0 引言

    基板管理控制器（Baseboard Management Controller，BMC）是服務器的重要單元，其利用虛擬的鍵盤、界面、鼠標、電源等為服務器提供遠程管理功能^[1]，用戶登錄BMC的Web管理界面監視服務器的物理特征，如主板各部件的溫度、電壓、電源供應以及機箱入侵等。BMC本質上是一個嵌入式系統，在使用過程中會面臨程序完整性被破壞、操作系統被攻擊、Web應用被植入惡意代碼等安全風險。此外，目前國內的服務器普遍采用國外的BMC芯片，如ASPEED系列的AST2400、AST2500型號，安全性未知，核心技術受制于人。因此，本文基于自主研發的BMC模塊，研究了BMC的可信啟動技術并且成功地進行了應用。

1 信任鏈構建

    自主研發的BMC板卡以現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）為控制核心，以國產的可信密碼模塊（Trusted Cryptography Module，TCM）作為信任根，實現了BMC的可信引導，對服務器平臺的模塊逐級進行度量，最終構建起完整的信任鏈^[2]。

    信任鏈模型如圖1所示，信任的建立過程如下：

    (1)BootROM：系統上電后執行的第一段代碼，用于初始化相應的硬件模塊。由于BootROM位于FPGA的片內ROM中，外界無法更改，因此默認BootROM是可信的^[3]。BootROM運行之后把位于片外SD卡的Preloader鏡像加載到FPGA片內RAM執行，控制權交給Preloader^[4]。

    (2)Preloader：基于SPL架構的引導程序，初始化SDRAM、PLL、IO接口等硬件，屬于U-Boot的一部分，與U-Boot共享大部分的驅動代碼，設計的TCM驅動可被Preloader與U-Boot共同使用。Preloader把U-Boot鏡像由SD卡加載到SDRAM并對鏡像進行度量，之后控制權交給U-Boot。

    (3)U-Boot：初始化操作系統環境，在U-Boot中設計了TCM驅動與度量程序，對設備樹鏡像(Flattened Device Tree，FDT)、文件系統Ramdisk鏡像以及Linux內核zImage鏡像進行度量，之后把Linux內核鏡像由SD卡加載到SDRAM，控制權交給Linux。

    (4)Linux Kernel：在嵌入式Linux中實現了內核層的TCM驅動以及度量程序，度量系統BIOS的啟動代碼Boot Block后，控制權交給BIOS。

    (5)BIOS：對服務器主板的模塊(如Option ROMs、MBR等)進行逐級度量，直到服務器操作系統啟動，從而構建了完整的信任鏈。

    在信任鏈建立過程中，度量值采用擴展操作的方式記錄到TCM的平臺配置寄存器(Platform Configuration Register，PCR)^[5]，具體是：PCR[n_i+1]=SM3(PCR[n_i]||被度量模塊)(i=0，1，2，…)^[6]。即調用TCM的SM3算法對某一模塊進行雜湊運算，生成32 B的數據作為摘要值，存儲于PCR；之后調用SM3算法對PCR與被度量模塊拼接后的數據進行雜湊運算，生成新的32 B摘要值更新到PCR。若某一模塊確認不可信，即不滿足完整性要求，信任鏈中斷，服務器不會啟動。

2 系統架構設計

    服務器主板的硬件架構如圖2所示，虛線框內為BMC板卡，BMC通過LPC(Low Pin Count)總線掛接到南橋上，作為從設備接受南橋的調度；通過SPI總線與BIOS連接，讀取BIOS的資產信息；通過IIC總線與復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)連接，向CPLD發送命令對主板的上電時序進行控制。BMC板卡以FPGA為控制核心，采用的是Cyclone V系列帶有ARM Cortex-A9處理器的5CSXFC6D6F31芯片。Cyclone V系列的FPGA設計過程結合了ARM嵌入式開發與電子設計自動化EDA的開發方式，十分靈活。

    FPGA的外設包括SDRAM、QSPI Flash、SD卡、RTC等。其中SD卡用于存儲U-Boot、Linux、文件系統的鏡像，SDRAM作為BMC的內存，ARM將鏡像搬移到執行速度快的SDRAM中執行。QSPI Flash是非易失性存儲器，在開發階段為了調試的方便，將鏡像文件暫時存儲在SD卡中，便于利用讀卡器對編譯出的不同鏡像反復寫入SD卡，在產品化階段出于安全性考慮，將最終的鏡像文件固化于QSPI Flash，使鏡像不易被惡意篡改。實時時鐘RTC用于記錄度量時間。

    采用國產TCM作為服務器的物理信任根，TCM包括對稱算法、非對稱算法、雜湊算法等密碼功能單元，存儲度量值的PCR寄存器，非易失性存儲空間NVRAM等。為便于進行設計，采用了SPI總線接口的TCM模塊與FPGA進行通信，在FPGA中設計了狀態機對TCM進行控制，BMC通過調用TCM的API接口實現對服務器啟動過程中模塊的度量。

3 關鍵模塊設計

3.1 TCM控制器

    位于BMC的TCM控制器采用狀態機模型，通過SPI接口與TCM進行交互，實現BMC對TCM的讀寫操作。圖3是TCM控制器與TCM模塊的接口圖，TCM控制器采用了Verilog語言設計，通過AMBA總線連接到ARM處理器。

    在實際工作過程中，ARM通過發送命令字和數據包操作TCM，例如初始化操作、加解密操作等^[7]，TCM根據命令進行操作，運算完成后的數據再由ARM讀取。

    該TCM控制器包括3個寄存器和1個RAM區，具體功能如下：

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

    (2)長度寄存器：存放參與運算的數據長度，單位為字節。

    (3)控制寄存器：包括START位和FINISH_FLAG位，START位置1表示啟動TCM控制器開始工作，清0表示停止TCM控制器工作；FINISH_FLAG置1表示下達的命令操作完成，清0表示操作未完成。

    (4)RAM區：長度為1 KB，作為數據的緩存。

    圖4是TCM控制器工作的狀態機轉移圖，包括空閑狀態IDLE、開始狀態BEGIN、寫命令字狀態WR_CMD、寫長度狀態WR_LEN、寫數據狀態WR_DATA、等待狀態WAIT、讀數據狀態RD_DATA和完成狀態FINISH。狀態機的具體工作過程如下：

    (1)系統上電復位后TCM控制器進入IDLE狀態，等待ARM處理器下達指令。當ARM設置控制寄存器的START位為1后，啟動狀態機，進入BEGIN狀態；

    (2)在BEGIN狀態，TCM控制器使SCLK、SDO與SDI信號同步，之后進入WR_CMD狀態；

    (3)在WR_CMD狀態，TCM控制器向命令寄存器寫入操作TCM的命令字，之后進入WR_LEN狀態；

    (4)在WR_LEN狀態，TCM控制器向長度寄存器寫入參與命令運算的數據長度，單位為字節，之后進入WR_DATA狀態；

    (5)在WR_DATA狀態，TCM控制器根據數據長度把參與運算的具體數據依次寫入RAM區，之后進入WAIT狀態；

    (6)在WAIT狀態，TCM控制器根據設置的延時參數，等待TCM運算完成，之后進入RD_DATA狀態；

    (7)在RD_DATA狀態，TCM控制器讀取TCM運算完成的數據，把數據寫回RAM區，之后進入FINISH狀態；

    (8)在FINISH狀態，TCM控制器清除控制寄存器的START位為0，并設置完成標志位FINISH_FLAG為1，之后由ARM處理器接管控制權，ARM處理器可以再次啟動狀態機，向TCM發送其他的命令字及數據，過程同步驟(3)~(8)。

3.2 U-Boot度量模塊

    在BMC引導加載Linux過程中需要對內核zImage鏡像、文件系統Ramdisk鏡像和設備樹FDT鏡像進行度量，以此作為BMC固件完整性判斷的依據，SD卡存儲的鏡像文件結構如圖5所示，設計的U-Boot可信啟動控制過程具體如下：

    (1)BMC板卡上電，U-Boot進行初始化后開始引導過程，把位于SD卡中的zImage鏡像加載到U-Boot指定的內存地址。

    (2)設置標志位first_boot_flag作為BMC第一次啟動的標識，當BMC第一次啟動，即first_boot_flag為1時需要進行基準值的收集，調用TCM的SM3算法對zImage鏡像的內核頭信息和鏡像長度進行雜湊運算，把生成的摘要值寫入TCM的PCR寄存器。

    (3)對Ramdisk鏡像進行度量，把鏡像從SD卡搬移到內存，調用SM3算法對Ramdisk鏡像的頭信息和鏡像長度進行雜湊運算，把生成的摘要值擴展存儲到PCR。

    (4)對設備樹FDT鏡像進行度量，把鏡像從SD卡搬移到內存，調用SM3算法對FDT鏡像的頭信息和鏡像大小進行雜湊運算，把生成的摘要值擴展存儲到PCR，此時PCR存儲的就是基準值，之后U-Boot讀取RTC時鐘并記錄日志。

    (5)當BMC不是第一次啟動，即first_boot_flag標識為0時，在U-Boot啟動時需要對zImage、Ramdisk和FDT鏡像進行度量，以此判斷鏡像的完整性。具體獲取度量值的過程與步驟(2)~(4)獲取基準值的過程一致。

    (6)U-Boot將度量值與PCR存儲的基準值進行比對，當比對一致時，說明BMC固件是完整和可信的，設置可信標志位trust_flag為1，讀取RTC時間并記錄日志，之后進行內核的解壓和系統的加載。當度量值與基準值比對不一致時，說明鏡像的完整性受到了破壞，此時設置標志位trust_flag為0，提示不可信的信息并記錄日志，信任鏈構建過程被終止，需要由BMC管理員進行操作。

    (7)當需要更新基準值時，重新對zImage、Ramdisk與FDT鏡像進行度量，度量摘要更新至PCR，覆蓋之前的基準值。

4 安全性分析

    在安全性方面，通過自主研發的BMC板卡代替了國外的BMC產品，杜絕了使用國外芯片存在的安全隱患?；贐MC板卡，開發了FPGA控制TCM的邏輯、U-Boot與Linux的可信功能軟件，實現了對BMC的可信引導和BIOS Boot Block的主動度量，同時通過TCM的密碼服務為上層應用及訪問者提供了驗證平臺可信的方法^[8]。另外基于BMC Web管理界面實現了可信功能的呈現，通過BMC控制CPLD的方式實現了對主板上電時序的控制。利用以上安全措施，為系統平臺構建了安全可信的操作環境。

    服務器的可信啟動過程為：

    (1)接通服務器電源，BMC與TCM先上電啟動。

    (2)BMC向CPLD發送命令，由CPLD控制主板電源電壓，不給CPU上電。

    (3)進行BMC固件的可信引導，當判定BMC可信后進行BIOS的主動度量；否則，進入BMC Web管理界面進行異常處理，此時CPU不會上電。

    (4)進行BIOS的主動度量，當判定BIOS Boot Block可信后，BMC通過CPLD控制CPU上電，之后由BIOS接管控制權，進行主板模塊的度量；否則，進入BMC Web進行異常處理，此時CPU不會上電。

    表1是測試數據，測試了BMC與BIOS的基準值、度量值以及固件經篡改后的異常值。當度量值與基準值一致時，BMC Web管理界面中的可信狀態燈顯示綠色，否則可信狀態燈顯示紅色。在Web界面可以進行可信功能開啟、基準值更新、特權啟動、查看日志等操作。

5 結論

    本文研究了可信計算技術在BMC中的應用，基于國產BMC板卡和TCM設計實現了BMC固件的可信引導和BIOS的主動度量，實現了服務器的可信啟動控制。研究成果已應用于北京科委項目，有廣闊的應用前景。

參考文獻

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

[2] 周驊，劉橋.動態可信度量分析的硬件安全機制研究[J].電子技術應用，2015，41(1)：115-121.

[3] 趙波，費永康，向騻，等.嵌入式系統的安全啟動機制研究與實現[J].計算機工程與應用，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] 馮登國.可信計算—理論與實踐[M].北京：清華大學出版社，2013.

[7] 國民技術有限公司.Z32H320TC trusted cryptography module datasheet[Z].2014.

[8] 張伶俐，張功萱，王天舒，等.嵌入式系統可信虛擬化技術的研究與應用[J].計算機工程與科學，2016，38(8)：1654-1660.

作者信息:

蘇振宇

（浪潮集團高效能服務器和存儲技術國家重點實驗室，山東 濟南250101）