【译】可信平台模块 TPM

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本文是 Trusted Platform Module - Wikipedia 的部分翻译，译于 2022 年 10 月 17 日。

概述

TPM 提供：

  • 一个硬件随机数生成器
  • 用于安全生成有限用途密钥的设施
  • 远程认证：创建一个几乎不可伪造的硬件和软件配置的哈希密钥摘要，可以用来验证软硬件是否被修改。负责给配置生成哈希的软件决定了摘要的范围。
  • 绑定：用 TPM 绑定的密钥（一个从存储密钥派生而来的唯一的 RSA 密钥）加密数据。包含 TPM 的计算机可以创建密钥并用 TPM 来加密这些密钥，以便它们只能由 TPM 解密。这一过程通常称为包装或绑定密钥，可以保护密钥不被泄露。每个 TPM 有一个存于内部的主包装密钥，称为存储根密钥(storage root key)。用户级 RSA 密钥容器和特定用户的 Windows 用户配置一起存储，可以用于加解密以该特定用户身份运行的应用程序的信息。
  • 密封：类似于绑定，但要指定 TPM 状态以便解密（开封）数据。
  • 其他解密（开封）数据的可信计算功能。

由于每个 TPM 芯片在生产时都有烧录在内的一个唯一且保密的背书密钥 (Endorsement Key, EK)，计算机程序可以使用 TPM 来认证硬件设备。嵌入硬件的安全方案能比纯软件解决方案提供更多保护。但它在某些国家受到限制。

用途

平台完整性证明

TPM 的主要应用范围是确保平台的完整性。在这里，“完整性”表示“按预期行为”，而“平台”是指任何计算机设备，无论是什么操作系统。这是为了确保从硬件和软件的可信组合开始计算机启动过程，并一直持续到操作系统完全启动并运行应用程序为止。

使用 TPM 时，固件和操作系统负责确保完整性。

例如，统一的可扩展固件接口（UEFI）可以使用 TPM 形成信任根：TPM 包含若干平台配置寄存器（PCRs），允许安全存储和报告安全相关的度量值。这些度量值可用于检测对先前配置的更改并决定如何处置。可以在 Linux Unified 密钥设置（LUKS），Bitlocker 和 Privatecore vCage 内存加密中找到此类使用的例子。（见下文。）

使用基于 TPM 的平台完整性验证的另一个例子是 Microsoft Office 365 的许可证和 Outlook Exchange。

TPM 用于平台完整性的一个示例是 Trusted Execution Technology （TXT），它建立了一条信任链。它可以远程验证计算机正在使用指定的硬件和软件。

磁盘加密

像 dm-crypt 和 BitLocker 这样的全盘加密程序可以使用 TPM 技术来保护用于加密存储设备的密钥，并为包含固件和引导扇区的可信引导路径提供完整性身份验证。

其他用途和疑虑

任何应用程序都可以使用 TPM 芯片来：

  • 数字版权管理（DRM）
  • Windows Defender
  • Windows 域登录
  • 软件许可证保护和执行
  • 防止网游作弊

还有些其他用途，其中一些引起了隐私问题。TPM 的“物理存在(physical presence)”特征要求一部分操作需要 BIOS 级的确认，如激活，停用，清除或改变 TPM 的人的所有权，需要有真人在机器的控制台旁才能操作，可以解决一部分隐私问题的担忧。

用于一些组织

美国国防部（DoD）规定，“若国防信息系统局（DISA）安全技术实施指南（STIGs）要求且此类技术可用，为支撑国防部而采购的新计算机资产（如服务器、台式机、笔记本电脑、瘦客户端、平板电脑、智能手机、PDA、手机）将包括 TPM 1.2 或更高版本。”国防部预计 TPM 将用于设备识别、身份验证、加密和设备完整性验证。

TPM 的实现

2006年，内置 TPM 芯片的新的笔记本电脑开始销售。在未来，这个概念可以是在计算机的现有主板芯片上，或者任何其他可以使用 TPM 设施的设备上，比如手机。PC 上会使用 LPC 总线或 SPI 总线连接到 TPM 芯片。

可信计算小组(TCG)已认证由英飞凌技术、Nuvoton和意法半导体制造的 TPM 芯片，已将 TPM 供应商 ID 分配给 AMD、Atmel、博通、IBM、英飞凌、英特尔、联想、国家半导体、Nationz Technologies、Nuvoton、高通、瑞芯微电子、微芯科技、意法半导体、三星、中新、德州仪器和 Winbond。

有五种不同类型的 TPM 2.0 实现(按安全性从高到低的顺序列出)：

  • 独立的 TPM 是在其自己的防篡改半导体封装中实现 TPM 功能的专用芯片。它们是最安全的，经 FIPS-140 认证，相对于软件实现的例程具有 3 级物理安全抗攻击能力，并且它们的封装需要实现一些防篡改功能。例如，汽车刹车控制器的 TPM 可以通过复杂的方法防止黑客入侵。
  • 集成 TPM 是另一个芯片的一部分。虽然他们使用的硬件可以抵抗软件 bug，但他们不需要实现防篡改。Intel 在其部分芯片组中集成了 TPM。
  • 固件 TPM（fTPM） 是在 CPU 的可信执行环境(trusted execution environment, TEE)中运行的基于固件（例如 UEFI）的解决方案。Intel、AMD和高通都有固件 TPM。
  • Hypervisor TPM（vTPM） 是由 Hypervisor 提供并依赖于 Hypervisor 的虚拟 TPM，位于一个独立的执行环境中，该环境对虚拟机内运行的软件不可见，以保护其代码不受虚拟机中软件的影响。它们可以提供与固件 TPM 相当的安全级别。谷歌云平台（GCP）已实施 vTPM。
  • 软件 TPM 是 TPM 的软件仿真器，运行时不会在操作系统中比常规程序得到更多的保护。它们完全依赖于运行它们的环境，因此它们所提供的安全性并不比正常执行环境所提供的更高。它们用于开发目的。

TPM 2.0 规范的官方 TCG 参考实现由 Microsoft 开发，根据 BSD 许可证授权，开源于 GitHub。Microsoft 提供了 Visual Studio 解决方案和 Linux autotools 构建脚本。

2018年，Intel 开源了其 Trusted Platform Module 2.0（TPM2）软件栈，支持 Linux 和 Microsoft Windows。源代码托管在 GitHub，并根据 BSD 许可证授权。

英飞凌资助开发了一个开源 TPM 中间件，该中间件符合 TCG 的软件栈（TSS）增强系统 API（ESAPI）规范。它由 Fraunhofer Institute for Secure Information Technology（SIT）开发。

IBM 的软件 TPM 2.0 是 TCG TPM 2.0 规范的实现。它基于 TPM 规范第 3 部分和第 4 部分以及Microsoft 提供的源代码。它包含完成实现所需的其他文件。源代码托管在 SourceForge 和GitHub 上，并根据 BSD 许可证授权。

2022年，AMD 宣布在某些情况下，其 fTPM 实现会导致性能问题。可以以 BIOS 更新的形式获得修复。