05.23 可信计算在服务器基板管理控制器中的应用

0 引言

基板管理控制器（Baseboard Management Controller，BMC）是服务器的重要单元，其利用虚拟的键盘、界面、鼠标、电源等为服务器提供远程管理功能^[1]，用户登录BMC的Web管理界面监视服务器的物理特征，如主板各部件的温度、电压、电源供应以及机箱入侵等。BMC本质上是一个嵌入式系统，在使用过程中会面临程序完整性被破坏、操作系统被攻击、Web应用被植入恶意代码等安全风险。此外，目前国内的服务器普遍采用国外的BMC芯片，如ASPEED系列的AST2400、AST2500型号，安全性未知，核心技术受制于人。因此，本文基于自主研发的BMC模块，研究了BMC的可信启动技术并且成功地进行了应用。

自主研发的BMC板卡以现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）为控制核心，以国产的可信密码模块（Trusted Cryptography Module，TCM）作为信任根，实现了BMC的可信引导，对服务器平台的模块逐级进行度量，最终构建起完整的信任链^[2]。

信任链模型如图1所示，信任的建立过程如下：

(1)BootROM：系统上电后执行的第一段代码，用于初始化相应的硬件模块。由于BootROM位于FPGA的片内ROM中，外界无法更改，因此默认BootROM是可信的^[3]。BootROM运行之后把位于片外SD卡的Preloader镜像加载到FPGA片内RAM执行，控制权交给Preloader^[4]。

(2)Preloader：基于SPL架构的引导程序，初始化SDRAM、PLL、IO接口等硬件，属于U-Boot的一部分，与U-Boot共享大部分的驱动代码，设计的TCM驱动可被Preloader与U-Boot共同使用。Preloader把U-Boot镜像由SD卡加载到SDRAM并对镜像进行度量，之后控制权交给U-Boot。

(3)U-Boot：初始化操作系统环境，在U-Boot中设计了TCM驱动与度量程序，对设备树镜像(Flattened Device Tree，FDT)、文件系统Ramdisk镜像以及Linux内核zImage镜像进行度量，之后把Linux内核镜像由SD卡加载到SDRAM，控制权交给Linux。

(4)Linux Kernel：在嵌入式Linux中实现了内核层的TCM驱动以及度量程序，度量系统BIOS的启动代码Boot Block后，控制权交给BIOS。

(5)BIOS：对服务器主板的模块(如Option ROMs、MBR等)进行逐级度量，直到服务器操作系统启动，从而构建了完整的信任链。

在信任链建立过程中，度量值采用扩展操作的方式记录到TCM的平台配置寄存器(Platform Configuration Register，PCR)^[5]

2 系统架构设计

服务器主板的硬件架构如图2所示，虚线框内为BMC板卡，BMC通过LPC(Low Pin Count)总线挂接到南桥上，作为从设备接受南桥的调度；通过SPI总线与BIOS连接，读取BIOS的资产信息；通过IIC总线与复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)连接，向CPLD发送命令对主板的上电时序进行控制。BMC板卡以FPGA为控制核心，采用的是Cyclone V系列带有ARM Cortex-A9处理器的5CSXFC6D6F31芯片。Cyclone V系列的FPGA设计过程结合了ARM嵌入式开发与电子设计自动化EDA的开发方式，十分灵活。

FPGA的外设包括SDRAM、QSPI Flash、SD卡、RTC等。其中SD卡用于存储U-Boot、Linux、文件系统的镜像，SDRAM作为BMC的内存，ARM将镜像搬移到执行速度快的SDRAM中执行。QSPI Flash是非易失性存储器，在开发阶段为了调试的方便，将镜像文件暂时存储在SD卡中，便于利用读卡器对编译出的不同镜像反复写入SD卡，在产品化阶段出于安全性考虑，将最终的镜像文件固化于QSPI Flash，使镜像不易被恶意篡改。实时时钟RTC用于记录度量时间。

采用国产TCM作为服务器的物理信任根，TCM包括对称算法、非对称算法、杂凑算法等密码功能单元，存储度量值的PCR寄存器，非易失性存储空间NVRAM等。为便于进行设计，采用了SPI总线接口的TCM模块与FPGA进行通信，在FPGA中设计了状态机对TCM进行控制，BMC通过调用TCM的API接口实现对服务器启动过程中模块的度量。

3 关键模块设计

3.1 TCM控制器

位于BMC的TCM控制器采用状态机模型，通过SPI接口与TCM进行交互，实现BMC对TCM的读写操作。图3是TCM控制器与TCM模块的接口图，TCM控制器采用了Verilog语言设计，通过AMBA总线连接到ARM处理器。

在实际工作过程中，ARM通过发送命令字和数据包操作TCM，例如初始化操作、加解密操作等^[7]，TCM根据命令进行操作，运算完成后的数据再由ARM读取。

该TCM控制器包括3个寄存器和1个RAM区，具体功能如下：

(1)命令寄存器：存放操作TCM的不同命令字，例如TCM初始化、自检、读写PCR寄存器、加解密等命令字。

(2)长度寄存器：存放参与运算的数据长度，单位为字节。

(3)控制寄存器：包括START位和FINISH_FLAG位，START位置1表示启动TCM控制器开始工作，清0表示停止TCM控制器工作；FINISH_FLAG置1表示下达的命令操作完成，清0表示操作未完成。

(4)RAM区：长度为1 KB，作为数据的缓存。

图4是TCM控制器工作的状态机转移图，包括空闲状态IDLE、开始状态BEGIN、写命令字状态WR_CMD、写长度状态WR_LEN、写数据状态WR_DATA、等待状态WAIT、读数据状态RD_DATA和完成状态FINISH。状态机的具体工作过程如下：

(1)系统上电复位后TCM控制器进入IDLE状态，等待ARM处理器下达指令。当ARM设置控制寄存器的START位为1后，启动状态机，进入BEGIN状态；

(2)在BEGIN状态，TCM控制器使SCLK、SDO与SDI信号同步，之后进入WR_CMD状态；

(3)在WR_CMD状态，TCM控制器向命令寄存器写入操作TCM的命令字，之后进入WR_LEN状态；

(4)在WR_LEN状态，TCM控制器向长度寄存器写入参与命令运算的数据长度，单位为字节，之后进入WR_DATA状态；

(5)在WR_DATA状态，TCM控制器根据数据长度把参与运算的具体数据依次写入RAM区，之后进入WAIT状态；

(6)在WAIT状态，TCM控制器根据设置的延时参数，等待TCM运算完成，之后进入RD_DATA状态；

(7)在RD_DATA状态，TCM控制器读取TCM运算完成的数据，把数据写回RAM区，之后进入FINISH状态；

(8)在FINISH状态，TCM控制器清除控制寄存器的START位为0，并设置完成标志位FINISH_FLAG为1，之后由ARM处理器接管控制权，ARM处理器可以再次启动状态机，向TCM发送其他的命令字及数据，过程同步骤(3)~(8)。

3.2 U-Boot度量模块

在BMC引导加载Linux过程中需要对内核zImage镜像、文件系统Ramdisk镜像和设备树FDT镜像进行度量，以此作为BMC固件完整性判断的依据，SD卡存储的镜像文件结构如图5所示，设计的U-Boot可信启动控制过程具体如下：

(1)BMC板卡上电，U-Boot进行初始化后开始引导过程，把位于SD卡中的zImage镜像加载到U-Boot指定的内存地址。

(2)设置标志位first_boot_flag作为BMC第一次启动的标识，当BMC第一次启动，即first_boot_flag为1时需要进行基准值的收集，调用TCM的SM3算法对zImage镜像的内核头信息和镜像长度进行杂凑运算，把生成的摘要值写入TCM的PCR寄存器。

(3)对Ramdisk镜像进行度量，把镜像从SD卡搬移到内存，调用SM3算法对Ramdisk镜像的头信息和镜像长度进行杂凑运算，把生成的摘要值扩展存储到PCR。

(4)对设备树FDT镜像进行度量，把镜像从SD卡搬移到内存，调用SM3算法对FDT镜像的头信息和镜像大小进行杂凑运算，把生成的摘要值扩展存储到PCR，此时PCR存储的就是基准值，之后U-Boot读取RTC时钟并记录日志。

(5)当BMC不是第一次启动，即first_boot_flag标识为0时，在U-Boot启动时需要对zImage、Ramdisk和FDT镜像进行度量，以此判断镜像的完整性。具体获取度量值的过程与步骤(2)~(4)获取基准值的过程一致。

(6)U-Boot将度量值与PCR存储的基准值进行比对，当比对一致时，说明BMC固件是完整和可信的，设置可信标志位trust_flag为1，读取RTC时间并记录日志，之后进行内核的解压和系统的加载。当度量值与基准值比对不一致时，说明镜像的完整性受到了破坏，此时设置标志位trust_flag为0，提示不可信的信息并记录日志，信任链构建过程被终止，需要由BMC管理员进行操作。

(7)当需要更新基准值时，重新对zImage、Ramdisk与FDT镜像进行度量，度量摘要更新至PCR，覆盖之前的基准值。

在安全性方面，通过自主研发的BMC板卡代替了国外的BMC产品，杜绝了使用国外芯片存在的安全隐患。基于BMC板卡，开发了FPGA控制TCM的逻辑、U-Boot与Linux的可信功能软件，实现了对BMC的可信引导和BIOS Boot Block的主动度量，同时通过TCM的密码服务为上层应用及访问者提供了验证平台可信的方法^[8]。另外基于BMC Web管理界面实现了可信功能的呈现，通过BMC控制CPLD的方式实现了对主板上电时序的控制。利用以上安全措施，为系统平台构建了安全可信的操作环境。

服务器的可信启动过程为：

(1)接通服务器电源，BMC与TCM先上电启动。

(2)BMC向CPLD发送命令，由CPLD控制主板电源电压，不给CPU上电。

(3)进行BMC固件的可信引导，当判定BMC可信后进行BIOS的主动度量；否则，进入BMC Web管理界面进行异常处理，此时CPU不会上电。

(4)进行BIOS的主动度量，当判定BIOS Boot Block可信后，BMC通过CPLD控制CPU上电，之后由BIOS接管控制权，进行主板模块的度量；否则，进入BMC Web进行异常处理，此时CPU不会上电。

表1是测试数据，测试了BMC与BIOS的基准值、度量值以及固件经篡改后的异常值。当度量值与基准值一致时，BMC Web管理界面中的可信状态灯显示绿色，否则可信状态灯显示红色。在Web界面可以进行可信功能开启、基准值更新、特权启动、查看日志等操作。

5 结论

本文研究了可信计算技术在BMC中的应用，基于国产BMC板卡和TCM设计实现了BMC固件的可信引导和BIOS的主动度量，实现了服务器的可信启动控制。研究成果已应用于北京科委项目，有广阔的应用前景。

参考文献

[1] Intel Inc.Intelligent platform management interface specification V2.0[Z].2013-10-01.

[2] 周骅，刘桥.动态可信度量分析的硬件安全机制研究[J].电子技术应用，2015，41(1)：115-121.

[3] 赵波，费永康，向騻，等.嵌入式系统的安全启动机制研究与实现[J].计算机工程与应用，2014，50(10)：72-77.

[4] Foswiki.Booting from FPGA[EB/OL].[2017-10-18].https：//rocketboards.org/foswiki/Documentation/BootFromFPGA140.

[5] Trusted Computing Group.Trusted platform module library part1：architecture[EB/OL].(2014-3-13)[2017-10-18].http：//www.trustedcomputinggroup.org/tpm-main-specification/.

[6] 冯登国.可信计算—理论与实践[M].北京：清华大学出版社，2013.

[7] 国民技术有限公司.Z32H320TC trusted cryptography module datasheet[Z].2014.

[8] 张伶俐，张功萱，王天舒，等.嵌入式系统可信虚拟化技术的研究与应用[J].计算机工程与科学，2016，38(8)：1654-1660.

作者信息:

苏振宇

（浪潮集团高效能服务器和存储技术国家重点实验室，山东 济南250101）

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