[论文解读] Hardware-based Security for Virtual Trusted Platform Modules

Sami Alsouri, Thomas Feller+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2013

Security and Verification in Computing参考文献 12被引用 3

一句话总结

本文提出两种基于硬件的安全机制——哈希树与增量哈希——以在虚拟化环境中将虚拟PCR（vPCR）与物理硬件PCR绑定，确保抵御软件攻击。该方法在FPGA实现下展现出较低开销，更新复杂度为O(log n)，有效保持了虚拟TPM的可信性，且未扩大可信计算基（TCB）。

ABSTRACT

Virtual Trusted Platform modules (TPMs) were proposed as a software-based alternative to the hardware-based TPMs to allow the use of their cryptographic functionalities in scenarios where multiple TPMs are required in a single platform, such as in virtualized environments. However, virtualizing TPMs, especially virutalizing the Platform Configuration Registers (PCRs), strikes against one of the core principles of Trusted Computing, namely the need for a hardware-based root of trust. In this paper we show how strength of hardware-based security can be gained in virtual PCRs by binding them to their corresponding hardware PCRs. We propose two approaches for such a binding. For this purpose, the first variant uses binary hash trees, whereas the other variant uses incremental hashing. In addition, we present an FPGA-based implementation of both variants and evaluate their performance.

研究动机与目标

• 为解决基于软件的虚拟TPM（vTPM）的安全漏洞，其缺乏硬件级信任且扩大了可信计算基（TCB）。
• 通过将vPCR绑定至单一物理硬件PCR，恢复虚拟PCR的硬件级安全信任。
• 通过确保vPCR完整性在密码学上锚定于可信硬件根，减少虚拟化环境中的TCB。
• 通过FPGA实现两种新型绑定技术（二叉哈希树与增量哈希）来评估其实际可行性。

提出的方法

• 使用二叉哈希树将相同索引的多个vPCR合并为单个根哈希，并存储于硬件PCR中，通过密码学哈希确保完整性。
• 采用增量哈希技术维护vPCR值的聚合哈希，通过模算术运算实现高效更新。
• 在Virtex5 FPGA平台上实现两种方案，以在真实环境约束下评估性能与资源使用情况。
• 向TPM规范提出扩展，以原生支持哈希树与增量哈希操作，因当前TPM缺乏此类接口。
• 设计在TPM内部执行哈希计算，以防止篡改并确保结果可信。
• 在增量哈希中引入历史记录追踪机制，防止恶意重置攻击，同时保持可审计性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将虚拟PCR安全地绑定至硬件PCR，以在虚拟化环境中恢复硬件级信任？
• RQ2 在实践中，基于哈希树与基于增量哈希的绑定方案在计算与资源开销方面如何比较？
• RQ3 这些方案在FPGA平台上实现的性能特征（更新与验证时间）如何？
• RQ4 所提出的绑定机制能否在现有TPM约束下实现，还是需要规范扩展？
• RQ5 验证复杂度如何随虚拟TPM数量与更新操作数量而变化？

主要发现

• 基于哈希树的绑定在更新与验证操作中均实现O(log n)复杂度，FPGA上实测更新时间为1.4 μs。
• 基于增量哈希的绑定实现O(1)更新复杂度，但验证复杂度为O(n*u)，导致验证时间达55.4 μs，超过哈希树方法的30倍以上。
• 哈希树实现通过并行SHA-1计算获得20%性能提升，但通过LPC总线的通信开销仍是主要瓶颈。
• 增量哈希方案资源消耗显著：仅移位与加法乘法器即占用14,371 LUTs与6,175寄存器。
• 增量哈希方法需存储更新历史以防止重置攻击，这增加了验证复杂度并限制了可扩展性。
• 两种方法在合理开销下均具可行性，作者建议对规范进行扩展，以支持未来TPM中这些机制的部署。