隨著世界經(jīng)濟(jì)全球化的加劇和信息技術(shù)的不斷發(fā)展,，移動終端逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉币徊糠郑_放的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境增加了網(wǎng)絡(luò)對象間數(shù)據(jù)交互的復(fù)雜度和失信率,，因此移動終端的相關(guān)安全問題顯得尤為重要,。

　　目前，國內(nèi)外對安全可信方面的研究已取得了一些的研究成果,，但在移動終端可信方面的研究還比較滯后,。在系統(tǒng)的可信度方面，參考文獻(xiàn)[1]為可用化評估準(zhǔn)則DBench提出了一個(gè)高級體系構(gòu)架,，但沒有聯(lián)系具體的應(yīng)用背景,；參考文獻(xiàn)[2]從系統(tǒng)的可信性方面探討了軟件的體系結(jié)構(gòu)；參考文獻(xiàn)[3]從軟件組件的角度來研究可信軟件體系結(jié)構(gòu),，提出了基于組件的容錯軟件結(jié)構(gòu)以滿足高可信應(yīng)用的要求,；參考文獻(xiàn)[4]則在COTS(Commercial Off-The-Shelf)軟件組件的基礎(chǔ)上通過一種有效的系統(tǒng)方法來構(gòu)建可信系統(tǒng)。在共享數(shù)據(jù)硬件設(shè)計(jì)方面,參考文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了共享內(nèi)存模型,，實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸,，但該結(jié)構(gòu)在處理器數(shù)目增多時(shí)會異常復(fù)雜；MPI的分布式內(nèi)存結(jié)構(gòu)雖然適合并行計(jì)算系統(tǒng),，但需專門設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通信層來處理數(shù)據(jù)傳輸,，編程模型復(fù)雜[6]。因此,，如何在高計(jì)算性能下實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中移動終端的安全約束,，是移動可信終端安全亟待解決的關(guān)鍵問題。

　　綜上分析,移動可信終端的研究還存在以下問題：(1)沒有一種有效的移動終端可信服務(wù)的描述規(guī)范以及可信服務(wù)驗(yàn)證機(jī)制; (2)移動終端硬件層面的數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)中,，缺乏高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可信框架,，底層數(shù)據(jù)的可信性得不到保障。本文基于已有研究成果[7-8],，提出了一種基于可信的移動終端安全數(shù)據(jù)交互方案,，從底層的硬件設(shè)計(jì)和上層的接入認(rèn)證方案兩個(gè)層面對移動終端進(jìn)行了安全性設(shè)計(jì)。

1 移動可信終端結(jié)構(gòu)

　　移動可信終端的設(shè)計(jì)分為兩部分：(1)著重于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)的接入安全,，使移動可信終端在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中能有效地鑒別可信域端口,，實(shí)現(xiàn)自可信驗(yàn)證與雙向可信驗(yàn)證; (2)側(cè)重于底層可信度量，采用TPM為核心部件,，在系統(tǒng)中提供完整性度量,、安全存儲、可信報(bào)告以及密碼服務(wù)等功能,，確保移動可信終端的自身可信,。終端的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 移動可信終端上層設(shè)計(jì)

　　2.1可信框架

　　由于移動終端往往處于高度動態(tài)變化、不確定因素眾多的環(huán)境中,，需要有效的網(wǎng)絡(luò)體系及其動態(tài)控制方法保證端到端的數(shù)據(jù)可信傳遞,，使網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的容錯性和穩(wěn)定性。本文提出的可信框架針對性地描述了面向服務(wù)的端到端的可信服務(wù)層,，保證數(shù)據(jù)服務(wù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)動作的規(guī)范性,、安全性和穩(wěn)定性,如圖2所示。

　　2.2 可信認(rèn)證方案

　　可信認(rèn)證方案中,，假定移動終端的用戶持有終端使用權(quán)口令和移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商頒發(fā)的全球用戶身份模塊(USIM),，其支持對網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)證，并包含密碼運(yùn)算和存儲用戶的數(shù)字證書以及敏感信息等功能,。由于移動可信終端基于TPM模塊,，所以在方案中還應(yīng)包含有自己的私鑰、證書TPMCert,、與生物采集設(shè)備BI(如指紋采集,、瞳孔識別等)共享的密鑰Keyshare。MT是代表自行開發(fā)的移動平臺,，NAT是網(wǎng)絡(luò)接入端口,。可信認(rèn)證方案步驟如圖3所示,。

　　(1) USIM→MT:r1,USIMID,PR1

　　MT在接通電源時(shí)刻需要進(jìn)行自身平臺完整性校驗(yàn),。USIM模塊首先向MT發(fā)送隨機(jī)數(shù)r1、USIM的身份標(biāo)識USIMID和平臺驗(yàn)證請求PR1,。

　　(2) MT→BI:r2,TPMID,PR2

　　MT在接收到USIM的平臺驗(yàn)證請求后,，通過I/O總線向BI發(fā)送隨機(jī)數(shù)，TPM的身份標(biāo)識TPMID以及BI的驗(yàn)證請求PR2,。

　　(3) BI→MT:EACBI

　　EACBI=AC(E(Keyshare,r2),TPMID||BIHash)   (1)

　　式中||為級聯(lián)符號,。BI在收到PR2后，計(jì)算BI完整信息的Hash值BIHash,，并利用Keyshare對收到的隨機(jī)數(shù)r2進(jìn)行加密,，最后通過式(1)計(jì)算BI認(rèn)證碼EACBI，隨后BI通過總線將EACBI發(fā)還給MT進(jìn)行驗(yàn)證,。

　　(4) MT→USIM:r3,TPMCert,TPMSig,ER

　　TPMSig=Sig(TPMSK,r1||r3||USIMID||PCR)    (2)

　　MT收到EACBI,，利用自身產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)r2結(jié)合預(yù)存的BIHash按照式(1)計(jì)算出校驗(yàn)認(rèn)證碼EACBI′。若EACBI≠EACBI′,，則表明BI信息不完整,，校驗(yàn)終止;反之則繼續(xù)驗(yàn)證。當(dāng)BI信息驗(yàn)證通過后,，MT產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r3,，并利用自己的私鑰TPMSK對自身的PCR值,、操作事務(wù)記錄ER和r3按照式(2)進(jìn)行簽名后，連同TPMCert一起發(fā)送給USIM,。

　　(5) USIM→NAT:TS,r1,r3,TPMCertID, NAI, ER, TPMSig,

　　EACTPMID

　　EACTPMID=AC(KeyAU,TS||TPMCertID,||r1||r3||ER) (3)

　　USIM將證書TPMCert送入移動網(wǎng)絡(luò)接入端進(jìn)行驗(yàn)證，需要借助時(shí)間戳TS,、TPMCertID和密鑰KeyAU來驗(yàn)證整個(gè)移動終端平臺的合法性,。若已經(jīng)擁有驗(yàn)證過的TPMCert，則直接校驗(yàn)簽名TPMSig的合法性,。如果簽名校驗(yàn)失敗,，則終止認(rèn)證過程；反之則提示用戶輸入用戶口令,，獲取權(quán)限來控制MT,。

　　(6) NAT→TPMNAT:r1′,NATID,PR1′,EACNAT

　　NAT也需要進(jìn)行自身平臺完整性校驗(yàn)。首先計(jì)算完整信息的Hash值NATHash,將自身產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)r1′,、NAT的身份標(biāo)識NATID,、平臺驗(yàn)證請求PR1′和利用共享密鑰算出的EACNAT一同發(fā)給TPM進(jìn)行平臺完整性驗(yàn)證。其中EACNAT的計(jì)算方法與式(1)類似,。

　　(7) TPMNAT→NAT:r1′,NATID,PR1′,EACNAT

　　TPMNAT利用式(1)算出EAC′NAT驗(yàn)證是否與接收到的EACNAT相同,。若不同，則表明網(wǎng)絡(luò)接入端平臺不可信,，不允許接入,；反之，則將賦予NAT權(quán)力對接入的移動終端進(jìn)行證書驗(yàn)證,，并更新操作事務(wù)記錄ERNAT,。

　　(8) NAT→USIM:EACNAT,AS

　　EACNAT=AC(KeyAU,r1||r3||AS||TPMID||TS)   (4)

　　NAT獲得TPM驗(yàn)證結(jié)果，若平臺驗(yàn)證失敗,，則發(fā)送結(jié)果至USIM,，通知網(wǎng)絡(luò)接口不可接入；若驗(yàn)證成功,，則NAT根據(jù)收到的用戶身份網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識恢復(fù)出KeyAU,根據(jù)式(3)校驗(yàn)EACTPMID的合法性,。NAT利用TPMCertID獲取合法的TPMCert，并檢驗(yàn)TPMSig,，最后利用式(4)算出認(rèn)證碼,。其中AS包含的是NAT平臺自身、TPMSig以及TPMCert的驗(yàn)證結(jié)果,。

　　(9) USIM→MT

　　USIM端得到證書驗(yàn)證結(jié)果,，若驗(yàn)證結(jié)果失敗，則同步驟(5),，通過TPM校驗(yàn)用戶的口令,，獲取權(quán)限來控制接入網(wǎng)絡(luò)的MT。

3 移動可信終端底層設(shè)計(jì)

　　根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，底層采用可信TPM芯片,，從移動終端加電到系統(tǒng)內(nèi)核載入,，可信根都會按照固定順序鏈?zhǔn)絺鬟f，過程的關(guān)鍵代碼都經(jīng)過完整性驗(yàn)證,。同時(shí)利用DSP結(jié)合分布式內(nèi)存儲存機(jī)制,，提供了終端底層高性能數(shù)據(jù)訪問通道?；赥PM可信芯片的自定義內(nèi)部總線的分布式存儲區(qū)結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

　　DSP0為主控CPU，負(fù)責(zé)對移動可信平臺的可信啟動和檢測,、外部設(shè)備的管理以及操作系統(tǒng)的加載運(yùn)行,。其他DSP為輔CPU，主要實(shí)現(xiàn)對移動通信的管理,、外接SIM接口和其他功能,。分布式存儲區(qū)及內(nèi)部總線控制器都在FPGA中實(shí)現(xiàn)，各分布式存儲區(qū)之間的數(shù)據(jù)拷貝是透明的,，減少了DSP用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷,。

　　(1)分布式存儲空間與訪問

　　設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)各分布式存儲區(qū)存儲空間分配,，劃分成16個(gè)4 KB的區(qū)間,，分配給不同的DSP。DSP采用異步方式訪問其本地存儲區(qū),，可訪問不同速度的異步器件[6],。讀、寫訪問時(shí)序如圖5所示,。

　　(2) 內(nèi)部總線消息傳遞

　　內(nèi)部總線提供16位地址總線,、32位數(shù)據(jù)總線及2個(gè)控制信號，采用非復(fù)用的同步廣播方式的總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，其傳輸規(guī)范如下:①總線主節(jié)點(diǎn)唯一對應(yīng)DSP0,，從節(jié)點(diǎn)對應(yīng)輔DSP;②主節(jié)點(diǎn)提供總線控制信號，且基于同一內(nèi)部時(shí)鐘的觸發(fā),，數(shù)據(jù)傳輸過程中不需涉及握手;③通過地址線來尋址數(shù)據(jù)發(fā)送方,。地址高4位對應(yīng)DSP的編號為數(shù)據(jù)發(fā)送方，其余為接收方,。

　　(3)存儲區(qū)數(shù)據(jù)一致性

　　當(dāng)內(nèi)部總線數(shù)據(jù)傳輸執(zhí)行時(shí),，為避免內(nèi)部總線數(shù)據(jù)讀寫與DSP讀寫之間的沖突，采用圖6所示的存儲區(qū)一致性模型和同步策略,。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

　　本文設(shè)計(jì)了移動可信終端的原型實(shí)驗(yàn)平臺,，圖7是SignalTapII在移動可信終端執(zhí)行完可信啟動后捕獲到的內(nèi)部總線傳輸波形部分截圖(采樣時(shí)鐘頻率為125 MHz,，采樣深度是128)。圖中表明在多處理器并行的架構(gòu)設(shè)計(jì)下,，依然有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率(10 M×32 b/s),，在可信的基礎(chǔ)上保證了移動終端的數(shù)據(jù)交互，在一定程度上提高了移動終端的計(jì)算性能,，可靠性高,。

　　在可信認(rèn)證方案方面，與TPM標(biāo)準(zhǔn)方案進(jìn)行了對比,，本方案在密碼運(yùn)算量和處理效率兩個(gè)方面占有較大優(yōu)勢，尤其是方案中的網(wǎng)絡(luò)接入端的自身可信驗(yàn)證,，讓移動可信終端對網(wǎng)絡(luò)接入端的默認(rèn)可信轉(zhuǎn)向驗(yàn)證可信,，大大提高了移動終端的安全性。

　　本文提出的移動可信終端設(shè)計(jì)方案底層基于TPM芯片,建立高性能的消息傳遞機(jī)制和數(shù)據(jù)一致性模型,；同時(shí)提出中間件層服務(wù)相隔離思想,，設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)可信認(rèn)證方案，在一定程度上解決了移動終端的安全問題,。同時(shí),該方案也有不足之處,本存儲機(jī)制針對特殊應(yīng)用,僅需進(jìn)行靜態(tài)源和目的地址的數(shù)據(jù)傳輸, 擴(kuò)展性有待提高,。

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