键盘352和鼠标354)。闪存341也可耦合到I/O扩展总线242，在一种实施方案中，闪存341可持久地存储用于预引导环境的安全代码。I/O中心340例如还可耦合到硬盘驱动器356，如图4所示。应理解到，其他存储介质也可包括在所述系统中。
固定令牌343也可耦合到I/O扩展总线342。在一种实施方案中，固定令牌343可永久绑定到计算机系统300的主板。固定令牌343可以是通用处理器、ASIC等等，其可具有基本的所谓“职能卡”功能。在某些实施方案中，这些功能可包括密码功能例如密钥、存储、签名和加密。在多种实施方案中，固定令牌343可用于机密的证明和密封/解封。这样的证明可包括对平台遵从性以及所加载的特定监视器/小应用程序的证明。在密封机密时，固定令牌343可被编程来对相同环境或所选择的环境而密封/解封机密。
在某些实施方案中，便携式令牌358可耦合到I/O中心340。应理解到，这一耦合可通过任何标准连接(例如通用串行总线(USB))进行。在一种实施方案中，便携式令牌358可具有于固定令牌343相似的功能。例如，便携式令牌358可用来为用户测试系统，提供便携式用户机密，提供匿名标识等等。
在另一种实施方案中，I/O控制器346可集成到I/O中心340中，其他控制功能也可如此。PCI总线344也可耦合到各种组件，例如包括耦合到网络端口(未示出)的网络控制器360。
其他设备可耦合到I/O扩展总线342和PCI总线344，例如耦合到并行端口、串行端口、非易失性存储器等的输入/输出控制电路。
虽然前面的描述参考了系统300的特定组件，但是应考虑到可对所描述和示出的实施方案作出多种修改和变动。例如，替代于存储器和I/O中心，主机桥控制器和系统桥控制器可提供等同的功能。另外，可实现多种总线协议中的任意一种。
虽然已参考有限数量的实施方案来描述了本发明，但是本领域的普通技术人员可从其认识到多种修改和变体。所附权利要求书应覆盖所有这种修改和变体，它们都落在本发明的真正精神和范围之内。

Claims (24)

1.一种方法，包括：
在计算机系统中建立安全预引导环境；以及
防止非可信的装置在所述安全预引导环境期间被加载。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在所述安全预引导环境中存储机密。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将所述计算机系统从所述安全预引导环境转移到操作系统环境。
4.如权利要求1所述的方法，还包括在所述安全预引导环境中发起安全虚拟机监视器。
5.如权利要求1所述的方法，还包括在所述安全预引导环境中更新闪存。
6.如权利要求1所述的方法，还包括在所述安全预引导环境中发布系统管理命令。
7.如权利要求1所述的方法，还包括在所述安全预引导环境中接收系统管理中断。
8.如权利要求2所述的方法，还包括生成所述机密，其具有通过固定令牌密封的根密钥的形式。
9.如权利要求8所述的方法，还包括只在所述安全预引导环境期间才向所述计算机系统公开所述根密钥。
10.如权利要求1所述的方法，还包括将有害代码从可验证代码隔绝开来。
11.一种方法，包括：
在预引导环境中提供计算机系统的固件控制；
在所述预引导环境中创建安全环境；以及
防止非可信的装置在所述安全环境期间被加载。
12.如权利要求11所述的方法，还包括从所述预引导环境进入引导环境。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在所述引导环境的背景中保持所述安全环境。
14.如权利要求12所述的方法，还包括如果所述引导环境是可信引导环境则解除所述安全环境。
15.如权利要求11所述的方法，还包括在所述预引导环境中存储机密。
16.如权利要求15所述的方法，还包括使用固定令牌来存储所述机密。
17.如权利要求15所述的方法，还包括在所述预引导环境中处于所述安全环境的不同入口期间访问所述机密。
18.如权利要求13所述的方法，还包括使用所述安全环境来执行可靠性、可用性、可服务性功能。
19.如权利要求12所述的方法，还包括在所述预引导环境中生成表，并将所述表提供给具有信任断言的引导环境。
20.一种系统，包括：
至少一个存储设备，其包括的指令被执行时，使得所述系统：
在计算机系统中建立安全预引导环境；并且防止非可信的装置在所述安全预引导环境期间被加载；以及
耦合到所述至少一个存储设备以执行所述指令的处理器。
21.如权利要求20所述的系统，还包括下述指令，其被执行时使得所述系统在所述安全预引导环境中存储机密。
22.如权利要求20所述的系统，还包括闪存，其包括安全基本输入/输出系统代码。
23.如权利要求20所述的系统，还包括耦合到所述处理器的固定令牌。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述固定令牌包括至少一个用于机密安全性的根密钥。
CNB2003801040383A 2002-11-27 2003-10-20 在预引导环境中提供安全执行模式 Expired - Lifetime CN100511086C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

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