基于可信連接的集群TCB構(gòu)建技術(shù)

韓培勝，趙 勇，常朝穩(wěn)，秦 晰

（1.北京工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100124；2.信息工程大學(xué) 密碼工程學(xué)院，河南 鄭州450004）

0 引 言

可信計(jì)算基TCB-（trusted computing base）［1］是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全訪問(wèn)控制［2］等安全機(jī)制的基礎(chǔ)，在應(yīng)用系統(tǒng)中，應(yīng)用層TCB 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的訪問(wèn)控制等安全機(jī)制，然而，由于應(yīng)用層TCB在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中位于硬件層、操作系統(tǒng)層之上，層次較高，極易受到來(lái)自底層-（操作系統(tǒng)層或硬件層）的攻擊而被旁路和破壞，造成系統(tǒng)安全機(jī)制失效。為了解決該問(wèn)題，文獻(xiàn)-［3，4］提出了一種單機(jī)終端上的TCB縱向擴(kuò)展的機(jī)制，以防止在單機(jī)終端上應(yīng)用系統(tǒng)TCB被旁路或破壞。

隨著以服務(wù)為核心計(jì)算模式的發(fā)展［5］，單機(jī)計(jì)算模式無(wú)法滿足企業(yè)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)作為計(jì)算中心的需求，為此，企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)一般通過(guò)將不同的業(yè)務(wù)功能部署在不同的服務(wù)器上以構(gòu)成集群系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)的訪問(wèn)控制等安全功能也是由集群中各節(jié)點(diǎn)的TCB相互協(xié)作來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，由于集群節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟豢尚判裕瑐卧?、假冒、破壞等攻擊手段極易實(shí)施，安全上下文信息在各集群節(jié)點(diǎn)TCB間傳遞時(shí)很容易受到破壞，另外，集群中假冒或被破壞的TCB也有可能影響整個(gè)系統(tǒng)安全機(jī)制正常運(yùn)行，可以看出，在集群環(huán)境中，上述文獻(xiàn)提出的單機(jī)擴(kuò)展機(jī)制并不能解決這些問(wèn)題。

為此，本文提出了一種集群TCB的概念，通過(guò)在集群中構(gòu)建一個(gè)全局的虛擬TCB來(lái)確保應(yīng)用系統(tǒng)安全機(jī)制正常發(fā)揮作用，解決單機(jī)TCB擴(kuò)展機(jī)制在集群環(huán)境下存在的問(wèn)題，以保障應(yīng)用系統(tǒng)的安全。

1 集群TCB定義

如圖1所示，在一個(gè)典型的集群系統(tǒng)中，集群由各集群節(jié)點(diǎn)相互連接構(gòu)成，應(yīng)用系統(tǒng)中的每個(gè)子系統(tǒng)分別部署于不同的集群節(jié)點(diǎn)中，每個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)依賴于該節(jié)點(diǎn)TCB提供安全支撐，各節(jié)點(diǎn)TCB之間相互連接構(gòu)成了一個(gè)全局的集群TCB，該TCB作為整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的虛擬TCB存在，為該應(yīng)用系統(tǒng)提供安全支撐，下面以形式化的方式給出集群TCB的定義。

圖1 集群TCB結(jié)構(gòu)

定義1 節(jié)點(diǎn)TCB，集群中每個(gè)集群節(jié)點(diǎn)的TCB 定義為節(jié)點(diǎn)TCB，節(jié)點(diǎn)TCB 為安全硬件、操作系統(tǒng)安全組件、應(yīng)用層安全組件的集合，節(jié)點(diǎn)i的TCB記為T(mén)i。

定義2 可信連接管道，集群中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)TCB 相互連接并傳遞安全上下文信息的可信通道稱為可信連接管道，Ti和Tj可信連接管道記為Pij＝ （Ti，Tj）。

定義3 集群TCB，集群中各節(jié)點(diǎn)TCB及節(jié)點(diǎn)TCB間可信連接管道的集合稱為集群TCB。

根據(jù)集群TCB中各節(jié)點(diǎn)TCB 連接的特點(diǎn)，集群TCB可用無(wú)向圖的方式表示，將有n 個(gè)節(jié)點(diǎn)的集群TCB 記為G，集群TCB 可表示為：G＝＜V，E＞，其中V＝ ｛T1，T2，…Tn｝，E＝ ｛Pij｜節(jié)點(diǎn)i與j之間存在可信連接管道｝。

由集群TCB 的定義可以看出，可信連接管道是集群TCB的一個(gè)重要組成部分，其安全性將直接影響集群TCB的安全，下面將給出可信連接管道的構(gòu)建方法。

2 可信連接管道的建立機(jī)制及安全性分析

2.1 可信連接管道建立機(jī)制

為了保障集群TCB連接的安全性，可信連接管道應(yīng)該是安全可信的，具體來(lái)說(shuō)，其應(yīng)具備以下特性：

（1）身份可信性，即確保節(jié)點(diǎn)TCB 的身份是合法的，通過(guò)身份可信，能夠防止非授權(quán)節(jié)點(diǎn)非法接入對(duì)集群TCB的干擾和破壞；

（2）狀態(tài)可信性，即確保節(jié)點(diǎn)TCB的完整性狀態(tài)是正常的，通過(guò)狀態(tài)可信，能夠在合法節(jié)點(diǎn)處于不安全狀態(tài)時(shí)，防止其對(duì)集群TCB整體的安全狀態(tài)造成影響；

（3）消息可信性，即確保節(jié)點(diǎn)TCB間消息傳遞是完整不受干擾的，通過(guò)消息可信，能夠防止安全上下文信息在傳遞時(shí)不被篡改和偽造。

為了實(shí)現(xiàn)這些安全特性，可信連接管道以公鑰密碼體系［6］為基礎(chǔ)、利用可信計(jì)算［7］思想建立。為了確保集群節(jié)點(diǎn)身份的可信，如圖2 所示，集群系統(tǒng)設(shè)立了證書(shū)中心CA，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分別頒發(fā)了一張數(shù)字證書(shū)，證書(shū)對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)私鑰存放在節(jié)點(diǎn)硬件安全模塊中，同時(shí)該模塊中還內(nèi)置了CA 的根證書(shū)；為了使節(jié)點(diǎn)能夠及時(shí)獲取已經(jīng)撤銷(xiāo)的證書(shū)信息，系統(tǒng)設(shè)立了LDAP 服務(wù)器，CA 能夠通過(guò)LDAP服務(wù)器發(fā)布證書(shū)撤銷(xiāo)列表CRL，各節(jié)點(diǎn)也能夠通過(guò)LDAP及時(shí)下載更新CRL；為了確保節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)的可信性，集群系統(tǒng)中設(shè)立了狀態(tài)評(píng)估中心，該中心能夠評(píng)估每個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)的完整性，同時(shí)為了表示狀態(tài)評(píng)估中心的身份，CA也為狀態(tài)評(píng)估中心頒發(fā)了數(shù)字證書(shū)。

圖2 基于CA 的證書(shū)體系結(jié)構(gòu)

如圖3所示，TA和TB分別是集群系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)A 和節(jié)點(diǎn)B的節(jié)點(diǎn)TCB，TA和TB之間建立可信連接管道的步驟分為3個(gè)階段，分別是身份認(rèn)證階段、狀態(tài)評(píng)估階段、消息通訊階段，本文在公鑰證書(shū)體系的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)專用安全協(xié)議，用以確保3個(gè)階段的安全性。

圖3中消息中各符號(hào)說(shuō)明如下：NX，節(jié)點(diǎn)X 產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)；CERTX，節(jié)點(diǎn)X 的證書(shū)；ENCX（Y），采用節(jié)點(diǎn)X 的公鑰加密數(shù)據(jù)Y；SIGX（Y），采用節(jié)點(diǎn)X 的私鑰對(duì)數(shù)據(jù)Y簽名；K，會(huì)話密鑰；HMK（Y），采用會(huì)話密鑰K 對(duì)報(bào)文Y 計(jì)算HMAC （加密散列值）［8］；SN，遞增消息序列號(hào)；STX，節(jié)點(diǎn)X 的狀態(tài)信息；R，節(jié)點(diǎn)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果；MSG，TCB節(jié)點(diǎn)間訪問(wèn)控制上下文消息。下面分別對(duì)各階段處理過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：

（1）身份認(rèn)證：身份認(rèn)證階段負(fù)責(zé)完成可信連接管道雙方身份的確認(rèn)，并協(xié)商出保護(hù)后期通訊完整性的會(huì)話密鑰，其步驟如下：

步驟1 節(jié)點(diǎn)A 生成隨機(jī)數(shù)NA，連同A 的證書(shū)一起發(fā)送給B；

步驟2 節(jié)點(diǎn)B驗(yàn)證A 的證書(shū)有效性，如果證書(shū)有效，則生成會(huì)話密鑰K 和隨機(jī)數(shù)NB，用自己的私鑰對(duì)K 和NA簽名，并用A的公鑰加密，最后連同NB和B證書(shū)發(fā)送給A；

圖3 可信連接管道的建立過(guò)程

步驟3 節(jié)點(diǎn)A 驗(yàn)證B的證書(shū)有效性，如果證書(shū)有效，則用自己的私鑰解開(kāi)加密消息，然后用B的證書(shū)驗(yàn)證B 對(duì)消息簽名有效性，并檢查消息中的NA與步驟1中生成隨機(jī)數(shù)的是否一致，上述過(guò)程中有一個(gè)驗(yàn)證失敗則斷開(kāi)連接；所有驗(yàn)證通過(guò)后，A 保存會(huì)話密鑰K，對(duì)K 和NB進(jìn)行哈希運(yùn)算，之后再用K 加密哈希值發(fā)送給B；

步驟4 B使用K 解密收到的消息，計(jì)算K 和NB的哈希值，檢查是否與解密后的明文一致，如果一致則認(rèn)證身份認(rèn)證成功，否則認(rèn)為身份認(rèn)證失敗并斷開(kāi)連接。

上述步驟2和步驟3中，雙方分別驗(yàn)證了對(duì)方證書(shū)的有效性，具體的證書(shū)有效性驗(yàn)證方法如下：首先基于根證書(shū)驗(yàn)證對(duì)方證書(shū)的簽名，然后檢查證書(shū)的有效期限是否到期，最后通過(guò)CRL檢查證書(shū)是否已經(jīng)被CA 撤銷(xiāo)，所有檢查通過(guò)后才認(rèn)為證書(shū)是合法的。

（2）狀態(tài)評(píng)估：狀態(tài)評(píng)估主要是檢查節(jié)點(diǎn)TCB的完整性狀態(tài)是否合法，實(shí)施時(shí)由狀態(tài)評(píng)估中心統(tǒng)一對(duì)終端的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并給出結(jié)果，主要步驟如下：

步驟1 節(jié)點(diǎn)A 通過(guò)文獻(xiàn) ［3］所述擴(kuò)展方式計(jì)算節(jié)點(diǎn)TCB各部件完整性狀態(tài)STA，利用私鑰對(duì)完整性狀態(tài)進(jìn)行簽名，加入遞增序列號(hào)SN，并利用K 計(jì)算其HMAC 值，將這些信息一起發(fā)送給B；節(jié)點(diǎn)B收到消息后，利用K 計(jì)算HMAC值驗(yàn)證消息完整性，并檢查A 簽名的有效性，之后用自己的私鑰對(duì)STA簽名并發(fā)送給狀態(tài)評(píng)估中心；

步驟2 狀態(tài)評(píng)估中心收到該消息后，評(píng)估TCB 完整狀態(tài)有效性，并返回帶自己簽名的評(píng)估結(jié)果；B 收到評(píng)估結(jié)果后，檢查狀態(tài)評(píng)估中心簽名有效性，如果狀態(tài)評(píng)估失敗，則斷開(kāi)連接，如果評(píng)估成功，則將自己的狀態(tài)消息發(fā)送給A；A 收到消息后重復(fù)以上過(guò)程驗(yàn)證B 狀態(tài)有效性。

（3）消息通訊：消息通訊主要用于傳遞訪問(wèn)控制的上下文信息，整個(gè)消息包括遞增序列號(hào)，訪問(wèn)控制上下文信息和采用K 加密得到的HMAC，接收者收到信息后需要驗(yàn)證HMAC 的有效性。每當(dāng)傳遞一條消息后，雙方各自保存的遞增序列號(hào)都會(huì)增加1，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)收到的消息序列號(hào)小于當(dāng)前保存的消息序列號(hào)，則丟棄該消息。

2.2 安全性分析

由上文可知，可信連接管道建立分為3 個(gè)階段，下面對(duì)其安全性分別進(jìn)行分析。

（1）身份認(rèn)證安全性分析：身份認(rèn)證由安全協(xié)商協(xié)議完成，本文采用BAN 邏輯進(jìn)行協(xié)議安全性證明［9］，以下是具體的證明過(guò)程。

初始化假設(shè)如下：

3）A｜≡＃NA，由于NA由A 自己生成，因此A 相信NA是新鮮的；

6）B｜≡＃NB，由于NB由B生成，因此B相信NB是新鮮的。

協(xié)議理想化如下

根據(jù)BAN 邏輯接收規(guī)則，由理想化式 （2）知

根據(jù)邏輯接收規(guī)則，由式 （4）和1）得

根據(jù)邏輯消息含義規(guī)則，由式 （5）和2）得

根據(jù)新鮮性規(guī)則，由3）得

根據(jù)臨時(shí)值驗(yàn)證規(guī)則，由式 （6）和式 （7）得

根據(jù)信仰規(guī)則，由式 （8）得

根據(jù)仲裁規(guī)則，由式 （9）和4）得

根據(jù)消息含義規(guī)則，由理想化式 （3）和5）知

根據(jù)新鮮性規(guī)則，由6）得

根據(jù)臨時(shí)值驗(yàn)證規(guī)則，由式 （11）和式 （12）得

根據(jù)信仰規(guī)則，由式 （13）得

由以上證明，得到了一級(jí)信仰式 （10）和6）以及二級(jí)信仰式 （9）和式 （14），說(shuō)明A 和B 均信任會(huì)話密鑰K，且A 相信B信任會(huì)話密鑰K，同時(shí)B相信A 信任會(huì)話密鑰K，身份認(rèn)證協(xié)議安全性證明完畢。

（2）狀態(tài)評(píng)估階段安全性分析：在狀態(tài)評(píng)估階段，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)TCB各部件完整性狀態(tài)的評(píng)估，能夠反映出當(dāng)前節(jié)點(diǎn)TCB是否受到破壞，一旦某個(gè)節(jié)點(diǎn)TCB 受到破壞，其將無(wú)法連接任何一個(gè)正常節(jié)點(diǎn)，確保了整個(gè)集群TCB狀態(tài)的可信性。

在節(jié)點(diǎn)TCB與狀態(tài)評(píng)估中心交互的過(guò)程中，狀態(tài)評(píng)估結(jié)果經(jīng)過(guò)了狀態(tài)評(píng)估中心的私鑰進(jìn)行簽名，同時(shí)所有消息均帶有唯一序列號(hào)，防止消息被重用，確保了狀態(tài)評(píng)估結(jié)果的權(quán)威性和可信性。

（3）消息通訊階段安全性分析：在消息通訊階段，所有消息均采用基于會(huì)話密鑰的HMAC保護(hù)，攻擊者必須知道會(huì)話密鑰才能夠偽造消息，而會(huì)話密鑰是在身份認(rèn)證階段通過(guò)公鑰保護(hù)傳輸?shù)?，攻擊者無(wú)法獲取，一旦消息被篡改，通過(guò)HMAC計(jì)算便能夠發(fā)現(xiàn)，從而保護(hù)了消息的完整性，同時(shí)每次通訊消息序列號(hào)都會(huì)遞增，能夠防止重放攻擊［10］的發(fā)生。

由以上分析可以看出，可信連接管道建立機(jī)制通過(guò)在安全協(xié)商基礎(chǔ)上引入狀態(tài)評(píng)估，實(shí)現(xiàn)了身份、狀態(tài)和消息的可信性，確保了可信連接管道的安全可信。

3 集群TCB的構(gòu)建方法

由集群TCB定義可知，若干個(gè)節(jié)點(diǎn)TCB 通過(guò)可信連接管道相互連接構(gòu)成一個(gè)無(wú)向圖，最終形成的無(wú)向圖G 應(yīng)具有如下性質(zhì)：

性質(zhì)1：圖G 中不存在孤立節(jié)點(diǎn)。

性質(zhì)2：圖G 中不含有平行邊，即兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間只存在一條連接。

性質(zhì)3：圖G 中允許存在回路。

為了滿足集群TCB 性質(zhì)要求，集群TCB 構(gòu)建必須依據(jù)一定的規(guī)則和步驟建立，不能是無(wú)序的，否則極易發(fā)生連接重復(fù)和連接孤島的情況，為此，本文制定了一種由初始可信節(jié)點(diǎn)逐步擴(kuò)展的構(gòu)建機(jī)制，其構(gòu)建過(guò)程如下：

步驟1 在初始狀態(tài)下，集群TCB 是空集，即G＝＜V，E＞，V＝Φ，E＝Φ；

步驟2 選定一個(gè)集群節(jié)點(diǎn)T1為初始可信節(jié)點(diǎn)，并把該T1加入到圖G 中，此時(shí)V＝ ｛T1｝，E＝Φ；

步驟3 節(jié)點(diǎn)Ti與V 中的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)Tj利用可信連接管道構(gòu)建機(jī)制建立安全可信連接，此時(shí)，如果Ti不屬于V，則V＝V∩ ｛Ti｝，E＝E∩ ｛Pij｝；若Ti屬于V，且Pij不屬于E，則E＝E∩ ｛Pij｝，否則認(rèn)為出現(xiàn)平行邊，需要斷開(kāi)當(dāng)前連接；

步驟4 重復(fù)步驟3，最終建立起的圖G 包含所有可信節(jié)點(diǎn)。

通過(guò)以上步驟可以看出，集群TCB的構(gòu)建過(guò)程是從一個(gè)節(jié)點(diǎn)TCB的可信開(kāi)始，通過(guò)逐個(gè)驗(yàn)證的方法，逐步擴(kuò)展其可信邊界，最終將整個(gè)集群的可信TCB節(jié)點(diǎn)都納入到可信集合中，通過(guò)該過(guò)程構(gòu)建的集群TCB同時(shí)也符合了集群TCB的基本性質(zhì)。在實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)確保集群TCB關(guān)系明確、結(jié)構(gòu)層次清楚，實(shí)施時(shí)可以采用星形、樹(shù)形結(jié)構(gòu)等層次結(jié)構(gòu)良好的方式來(lái)組織節(jié)點(diǎn)間連接關(guān)系，以便于管理和維護(hù)。

如圖4左邊所示為星形TCB 構(gòu)建方式，其中T1為初始可信節(jié)點(diǎn)，其它節(jié)點(diǎn)以T1為中心分別建立可信連接管道。此種擴(kuò)展方式優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)施，缺點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)T1壓力較大，可能存在性能上的瓶頸。如圖4右邊所示為樹(shù)形的TCB 構(gòu)建方式，其中T1為初始可信節(jié)點(diǎn)，T2、T3分別與T1建立可信連接管道后，便成為可信節(jié)點(diǎn)，此時(shí)T2、T3又可與自己的子節(jié)點(diǎn)建立可信連接，依次類(lèi)推，最終形成了以節(jié)點(diǎn)T1為根的樹(shù)形結(jié)構(gòu)。此種擴(kuò)展方式的優(yōu)點(diǎn)是組織結(jié)構(gòu)靈活，分散了根結(jié)點(diǎn)的壓力，缺點(diǎn)是管理組織相對(duì)復(fù)雜。

圖4 基于星形和樹(shù)形的TCB構(gòu)建方式

構(gòu)建方式可以根據(jù)集群的規(guī)模和復(fù)雜度等情況進(jìn)行選擇，當(dāng)集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單時(shí)，可以采用星形結(jié)構(gòu)，當(dāng)集群節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多且系統(tǒng)部署結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，可以采用擴(kuò)展性好的樹(shù)形結(jié)構(gòu)，根據(jù)集群實(shí)際情況，也可采用星形和樹(shù)形相結(jié)合的構(gòu)建方式。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的一種基于可信連接的集群TCB構(gòu)建技術(shù)通過(guò)構(gòu)建一個(gè)可信的全局虛擬TCB，將TCB的擴(kuò)展范圍從單機(jī)延伸到了網(wǎng)絡(luò)集群環(huán)境，該技術(shù)使安全上下文在節(jié)點(diǎn)間傳輸時(shí)不會(huì)被假冒和破壞，解決了目前TCB擴(kuò)展機(jī)制無(wú)法應(yīng)用于集群環(huán)境的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)形式化的證明，所提出的擴(kuò)展方法是安全可信的。該技術(shù)可用于解決企業(yè)集群系統(tǒng)中應(yīng)用系統(tǒng)TCB的安全問(wèn)題，也可廣泛應(yīng)用于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理等集群計(jì)算模式的系統(tǒng)中，為這些系統(tǒng)提供有效的安全保障。

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