代碼和數(shù)據(jù)完整性檢查

減少操作系統(tǒng)中代碼可利用性的一種方法是確保代碼和/或數(shù)據(jù)未經(jīng)修改并由受信任的供應(yīng)商提供。例如，多年來(lái)，Windows一直采用驅(qū)動(dòng)程序簽名。一些較新的版本更進(jìn)一步，使用 硬件和軟件 安全功能 的組合來(lái)鎖定計(jì)算機(jī)，確保它僅運(yùn)行受信任的代碼/應(yīng)用程序 - 此過程被Microsoft稱為“Device Guard”。 即使是特權(quán)惡意軟件也無(wú)法 輕松讓未經(jīng)授權(quán)的應(yīng)用程序 運(yùn)行，因?yàn)? 檢查是否允許應(yīng)用程序運(yùn)行的機(jī)制位于硬件輔助虛擬化環(huán)境中。大多數(shù)代碼簽名解決方案將與操作系統(tǒng)擴(kuò)展關(guān)聯(lián)的數(shù)字簽名相關(guān)聯(lián)， 允許 操作系統(tǒng)檢查代碼的完整性是否完整以及供應(yīng)商 是否合法。類似的過程通常用于更新。

但是，檢查簽名的代碼以及操作系統(tǒng)本身呢 — 我們確定 它 沒有 被 惡意引導(dǎo)工具包篡改嗎？ 確保在引導(dǎo)期間 加載 的系統(tǒng)軟件的完整性涉及 許多步驟 ，主要與引導(dǎo)過程本身的多個(gè)步驟有關(guān)。從最早的商用計(jì)算機(jī)開始，啟動(dòng)涉及多個(gè)階段。即使是  IBM 701， 年代初期流行的計(jì)算機(jī)，安裝多達(dá) 19 次，也已經(jīng)具有這樣的多階段啟動(dòng)過程，從按下 特殊的“加載”按鈕開始 ，使 系統(tǒng)加載 單個(gè) 36 位字 通常來(lái)自打孔卡。它將執(zhí)行（部分）這個(gè)詞 以加載更多指令，然后開始執(zhí)行這些指令作為“引導(dǎo)程序”。

通常，安全啟動(dòng)設(shè)備從啟動(dòng) 啟動(dòng)過程 的初始“信任根”開始，并且通常基于 硬件，例如，微控制器從內(nèi)部不可變存儲(chǔ)器或根本無(wú)法重新編程的內(nèi)部閃存開始執(zhí)行軟件，或者只能通過嚴(yán)格的身份驗(yàn)證和授權(quán)檢查。例如，現(xiàn)代Apple計(jì)算機(jī)使用單獨(dú)的處理器T2安全芯片來(lái)為安全啟動(dòng)等提供硬件信任根，而Google還為此開發(fā)了一種稱為Titan的定制處理器。我們現(xiàn)在將討論硬件信任根如何幫助 驗(yàn)證 系統(tǒng)是否安全啟動(dòng)。

啟動(dòng)通用計(jì)算機(jī)通常從固件開始，固件啟動(dòng)一系列階段，以完全啟動(dòng)的系統(tǒng)結(jié)束。例如， 固件可以加載一個(gè)特殊的引導(dǎo)加載程序，然后加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，而 操作系統(tǒng)內(nèi)核 又可以 加載額外的引導(dǎo)   驅(qū)動(dòng)程序，直到最終操作系統(tǒng)完全初始化并準(zhǔn)備好與用戶或應(yīng)用程序交互。所有這些階段都需要保護(hù)。例如，統(tǒng)一可擴(kuò)展固件接口 （UEFI）可以通過安全啟動(dòng)來(lái)保護(hù)第一階段 （即驗(yàn)證 引導(dǎo)加載程序的完整性）。安全啟動(dòng)驗(yàn)證啟動(dòng)加載程序是否使用 適當(dāng)?shù)拿荑€進(jìn)行簽名 ，即使用與固件中存儲(chǔ)的密鑰信息一致的  密鑰。 這將防止沒有 適當(dāng)簽名的加載程序和驅(qū)動(dòng)程序獲得對(duì)系統(tǒng)的控制。 引導(dǎo)加載程序 現(xiàn)在可以在加載操作系統(tǒng)內(nèi)核 之前 驗(yàn)證其數(shù)字簽名。接下來(lái)，內(nèi)核在啟動(dòng)操作系統(tǒng) 的 所有其他組件（例如啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序和可能集成的反惡意軟件）之前對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。 通過在其他驅(qū)動(dòng)程序 之前啟動(dòng) 反惡意軟件程序，它隨后可以檢查所有這些 后續(xù)組件，并將 信任鏈擴(kuò)展到完全已初始化操作系統(tǒng)。

 下一個(gè)問題是：我們?cè)趺?nbsp;知道是  這種情況？ 換句話說(shuō)， 我們?nèi)绾沃?nbsp;系統(tǒng) 確實(shí)安全啟動(dòng) ，并且 我們可以信任 屏幕？這里的訣竅是使用證明，（遠(yuǎn)程）方可以檢測(cè)到對(duì)我們系統(tǒng)所做的任何更改。遠(yuǎn)程證明通常使用特殊硬件，例如充當(dāng)信任根的受信任平臺(tái)模塊 （TPM），包括分步驗(yàn)證系統(tǒng)是否加載了“正確”類型的軟件。特別是，TPM 是一個(gè)加密硬件模塊，支持一系列加密功能、密鑰生成 和管理、安全存儲(chǔ)（例如，密鑰和其他 安全 敏感信息），以及重要的完整性測(cè)量。有關(guān)進(jìn)一步討論，請(qǐng)參閱硬件安全CyBOK知識(shí)領(lǐng)域[65]。

對(duì)于完整性測(cè)量，TPM 具有 一組  稱為 PCR-0、PCR-1  的平臺(tái)  配置寄存器。 . . ， 在每次引導(dǎo)時(shí) 都設(shè)置為已知值。 這些寄存器 不是用于直接寫入 ，而是 用于擴(kuò)展。因此 ，如果          PCR-0寄存器的當(dāng)前值為X，并且我們想用Y擴(kuò)展它，則TPM計(jì)算哈希（X，Y）并存儲(chǔ)  PCR-0 的結(jié)果。 現(xiàn)在，如果我們想進(jìn)一步 擴(kuò)展它， 比如 使用 Z，  TPM 會(huì)再次計(jì)算 Z 的   哈希和當(dāng)前在 中的值，并將結(jié)果存儲(chǔ)在 PCR-0 中。換句話說(shuō)，它將計(jì)算哈希（Z，  哈希（X，Y））。我們現(xiàn)在可以 進(jìn)一步擴(kuò)展它 ，并創(chuàng)建一個(gè)任意長(zhǎng)的“哈希鏈”。

PCR  中的值可以作為  系統(tǒng)處于可信狀態(tài)的證據(jù)。具體而言，引導(dǎo)系統(tǒng)時(shí)執(zhí)行的第一個(gè)代碼是固件引導(dǎo)代碼，有時(shí)稱為用于測(cè)量的核心信任根（CRTM） 或 BIOS 引導(dǎo)塊。此代碼將通過生成其內(nèi)容的哈希來(lái)“測(cè)量”完整固件，在開始執(zhí)行之前，它會(huì)將其發(fā)送到 TPM 以擴(kuò)展 PCR-0。接下來(lái)，現(xiàn)在正在執(zhí)行的固件將測(cè)量啟動(dòng)過程的下一個(gè)組件，并在執(zhí)行 之前再次將值存儲(chǔ)在TPM的 中 （例如，通過擴(kuò)展PCR-0）。  經(jīng)過 多個(gè) 階段后， PCR寄存器包含 系統(tǒng) 啟動(dòng)時(shí)采取的所有步驟 的哈希鏈。 遠(yuǎn)程方 現(xiàn)在 可以通過向  TPM 請(qǐng)求  “報(bào)價(jià)”來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)是否安全啟動(dòng)：當(dāng)前在 PCR  中的 一組 PCR 值的報(bào)告  （以及   遠(yuǎn)程方 提供的隨機(jī)數(shù)），該密鑰使用 TPM 的專用證明標(biāo)識(shí)密鑰  進(jìn)行簽名 ，該密鑰永遠(yuǎn)不會(huì)離開 TPM（并且派生自硬編碼    在制造時(shí)創(chuàng)建的密鑰）。由于公鑰 是眾所周知 的，因此任何人都可以 驗(yàn)證報(bào)價(jià)是否來(lái)自TPM。 收到報(bào)價(jià)并驗(yàn)證它來(lái)自 TPM 并且它是最新的后，遠(yuǎn)程方知道啟動(dòng)過程只能遵循在 PCR中創(chuàng)建這些哈希的步驟.如果它們對(duì)應(yīng)于已知和受信任代碼的哈希值，則遠(yuǎn)程方知道系統(tǒng)已安全啟動(dòng)。

代碼和數(shù)據(jù) 完整性檢查很可能會(huì) 在運(yùn)行時(shí)繼續(xù)進(jìn)行。例如，虛擬機(jī)管理程序可以提供對(duì)其 虛擬機(jī) 執(zhí)行自省 的功能：代碼是否仍然相同，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是否仍然有意義？此技術(shù)稱為虛擬機(jī)偵測(cè)（VMI）。 VMI 功能可能駐留在 虛擬機(jī)管理程序本身中，盡管它可能位于單獨(dú)的應(yīng)用程序中。除了代碼之外，VMI解決方案中要檢查的常見內(nèi)容還包括進(jìn)程列表（是否有任何 rootkit 試圖隱藏？）、系統(tǒng)調(diào)用表（是否有人劫持特定的系統(tǒng)調(diào)用？）、中斷向量表等。

異常檢測(cè)

監(jiān)視器，無(wú)論是在虛擬機(jī)管理程序還是在操作系統(tǒng)中，也可用于監(jiān)視系統(tǒng)的異常事件 - 異常檢測(cè)。例如，連續(xù)崩潰數(shù)百次的系統(tǒng)可能會(huì)受到試圖破壞系統(tǒng)地址空間布局隨機(jī)化的人的攻擊。當(dāng)然，沒有確鑿的證據(jù)，僅僅因?yàn)?nbsp;發(fā)生了異常并不意味著有攻擊。異常檢測(cè)系統(tǒng)必須在引發(fā)太多錯(cuò)誤警報(bào)（處理成本高昂）和引發(fā)太少（這意味著它錯(cuò)過實(shí)際攻擊）之間取得平衡。