摘要：為保證云服務(wù)的安全可靠，在使用云服務(wù)前，用戶需要對(duì)云平臺(tái)進(jìn)行可靠性和安全性的遠(yuǎn)程證明。本文基于云計(jì)算，研究了基于屬性的遠(yuǎn)程證明機(jī)制，并采用AIK證書對(duì)用戶的身份進(jìn)行安全性認(rèn)證，同時(shí)使用加密和簽名等手段保證配置、屬性證書等敏感信息在傳輸中的安全性并確保其不被篡改。

　　關(guān)鍵詞：屬性證書；遠(yuǎn)程證明；云計(jì)算；AIK

0引言

　　隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，各類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用向云端遷移，大量的用戶敏感信息存儲(chǔ)于云端。云計(jì)算在減輕企業(yè)和用戶計(jì)算、存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)的同時(shí)，也將安全問題帶入到了“云”中。如何通過各種安全機(jī)制保證用戶得到安全、可信的云計(jì)算服務(wù)，確保用戶數(shù)據(jù)、計(jì)算任務(wù)的安全性，成為云計(jì)算中非常重要的研究?jī)?nèi)容［1］。在用戶使用云服務(wù)之前，云端應(yīng)當(dāng)能夠向用戶提供自身安全性和可靠性的證明。另一方面，為了保證用戶信息的安全性，云端也必須要認(rèn)證用戶的身份。身份認(rèn)證是云服務(wù)安全的第一道大門，也是實(shí)施各種安全措施的前提。

　　當(dāng)前遠(yuǎn)程證明的研究可分為基于身份、基于平臺(tái)、基于行為等方向［2］，基于屬性的遠(yuǎn)程證明是一種基于平臺(tái)的遠(yuǎn)程證明方式，這種證明方法，挑戰(zhàn)者不需要知道平臺(tái)的配置，只需要知道平臺(tái)是否能滿足某種或某些安全屬性，在證明了平臺(tái)安全可靠的同時(shí)，保證平臺(tái)真實(shí)配置不被泄露。為使基于屬性的遠(yuǎn)程證明可以更好地適用于云計(jì)算，需要研究如何針對(duì)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行基于屬性的遠(yuǎn)程證明。同時(shí)，需要可信第三方來提供可靠的屬性證書頒發(fā)和驗(yàn)證服務(wù)，在平臺(tái)的配置和證書等相關(guān)信息傳輸時(shí)，需要保證信息的安全性和不被篡改。

1相關(guān)技術(shù)

　　1.1基于屬性的遠(yuǎn)程證明

　　基于屬性的遠(yuǎn)程證明是指通過屬性與平臺(tái)配置之間的映射關(guān)系，在可信第三方的幫助下，頒發(fā)屬性證書，來證明被證明方的可信安全屬性的遠(yuǎn)程證明機(jī)制。在進(jìn)行屬性證明的過程中，證明請(qǐng)求由一系列“滿足屬性p1i的系統(tǒng)聲明其滿足屬性 p2i”的聲明組成［3］。遠(yuǎn)程證明模型如圖1。

　　相對(duì)于直接匿名證明和基于二進(jìn)制的遠(yuǎn)程證明模型等，基于屬性的遠(yuǎn)程證明模型具有靈活性強(qiáng)、安全性高的優(yōu)勢(shì)［4］。

　　1.2可信平臺(tái)模塊TPM

　　TPM是可信計(jì)算平臺(tái)的信任根，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由執(zhí)行引擎、內(nèi)存、I/O、密碼協(xié)處理器、隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器等部件組成。其中，執(zhí)行引擎主要是CPU和相應(yīng)的固件。密碼協(xié)處理器用于加速公鑰密碼的產(chǎn)生。密鑰產(chǎn)生部件基于ECC產(chǎn)生公鑰密碼的密鑰,隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器是TPM的隨機(jī)源,產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)和對(duì)稱密碼的密鑰。SHA1引擎是Hash函數(shù)SHA1的硬件引擎。HMAC是基于Hash函數(shù)SHA1的消息認(rèn)證碼硬件引擎。電源檢查監(jiān)視TPM的電源狀態(tài)，并作相應(yīng)處理。配置開關(guān)對(duì)TMP的資源和狀態(tài)進(jìn)行配置［5］。

　　1.3基于TPM的云框架

　　為使可信遠(yuǎn)程證明可以在云環(huán)境中執(zhí)行，需將TPM模塊引進(jìn)云計(jì)算，并進(jìn)行管理。TPM功能是通過對(duì)可信平臺(tái)模塊進(jìn)行虛擬而實(shí)現(xiàn)的。虛擬TPM設(shè)計(jì)的目標(biāo)是使可信平臺(tái)模塊的功能對(duì)每臺(tái)虛擬機(jī)都可用，讓每臺(tái)需要此功能的虛擬機(jī)都感覺是在訪問自己私有的可信平臺(tái)模塊［6］。一般來說，一個(gè)虛擬機(jī)系統(tǒng)只有一個(gè)硬件可信平臺(tái)模塊，而虛擬機(jī)的數(shù)目要遠(yuǎn)大于此，因此需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)虛擬可信平臺(tái)模塊實(shí)例，其中每一個(gè)實(shí)例都要模擬硬件可信平臺(tái)模塊的功能。下面介紹本文使用的TPM管理方式［7］。

　　參考文獻(xiàn)［8］在通用云計(jì)算框架的基礎(chǔ)上提出了基于TPM的云框架。如圖3所示。vTPM manage在云基礎(chǔ)設(shè)施層運(yùn)行。虛擬機(jī)(VM)中含有vTPMi實(shí)例，該實(shí)例是由vTPM manage提供，但其功能實(shí)際是調(diào)用底層的TPM硬件來實(shí)現(xiàn)。vTPM manage預(yù)先分配好每個(gè)vTPMi的序列號(hào)，與每個(gè)VM一一對(duì)應(yīng)，因此VM不可用vTPMj對(duì)消息進(jìn)行偽裝。底層的TPM硬件在執(zhí)行vTPMi所請(qǐng)求的命令時(shí)，根據(jù)序列號(hào)判斷vTPMi來自哪個(gè)VM。

2基于屬性的云計(jì)算遠(yuǎn)程證明認(rèn)證模型

　　本文對(duì)用戶平臺(tái)和云平臺(tái)都進(jìn)行了基于AIK的身份認(rèn)證，在此基礎(chǔ)上，利用基于屬性的遠(yuǎn)程證明思想，形成了基于屬性的云計(jì)算遠(yuǎn)程證明模型。

　　2.1涉及到的主體

　　該框架涉及到的主體包括以下幾個(gè)：

　　（1)云平臺(tái)（Cloud）：具有統(tǒng)一的TPMi管理模塊vTPM manage以及與虛擬機(jī)一一對(duì)應(yīng)的vTPMi模塊。vTPM manage和vTPMi都有自己的EK證書，vTPM manage的EK證書由硬件TPM產(chǎn)生，而vTPMi的虛擬EK證書由vTPM manage向vTPM分發(fā)唯一序列號(hào)時(shí)生成并提供。

　　（2)AIK證書中心：頒發(fā)AIK證書，驗(yàn)證AIK證書的有效性。

　　（3)用戶平臺(tái)（user）：向云平臺(tái)發(fā)起服務(wù)請(qǐng)求，并要求其提供相應(yīng)服務(wù)所涉及到的模塊屬性證書。此外，用戶平臺(tái)包含TPM模塊，并有自己的EK證書。

　　（4)屬性權(quán)威中心（Issuer）：頒發(fā)屬性證書，驗(yàn)證屬性證書的可靠性。

　　2.2相關(guān)參數(shù)說明

　　Cs：虛擬平臺(tái)配置；

　　Cs’：虛擬平臺(tái)相應(yīng)映射到的相關(guān)底層物理配置集。

　　2.3證明認(rèn)證過程

　　2.3.1屬性證書申請(qǐng)

　　（1)Guest OS向?qū)?yīng)的vTPMi發(fā)起全部模塊屬性證書申請(qǐng)的流程。

　　（2)vTPMi對(duì)Cs’和AIK證書計(jì)算出簽密值α,然后將（Cs’，α）用自己的私鑰加密后發(fā)送給vTPM manage。

　　（3)vTPM manage用vTPMi的公鑰解密并驗(yàn)證是否被篡改。

　　（4)vTPM manage通過Cs’計(jì)算得到vTPMi涉及到的底層配置Cs，再對(duì)Cs和自己的AIK證書計(jì)算簽密值β，再用自己的私鑰對(duì)（Cs，β）加密后發(fā)送給vTPMi。

　　（5)vTPMi解密出Cs后即驗(yàn)證是否被篡改，將Cs用issuer的公鑰加密后發(fā)送給Issuer。

　　（6)屬性權(quán)威中心將根據(jù)Cs值按照一定規(guī)則推斷出vTPMi所在虛擬平臺(tái)和底層涉及的物理平臺(tái)配置屬性值Ps，并發(fā)布屬性證書AC。 AC在先后采用vTPM manage的AIK公鑰和vTPMi的AIK公鑰加密之后發(fā)送給vTPM manage和vTPMi。

　　（7)vTPMi與vTPM manage采用各自的私鑰解密后得到AC。根據(jù)Cs，由F(Cs,P)計(jì)算出值E并將（E，AC）發(fā)送給Guest OS,其中F為單向函數(shù)，P是隨機(jī)大素?cái)?shù)。

　　（8)Guest OS驗(yàn)證AC中各值的正確性，并存儲(chǔ)AC以及E值。AC和E預(yù)先存儲(chǔ)于Guest OS中，由于E的計(jì)算是基于離散對(duì)數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此即使Guest OS被攻擊者獲取，也無法獲得Cs值［9］。

　　2.3.2身份認(rèn)證

　　（1)用戶平臺(tái)包含的TPM模塊生成一對(duì)密鑰對(duì)（Kup，Kus），并將自身的一些身份信息和公鑰發(fā)給AIK證書中心。

　　（2)AIK證書中心驗(yàn)證用戶身份信息，利用用戶身份信息和公鑰生成AIK證書，并用用戶的公鑰給身份證書加密后發(fā)給用戶。

　　（3)用戶平臺(tái)向云平臺(tái)發(fā)送自己的用戶ID、口令、AIK證書以及某種服務(wù)請(qǐng)求。

　　（4)云平臺(tái)驗(yàn)證用戶的身份和口令，驗(yàn)證通過后提取用戶的AIK證書，將用戶的ID和AIK證書發(fā)送給AIK證書中心。

　　（5)AIK證書中心驗(yàn)證證書的可靠性，并將驗(yàn)證結(jié)果發(fā)送給云平臺(tái)，驗(yàn)證通過的情況下繼續(xù)后面的驗(yàn)證［10］。

　　2.3.3屬性證書驗(yàn)證

　　（1)在用戶平臺(tái)的AIK證書可靠的情況下，根據(jù)用戶提出的服務(wù)請(qǐng)求，云平臺(tái)選取某個(gè)Guest OS。

　　（2)該Guest OS向vTPMi發(fā)起屬性認(rèn)證流程；vTPMi生成隨機(jī)數(shù)K←{0,1}t，對(duì)（K，Csi，AC）計(jì)算序列值σ，對(duì)Cs用屬性權(quán)威中心的公鑰加密后得到Ei（Cs），對(duì)（σ，Ei（Csi），AIKvTPMi）計(jì)算序列值ω，將K、σ、ω、Ei（Csi）、AC和自己的AIK證書使用用戶的公鑰加密后發(fā)給用戶［11］。

　　（3)用戶平臺(tái)收到相應(yīng)模塊的屬性證書之后，用私鑰進(jìn)行解密，驗(yàn)證ω是否正確并檢查AC上聲明的屬性是否滿足安全要求，若滿足則將K、σ、AC、Ei（Csi）和vTPMi的AIK證書用屬性證書中心的公鑰加密發(fā)給屬性證書權(quán)威中心。

　　（4)屬性權(quán)威中心檢驗(yàn)σ簽名是否正確，并驗(yàn)證以下兩點(diǎn)：

　　①AC證書是否可信；

　　②由Csi配置計(jì)算出的配置值Psi是否與AC證書所標(biāo)明的屬性Ps一致。

　　（5)屬性權(quán)威中心在驗(yàn)證結(jié)束后，將驗(yàn)證結(jié)果發(fā)送給用戶平臺(tái)。

　　（6)屬性權(quán)威中心驗(yàn)證通過后，用戶將繼續(xù)對(duì)話的消息發(fā)給云平臺(tái)，平臺(tái)將此次服務(wù)的GuestOS id、K、σ、AC、Ei（Csi）和vTPMi的AIK證書、繼續(xù)對(duì)話時(shí)間戳存放到數(shù)據(jù)庫(kù)一段時(shí)間。每次選中某個(gè)Guest OS后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找是否有該Guset OS對(duì)應(yīng)的簽名值，避免重復(fù)計(jì)算。

　　2.4安全性分析

　　本文結(jié)合云計(jì)算下的TPM框架和基于屬性的遠(yuǎn)程證明方案，通過引進(jìn)屬性權(quán)威中心、AIK證書中心作為可信第三方，保證云對(duì)用戶的認(rèn)證、用戶對(duì)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程證明都安全可靠。

　　在申請(qǐng)屬性證書的過程中，對(duì)于參與者vTPMi、vTPM manage以及Guest OS，本文假設(shè)相互之間的交互過程是不安全的。為保證這三者之間傳輸信息的安全性，加入了簽密手段和公鑰加密，保證信息在傳遞過程中不被篡改。

　　在屬性證書驗(yàn)證過程中，對(duì)發(fā)給用戶和屬性權(quán)威中心的數(shù)據(jù)做兩層不同的簽名，一是保證敏感信息（如平臺(tái)配置）不被用戶看到，二是保證信息在傳輸過程中的安全性。

　　作為可信第三方，屬性權(quán)威中心不僅對(duì)AC的可信性進(jìn)行驗(yàn)證，也對(duì)配置值對(duì)應(yīng)的屬性值重新計(jì)算，保證云平臺(tái)提供的最新服務(wù)符合其承諾的安全性，從而保護(hù)了用戶的利益，也使用戶對(duì)云服務(wù)商的信任加強(qiáng)，從而使云計(jì)算有更廣闊的運(yùn)用空間。

3結(jié)論

　　本文介紹了基于云計(jì)算下的TPM框架實(shí)現(xiàn)的基于屬性的云計(jì)算遠(yuǎn)程證明，在進(jìn)行屬性遠(yuǎn)程證明過程中，采用了屬性權(quán)威中心作為可信第三方，對(duì)云平臺(tái)的配置計(jì)算其滿足的屬性，并能夠驗(yàn)證屬性證書的可靠性。此外，本文基于可信第三方AIK證書中心對(duì)用戶和平臺(tái)身份進(jìn)行認(rèn)證。針對(duì)屬性證書驗(yàn)證中的簽密過程，本文做了緩存處理，減少了簽密算法的計(jì)算頻率，提高了系統(tǒng)效率。

　　本文在研究過程中未對(duì)配置到屬性的計(jì)算進(jìn)行詳述，未來研究工作可以在這個(gè)方向展開。

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