一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护方法及系统，通过对Linux内核镜像本身以及Linux内核初始化过程中加载的内核页表、GDT表、IDT表(包含系统调用表)进行了基于TPM的可信验证、可信数据绑定、可信数字签名等保护操作，避免了一些常见的RootKit对Linux内核在初始化过程中加载的机会，非常适合Linux内核的可信初始化以及当前云计算环境下虚拟机的可信初始化，对于构造可信云平台具有重要的实际意义，具有良好的市场前景和应用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及可信操作系统内核，特别涉及一种基于TPM的Linux内核初始化中的 数据结构保护方法及系统。
技术介绍
在云计算模式下，Linux操作系统以镜像的形式在客服端为用户提供了大量的服 务，但与此同时，Linux内核本身的关键数据结构比以往更多的受到恶意RootKit的攻击， 并且这些RootKit本身具有隐蔽性、持续性、简洁性，所以，检查和彻底清除这些RootKit将 更加困难。Linux操作系统本身为了正常的工作，Linux内核必须跟踪几千个对象，这些对象 本身以队列，链表，树等数据结构错综复杂的交织在一起，其中有大量的表格存储了这些对 象的一些固定属性，因此，对于RootKit的攻击者来说,修改Linux内核中这些表格及组织 这些表格的数据结构是比较经常的选择，而要对这些数据结构进行修改的主要手段有I)通过可加载Linux内核模块机制LKM的方式进入Linux内核对关键数据结构进 行修改；2)将中断描述符表IDT中已经注册的中断响应函数替换为恶意的RootKit Jnkad 提出工具方法、窃听个人银行密码信息的击键记录程序属于此类。作为IDT的一种特殊形 式系统调用表system call table也是Linux内核级RootKit攻击的主要手段,这种类型 的 RootKit 典型代表是 knark、lvtes、override ；3)通过调用门技术进入Linux内核修改用于保存描述内存区域的地址和特权的 段描述符的全局描述符表GDT或局部描述符表LDT ；4)对动态库、模块、可执行程序注入恶意代码，如tOrn是这类程序的典型代表。针对4)的攻击手段，已有专利已经很好的解决。针对上述1)、2)、3)对Linux内 核数据结构的主要攻击手段，当前已有的检测工具有kern_check、checkidt和StMichael, 这些检测工具的共同特性是对文件的完整性进行检查，检测的时候通过比较文件的当前信 息和保存的基准信息，如果不匹配说明攻击发生。这些检测工具存在的弊端是实时性差，工 具本身的代码量庞大，对于运行时恶意代码注入或动态修改数据结构不能及时发现，且所 有的检测都是基于软件，也不利于防止重放攻击。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护方法 及系统，动态保护了 Linux内核在初始化阶段的完整性，有效阻止了各种攻击手段，并动态 保护了 Linux内核在初始化阶段页表、IDT表、⑶T表的完整性。为此，本专利技术提供了一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护方法，其 特征在于，包括步骤1，在启动加载器后计算Linux内核的完整性度量值记为 Kernel-1ntegrity-Valuel ；步骤2,对所述Kernel-1ntegrity-Valuel进行数字签名并初始化数据结构记为 Loader_Secure_Data ；步骤3,将所述Loader_Secure_Data发送到Linux内核中；步骤4,认证Linux内核的完整性,并对Linux内核进行解压缩；步骤5，分别对首次初始化页表、初始化GDT表、初始化IDT表进行基于TPM的数据绑定操作；步骤6，分别对第二次初始化页表、读取GDT表、第二次初始化IDT表进行基于TPM 的数据解除绑定操作。所述步骤I包括步骤11,使用TPM的随机数产生器产生一个随机数记为Loader-Random-Valuel ；步骤12，把Linux内核加载到内存，用BIOS中断的方法调用TPM的SHA-1弓丨擎计算Linux内核的度量值记为Loader-Measure-Valuel,使用TPM扩展功能将该 Loader-Measure-valuel扩展到PCR寄存器中，使用TPM读取功能将该PCR寄存器的内容读到内存变量中记为Mem_PcrValue ；步骤13,使用 SHA-1 算法计算 Loader-Random-Valuel 和 Mem_PcrValue 的连接后的度量值，得到Kernel-1ntegrity-Valuel并将其存储在内存变量中。所述步骤2包括步骤21，使用TPM的RSA引擎产生一个公钥记为RSA_Pubkey和一个私钥记为RSA_ Prvikey ；步骤22，将签名操作后的结果保存在内存变量中记为 Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel ； 步骤23, 定义所述Loader_Secure_Data, 其内包含 Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel、RSA_Pubkey> Loader-Random-ValueI 三个域。所述步骤3包括步骤31,在Linux内核空间预先设置一个特殊的空间标志并记为 Integrity-Secure-Flag,在这个空间标志后定义一个大小为sizeof的数据结构；步骤32,采用内存扫描的方法查找到该Integrity-Secure-Flag后，将所述 Loader_Secure_Data 拷贝到所述 Integrity-Secure-Flag 后并记为 Kernel_Secure_data。所述步骤4包括步骤41,使用扫描内存的方法查找所述Integrity-Secure-Flag后，取出所述 Kernel_Secure_data ；步骤42，釆用BIOS中断的方法调用TPM的SHA-1引擎计算Linux内核的度量值记为 Kernel-Measure_Value2，然后使用 SHA-1 算法计算 SHA-1 ((Kernel— Secure—data 一 Loader-Random-ValueI)||Kernel-Measure_Value2)后的结果记为 Soft-Kerne1-Measure-Value2 ；步骤43，用所述 Kernel—Secure—data 的第二个域 Kernel—Secure—data — RSA— Pubkey 对 Kerne l_Secure_data 的第一个域 Kernel_Secure_data — Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel 进行签名的认证后记为 Decrypted_Signed-Kernel_Integrity-Valuel ；步骤44,比较所述 Soft-Kernel-Measure_Value2 与所述 Decrypted_ Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel是否一致,若一致，继续解压Iinux内核，若不一致，贝丨J停机。所述步骤5包括若Linux内核进入到初始化内核页表,则将页目录记为swapper_pg_dir采用TPM_ Bind绑定，绑定操作使用Kernel_Secure_data — RSA_Pubkey作为密钥；若Linux内核进入到初始化⑶T表，则将全局描述符记为gdt_table采用TPM_ Bind绑定，绑定操作使用作为Kernel_Secure_data — RSA_Pubkey作为密钥；若将中断描述表记为idt_table采用TPM_Bind绑定，则绑定操作使用Kernel_ Secure_data — RSA_Pubkey 作为密钥。所述步骤6具体包括若内核函数p本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护方法，其特征在于，包括：步骤1，在启动加载器后计算Linux内核的完整性度量值记为Kernel?Integrity?Value1；步骤2，对所述Kernel?Integrity?Value1进行数字签名并初始化数据结构记为Loader_Secure_Data；步骤3，将所述Loader_Secure_Data发送到Linux内核中；步骤4，认证Linux内核的完整性，并对Linux内核进行解压缩；步骤5，分别对首次初始化页表、初始化GDT表、初始化IDT表的进行基于TPM的数据绑定操作；步骤6，分别对第二次初始化页表、读取GDT表、第二次初始化IDT表进行基于TPM的数据解除绑定操作。

【技术特征摘要】
1.一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护方法，其特征在于，包括 步骤1，在启动加载器后计算Linux内核的完整性度量值记为Kernel-1ntegrity-Valuel ； 步骤2,对所述Kernel-1ntegrity-Valuel进行数字签名并初始化数据结构记为Loader_Secure_Data ； 步骤3,将所述Loader_Secure_Data发送到Linux内核中； 步骤4,认证Linux内核的完整性,并对Linux内核进行解压缩； 步骤5，分别对首次初始化页表、初始化GDT表、初始化IDT表的进行基于TPM的数据绑定操作； 步骤6，分别对第二次初始化页表、读取GDT表、第二次初始化IDT表进行基于TPM的数据解除绑定操作。2.一种如权利要求1所述的数据结构保护方法，其特征在于，所述步骤I包括 步骤11，使用TPM的随机数产生器产生一个随机数记为Loader-Random-Valuel ； 步骤12，把Linux内核加载到内存，用BIOS中断的方法调用TPM的SHA-1引擎计算Linux内核的度量值记为Loader-Measure-Valuel,使用TPM扩展功能将该Loader-Measure-valuel扩展到PCR寄存器中，使用TPM读取功能将该PCR寄存器的内容读到内存变量中记为Mem_PcrValue ； 步骤13,使用SHA-1算法计算Loader-Random-Valuel和Mem_PcrValue的连接后的度量值，得到Kernel-1ntegrity-Valuel并将存储在内存变量中。3.—种如权利要求2所述的数据结构保护方法，其特征在于，所述步骤2包括 步骤21，使用TPM的RSA引擎产生一个公钥记为RSA_Pubkey和一个私钥记为RSA_Prvikey ； 步骤22，将签名操作后的结果保存在内存变量中记为Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel ； 步骤23, 定义所述Loader_Secure_Data, 其内包含Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel、RSA_Pubkey> Loader-Random-ValueI 三个域。4.一种如权利要求3所述的数据结构保护方法，其特征在于，所述步骤3包括 步骤31,在Linux内核空间预先设置一个特殊的空间标志并记为Integrity-Secure-Flag,在这个空间标志后定义一个大小为sizeof的数据结构； 步骤32,采用内存扫描的方法查找到该Integrity-Secure-Flag后，将所述Loader_Secure_Data 拷贝到所述 Integrity-Secure-Flag 后并记为 Kernel_Secure_data。5.一种如权利要求4所述的数据结构保护方法，其特征在于，所述步骤4包括 步骤41,使用扫描内存的方法查找所述Integrity-Secure-Flag后,取出所述Kernel_Secure_data ； 步骤42，采用BIOS中断的方法调用TPM的SHA-1引擎计算Linux内核的度量值记为 Kernel-Measure_Value2,然后使用 SHA-1 算法计算 SHA-1 ((Kerne1_Secure_data — Loader-Random-Valuel)||Kernel-Measure_Value2)后的结果记为Soft-Kerne1-Measure-Value2 ； 步骤 43,用所述 Kernel_Secure_data 的第二个域 Kernel_Secure_data — RSA_Pubkey对Kernel_Secure_data 的第一个域Kernel_Secure_data — Signed-Kernel-1ntegrity-VaIuel 进行签名的认证后的结果记为 Decrypted_Signed-Kernel_Integrity-Valuel ； 步骤 44,比较所述 Soft-Kernel-Measure_Value2 与所述 Decrypted_Signed-Kernel-1ntegrity-Valuel是否一致,若一致，继续解压Linux内核，若不一致，贝丨J停机。6.一种如权利要求5所述的数据结构保护方法，其特征在于，所述步骤5包括 若Linux内核进入到初始化内核页表,则将页目录记为swapper_pg_dir采用TPM_Bind绑定，绑定操作使用Kernel_Secure_data — RSA_Pubkey作为密钥； 若Linux内核进入到初始化⑶T表，则将全局描述符记为gdt_table采用TPM_Bind绑定，绑定操作使用Kernel_Secure_data — RSA_Pubkey作为密钥； 若将中断描述表记为idt_table采用TPM_Bind绑定,则绑定操作使用Kernel_Secure_data — RSA_Pubkey 作为密钥。7.—种如权利要求6所述的数据结构保护方法，其特征在于，所述步骤6具体包括 若内核函数paging_init()对所述swapper_pg_dir进行写操作，则先进行Bind_pg_data的解除绑定操作，解除绑定使用所述RSA_Pubkey作为解密密钥，若解除绑定操作错误，禁止对swapper_pg_dir的进一步初始化,系统岩机,否则继续初始化； 若内核函数 do_basic_setup O 中对 gdt_table 使用函数 get_cpu_gdt_table O 读取，则先进行Bind_gdt_data的解除绑定操作，解除绑定使用RSA_Pubkey作为解密密钥，若解除绑定操作错误，禁止获取gdt_table，系统宕机，否则继续初始化； 若内核函数trap_init O和init_IRQ()中对idt_table进行写操作,贝U先进行Bind_idt_data的解除绑定操作，解除绑定使用RSA_Pubkey作为解密密钥，若解除绑定操作错误，禁止对idt_table的进一步初始化,系统岩机,否则继续初始化。8.一种基于TPM的Linux内核初始化中的数据结构保护系统，其特征在于，包括 完整度量值计算模块，用于在启动加载器后计算Linux内核的完整性度...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛栋梁，高云伟，杨鹏斐，展旭升，孙毓忠，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
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