可信计算中的密钥管理技术研究

关键词 可信计算；密钥；密钥管理

传统的安全保护基本上以软件为基础，附以密钥技术，侧重以防为主。事实证明这种保护并不是非常可靠而且存在着被篡改的可能性。因此，在我国目前硬件、操作系统、安全等许多关键技术还严重依赖国外的情况下，对可信计算的要求迫切地摆在用户的面前。可信计算不同于传统的安全的概念，它将加密、解密、认证等基本的安全功能写入硬件芯片，并确保芯片中的信息不能在外部通过软件随意获取。

在可信平台中，TPM等硬件是“信任根”，信任的建立是“链式展开”，从而实现身份证明、平台完整性度量、存储保护、远程证明等。这些功能的实现大多与各种密钥密切相关。比如，EK实现平台惟一身份标识，是平台的可信汇报根；SRK实现对数据和密钥的存储保护，是平台的可信存储根[1]；AIK代替EK对运行环境测量信息进行签名从而提供计算平台环境的证言等等。可以说可信计算的技术基础就是公开密钥技术，公钥体制中密钥管理体系的安全性直接关系到整个应用系统的安全程度。因此，作为密码系统基本要素之一的密钥管理的好坏直接决定整个可信计算平台本身的安全性，是实现终端可信的核心环节，在整个可信计算体系中占有举足轻重的地位。

可信计算平台中用到的密钥分成以下几类：

1) 背书密钥EK(Endorement Key)

对应公钥、私钥分别表示为PUBEK、PRIVEK。其中私钥只存在于TPM中，且一个TPM对应惟一的EK。EK可以用来表明TPM属主身份和申请“证言身份证书 ”时使用，并不直接提供身份证明。

2) 存储密钥SK(Storage Keys)

用来提供数据和其它密钥的安全存储。其根密钥为SRK(Storage Root Key)， 每个可信计算平台只对应一个惟一的SRK。

3) 签名密钥(Signing Keys)

非对称密钥，用来对普通数据和消息进行数字签名。

4) 证言身份密钥AIK ( Attestation Identity Key)

对应一组公私密钥对，专门对来源于TPM的数据进行签名，实现对运行环境测量信息进行签名从而提供计算平台环境的证言。每个可信计算平台没有限制AIK密钥的数量，但必须保证AIK密钥不会重复使用。

5) 会话密钥：加密传输TPM之间的会话。

在信息处理系统中，密钥的某些信息必须放在机器中，总有一些特权用户有机会存取密钥，这对密码系统的安全是十分不利的。解决这一问题的方法之一是研制多级密钥管理体制。在可信计算平台中，密钥分层体系如图1所示。

图1 密钥分层体系结构

SRK作为一级密钥(也称主密钥)，存储在安全区域，用它对二级密钥信息加密生成二级密钥。依次类推，父节点加密保护子节点，构成整个分层密钥树结构。在密钥分层树中，叶子节点都是各种数据加密密钥和实现数据签名密钥。这些动作都应该是连贯的密箱操作。相比之下，纯软件的加密系统难以做到密箱操作。但如果把主密钥、加密算法等关键数据、程序固化在硬件设备TPM中，就能解决密箱操作的难题。

在整个密钥体系中，每个密钥在开始创建的时候都指定了固定的密钥属性。密钥按照属性不同分为：可移动密钥(Migratable Key)、不可移动密钥( Non- Migratable )。可移动存储密钥并不局限于某个特定平台，可以由平台用户在平台之间互换而不影响信息交互。不可移动密钥则永久与某个指定平台关联，任何此类密钥泄漏到其它平台都将导致平台身份被假冒。不可移动密钥能够用来加密保护可移动密钥，反之则不行。

密钥管理是可信计算实现技术中的重要一环，密钥管理的目的是确保密钥的真实性和有效性。一个好的密钥管理系统应该做到：

(1) 密钥难以被窃取。

(2) 在一定条件下窃取了密钥也没有用，密钥有使用范围和时间的限制。

(3) 密钥的分配和更换过程对用户透明，用户不一定要亲自掌管密钥。

在可信计算平台中，密钥管理基于安全PC平台和PKI/CA。其中CA由证书生成和管理两部分组成。证书生成包括用户公钥证书和私钥证书的生成模块。证书管理主要响应公钥证书请求，CA为证书用户生成密钥对，请求作废一个证书，查看CRL，直接从证书服务器中接收有关CA密钥或证书的更新、CRL刷新和用户废弃证书通告等信息。CA可以是平台制造商、组件生产厂商或者可信第三方。在可信计算平台中所产生的密钥对有些永久存在于TPM之中，有些可以存储于外部存储设备中。为了保证可信计算平台中不同类型密钥生成、管理、存储等过程中的安全性，加强对各种密钥的系统管理，提高可信计算平台自身的安全性，本文依据可信计算平台自身安全需求，针对可信计算平台中分层密钥管理体系结构，提出了一种系统化密钥管理模型，结构如图2所示 。

图2 基于CA的密钥管理系统

1) 密钥生成服务器

由三部分组成，密钥发生器、密钥检测控制器和密钥制作设备。负责各种密钥的产生、检测、选取和制作。密钥的制作是按照一定格式和规定，将密钥写入载体。根据密钥类型不同，密钥生成服务器产生密钥的方式也不相同，但必须保证密钥生成服务器与可信计算平台紧密相关，共同负责密钥安全。

2) 密钥库服务器

密钥库服务器是密钥管理服务系统的重要基础设施，密钥库中的数据应加密存放。可与缓存管理器配合，在密钥管理服务器的管理下实现数据保护密钥在TPM存储载体中的调入调出。

3) 密钥管理服务器

它是密钥管理系统的核心，是密钥管理系统所有操作的出入口包括密钥管理和密钥发送，接收CA的密钥管理请求，发送相应的密钥信息。

4) 密钥缓存管理器

实现对数据保护密钥中的Key Blob以及由SRK分级保护的层次密钥的管理，管理TPM中有限的存储资源。

可信计算平台中密钥包括多种类型，不同类型密钥具有不同的安全需求，特别是密钥的产生、传输、存储、备份、销毁等主要环节。为了便于管理，增强可信计算平台中各种密钥的安全性，围绕密钥管理系统模型，本节深入研究了各类密钥的管理方案。

EK是TPM中最核心的密钥，它是TPM的惟一性密码身份标识。基于EK本身的重要性，在产生EK时基于以下几个前提：

(1) EK在最初创建时就必须是保密的。

(2) EK创建时，设备必须是真实的并且是没有被篡改的。

(3) 密码算法的弱点不会危及该秘密信息的安全。

(4) 设备的各项操作不会导致EK的泄露。

EK可以通过密钥生成服务器，采用两种方法来产生：一是使用TPM命令，TCG规范定义了一组背书密钥操作命令，其中创建背书密钥对的命令为：TPM_ CreateEndorsement KeyPair，产生密钥长度要求至少2048位；另一种方法是密钥“注入”技术，在信任制造商的前提下，由TPM制造商产生背书密钥对，然后采用人工方式注入，注入的方法有：键盘输入、软盘输入、专用密钥枪输入等。对比这两种方法，前者必须依赖硬件中提供受保护的功能(Protected Capability)和被隔离的位置(Shielded Location)，从而保证在设备内部产生密钥对，而且密钥对是在篡改保护的环境下产生，能够很好地减少密钥对泄露的风险；后者则对环境、管理和操作方法要求较高，首先密钥的装入过程应当在一个封闭的环境下进行，不存在可能被窃听装置接收的电磁泄露或其它辐射，所有接近密钥注入工作的人员应该绝对可靠。采用密钥枪或密钥软盘应与键盘输入的口令相结合，并建立一定的接口规范，只有在输入了合法的加密操作口令后，才能激活密钥枪或软盘里的密钥信息。在密钥装入后，应将使用过的存储区清零，防止一切可能导出密钥残留信息的事件发生。