摘 要
身份認(rèn)證技術(shù)是依靠軟件進行身份認(rèn)證，具有無法抵御旁路攻擊、容易被木馬/病毒攻擊、無權(quán)限的客戶端非法接入的問題。可綜合利用UEFI技術(shù)和可信計算技術(shù)，在用戶客戶端進入操作系統(tǒng)前，實現(xiàn)用戶客戶端可信身份認(rèn)證和安全接入控制，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。
０
引言
身份認(rèn)證技術(shù)作為信息安全防護的常用技術(shù)手段，已廣泛應(yīng)用于各類信息系統(tǒng)，確保接入用戶的數(shù)字與物理身份相符合，防止非法接入。隨著新技術(shù)的發(fā)展，各種攻擊手段呈現(xiàn)多元化，對于身份認(rèn)證技術(shù)也帶來新的挑戰(zhàn)。
１
傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)的缺陷
傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)大多基于操作系統(tǒng)在軟件層面實現(xiàn)，通過身份認(rèn)證軟件和數(shù)字證書，實現(xiàn)用戶的身份認(rèn)證。由于其依賴操作系統(tǒng)的特點，傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)存在以下局限和缺點：
（1）傳統(tǒng)的身份認(rèn)證技術(shù)缺乏在用戶客戶端平臺硬件啟動階段對客戶端進行身份認(rèn)證，存在非授權(quán)客戶端平臺接入網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)象，為用戶網(wǎng)絡(luò)帶來潛在威脅。
（2）傳統(tǒng)的身份認(rèn)證技術(shù)依賴于操作系統(tǒng)，采用數(shù)字證書的軟件認(rèn)證方式，容易受到病毒、木馬、身份仿冒等惡意攻擊，且存在被旁路繞過的風(fēng)險。
針對上述問題，將客戶端平臺身份認(rèn)證進一步前置，在客戶端硬件平臺上電啟動伊始，通過網(wǎng)絡(luò)對其進行可信身份認(rèn)證，只有身份合法的用戶平臺可以接入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)客戶端的安全準(zhǔn)入控制，從而提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。
２
UEFI與可信技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用分析
UEFI技術(shù)是一種基于標(biāo)準(zhǔn)接口的計算機固件技術(shù)，具有跨平臺、功能擴展方便的特點。同時，UEFI BIOS內(nèi)置了完善的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，支持UDP、TCP、FTP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以在啟動階段提供完善的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。除此之外，UEFI BIOS還支持啟動階段從硬盤等存儲器件中獲取相關(guān)文件資源，這就為身份認(rèn)證在底層實現(xiàn)和在啟動階段實現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。同時，利用可信計算的可信密碼模塊（Trusted Cryptography Module，TCM），能夠為平臺提供加密和認(rèn)證功能。
綜上所述，結(jié)合運用UEFI技術(shù)和可信技術(shù)，能夠在啟動階段，利用UEFI BIOS和操作系統(tǒng)之間的隔離性，在系統(tǒng)啟動操作系統(tǒng)前，與認(rèn)證服務(wù)器相互配合，實現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程入網(wǎng)身份認(rèn)證，同時利用TCM的加密功能，確保認(rèn)證數(shù)據(jù)的傳輸安全。因此，研究基于UEFI的網(wǎng)絡(luò)可信身份認(rèn)證，能有效確保客戶端平臺的入網(wǎng)可控，同時擺脫認(rèn)證過程對操作系統(tǒng)的依賴，避免木馬、病毒等惡意軟件的攻擊。
３
系統(tǒng)組成
基于UEFI的遠(yuǎn)程可信身份認(rèn)證方案系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 基于UEFI的遠(yuǎn)程可信身份認(rèn)證方案系統(tǒng)架構(gòu)
系統(tǒng)由用戶客戶端平臺和服務(wù)器端平臺構(gòu)成。客戶端平臺在啟動過程中，由UEFI固件收集平臺信息，通過TCM模塊，結(jié)合加密、認(rèn)證功能，請求進行身份認(rèn)證。服務(wù)器端平臺對認(rèn)證數(shù)據(jù)進行合法性判別，并將身份認(rèn)證結(jié)果反饋給客戶端，在啟動階段完成遠(yuǎn)程身份認(rèn)證、入網(wǎng)控制。
客戶端平臺UEFI可信增強設(shè)計包括四個部分。
（1）認(rèn)證發(fā)起。
當(dāng)客戶端平臺開機啟動時，UEFI主動向認(rèn)證服務(wù)器發(fā)出請求，包含證書和認(rèn)證兩部分，將用戶身份、設(shè)備身份等認(rèn)證信息發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器進行認(rèn)證。
（2）TCM調(diào)用。
調(diào)用TCM密碼模塊，進行對稱密碼運算和非對稱密碼運算，實現(xiàn)簽名、驗簽、數(shù)據(jù)加密等密碼功能。
（3）信息幀處理。
實現(xiàn)數(shù)字信封的封裝和解封裝。數(shù)字信封使用的數(shù)字簽名驗簽算法由TCM模塊提供。
（4）證書管理。
對認(rèn)證服務(wù)器頒發(fā)的身份安全證書進行加密存儲和本地管理，其中TCM模塊完成加密存儲。
服務(wù)器端平臺對客戶端平臺進行遠(yuǎn)程注冊、認(rèn)證，為各客戶端平臺生成對應(yīng)的身份安全證書并頒發(fā)給對應(yīng)客戶端。服務(wù)器端平臺將針對身份認(rèn)證數(shù)據(jù)開展合法性比對，并對客戶端平臺進行遠(yuǎn)程身份認(rèn)證。服務(wù)器端平臺包括五個部分。
（1）網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧。
通過網(wǎng)絡(luò)接收認(rèn)證請求，與客戶端平臺通信。
（2）信息幀處理。
實現(xiàn)數(shù)字信封的封裝和解封裝。數(shù)字信封使用的數(shù)字簽名驗簽算法可以由軟件算法實現(xiàn)也可以由專門的密碼卡實現(xiàn)。
（3）身份安全證書生成。
對客戶端平臺進行注冊審核，為通過審核的客戶端平臺生成安全的身份證書，并對身份證書中的隨機數(shù)進行更新，確保安全、可靠。同時實現(xiàn)身份證書的存儲與銷毀操作。
（4）身份認(rèn)證模塊。
對客戶端進行身份認(rèn)證，將接收數(shù)字信封形式的身份認(rèn)證信息通過解封裝解密恢復(fù)出的原始數(shù)據(jù)，并與存儲的客戶端身份認(rèn)證數(shù)據(jù)進行比對，完成用戶身份合法性校驗，將認(rèn)證結(jié)果回復(fù)給用戶。
（5）用戶數(shù)據(jù)管理。
對客戶端的信息進行存儲和管理，支持增減、修改、查詢身份信息。
４
遠(yuǎn)程身份認(rèn)證流程
身份認(rèn)證流程包括了身份信息注冊和身份認(rèn)證兩個步驟。
在身份注冊步驟，客戶端平臺利用數(shù)字簽名保護身份信息，確保信息正確及完整。客戶端的平臺身份密鑰（Platform identity key，PIK）由TCM模塊生成，其本質(zhì)是一個公鑰密鑰算法密鑰組合，客戶端的身份信息可通過PIK私鑰完成數(shù)字簽名，將簽名、身份信息發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器。認(rèn)證服務(wù)器存儲有客戶端平臺相應(yīng)的PIK證書（及用戶PIK公鑰），服務(wù)器端利用PIK公鑰驗證客戶端發(fā)送的數(shù)字簽名信息，核準(zhǔn)平臺身份并頒發(fā)身份安全證書（安全證書中包含服務(wù)器公鑰信息）。
身份信息注冊階段流程如下：
（1）客戶端平臺發(fā)送設(shè)備注冊信息，客戶端平臺對設(shè)備信息使用自身的PIK私鑰進行數(shù)字簽名，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字簽名、設(shè)備信息的組合數(shù)據(jù)發(fā)送給認(rèn)證服務(wù)器。
（2）認(rèn)證服務(wù)器接收注冊信息后，將客戶端設(shè)備信息、數(shù)字簽名解析出來后，使用數(shù)據(jù)庫中匹配的客戶端設(shè)備PIK公鑰，完成數(shù)字簽名驗簽，通過校驗設(shè)備信息完成驗證。若客戶端平臺合法，則通過驗證，給出合法客戶的身份安全證書，并將其數(shù)據(jù)信息存儲在數(shù)據(jù)庫中。
（3）認(rèn)證服務(wù)器頒發(fā)證書，將身份安全證書通過客戶端平臺PIK公鑰進行加密，發(fā)送給客戶端。
（4）客戶端平臺通過PIK私鑰對收到的身份安全證書進行解密。通過身份安全證書中攜帶的認(rèn)證服務(wù)器公鑰，驗證證書簽名合法性，并獲取證書中的隨機數(shù)。
身份信息注冊階段流程如圖2所示。
圖2 身份信息注冊階段流程
在身份認(rèn)證階段，由于客戶端平臺和認(rèn)證服務(wù)器相互獲取了對方的公鑰，在客戶端和服務(wù)器端利用數(shù)字信封的方式對傳輸?shù)男畔⑦M行加密，提高認(rèn)證的安全性。身份認(rèn)證的流程如下：
（1）客戶端平臺上電開機，可信UEFI固件程序啟動，在進入操作系統(tǒng)之前，UEFI固件通過證書管理模塊對身份安全證書中的認(rèn)證隨機數(shù)和身份安全證書公鑰信息進行查詢。
（2）客戶端平臺發(fā)送身份認(rèn)證請求給認(rèn)證服務(wù)器，通過身份安全證書公鑰以及隨機數(shù)加密得到密文信息，生成數(shù)字信封并發(fā)送至認(rèn)證服務(wù)器。
（3）認(rèn)證服務(wù)器端開展身份認(rèn)證，并對身份安全證書進行更新。首先，認(rèn)證服務(wù)器對客戶端平臺數(shù)字信封進行解封裝，使用相應(yīng)客戶端的PIK公鑰來進行簽名驗證，然后使用身份安全證書私鑰進行解密運算，恢復(fù)數(shù)字信封中的認(rèn)證隨機數(shù)。比對解密得到的認(rèn)證隨機數(shù)和數(shù)據(jù)庫中存儲的隨機數(shù)，判斷身份是否合法。如身份合法，認(rèn)證服務(wù)器對身份安全證書中的隨機數(shù)進行更新，并記錄至數(shù)據(jù)庫中，供下一次身份驗證使用；如果身份非法，則禁止客戶端平臺入網(wǎng)，從而保護網(wǎng)絡(luò)安全。
（4）認(rèn)證服務(wù)器端對新證書中的認(rèn)證隨機進行封裝，通過身份安全證書的私鑰進行數(shù)字簽名，發(fā)送給客戶端平臺。
（5）客戶端平臺收到數(shù)字信封數(shù)據(jù)，進行解密，得到數(shù)字信封中更新的認(rèn)證隨機數(shù)，供下一次認(rèn)證使用。
身份信息認(rèn)證流程如圖3所示。
圖3 身份信息認(rèn)證流程
５
安全性分析
基于UEFI的遠(yuǎn)程可信身份認(rèn)證能夠有效防護常見的惡意攻擊。
（1）針對重放攻擊，采用身份安全證書更新機制，每次認(rèn)證均會進行更新，攻擊者無法利用以往的數(shù)據(jù)對認(rèn)證服務(wù)器進行欺騙，可有效提高安全性。
（2）針對中間人攻擊，采用了TCM對認(rèn)證數(shù)據(jù)進行加密，身份安全證書數(shù)據(jù)被中間人獲取，但證書數(shù)據(jù)無法被攻擊者破譯，認(rèn)證服務(wù)器不會被欺騙，可有效避免中間人攻擊。
（3）針對旁路攻擊，TCM對密碼運算和身份認(rèn)證數(shù)據(jù)進行加密存儲，可有效抵御旁路攻擊。
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結(jié)語
基于UEFI固件的可信身份認(rèn)證，能在固件層實現(xiàn)載入操作系統(tǒng)前對接入終端平臺進行身份認(rèn)證，通過UEFI BIOS與操作系統(tǒng)具有隔離性，確保身份認(rèn)證過程安全性，抵抗操作系統(tǒng)中的惡意代碼攻擊。同時，利用TCM等技術(shù)提高安全性，保證認(rèn)證數(shù)據(jù)的安全性。
