基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制

基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制 Firmware⁃Level Hard Disk Security Protection Mechanism Based on UEFI 1 first-author 孙 亮，男，高级工程师，博士，现从事固件安全和可信计算方面的研究。E⁃mail：lsun@zdt⁃tech.com.cn 孙 亮，男，高级工程师，博士，现从事固件安全和可信计算方面的研究。E⁃mail：lsun@zdt⁃tech.com.cn 1 中电科技（北京）有限公司，北京 100083 中电科技（北京）有限公司，北京 100083 ZD Technology (Beijing) Co., Ltd, Beijing 100083, China ZD Technology (Beijing) Co., Ltd, Beijing 100083, China 为提高硬盘的安全性和可靠性，提出一种基于统一可扩展固件接口（unified extensible firmware interface，UEFI）的固件级硬盘安全保护机制。该机制可以由硬盘厂商在硬盘的受保护空间内预置固件级安全运行环境和硬盘安全保护功能模块，实现身份认证、全盘加密、硬盘固件度量等安全功能。基于该机制，设计并实现了原型系统，并利用该原型系统进行芯片密码算法接口调用实验和硬盘读写效率测试。实验结果表明，在硬盘保护区内预置固件级安全模块，能够在操作系统启动前对用户身份进行认证，实现全盘加解密，提升了硬盘的安全性，且不影响加密硬盘的算法性能。 In this paper, a firmware⁃level hard disk security protection mechanism based on UEFI (unified extensible firmware interface) is proposed to improve the security and reliability of the hard disk. The UEFI⁃based mechanism can be used by the hard disk manufacturer to pre⁃install the firmware⁃level safe operational environment and hard disk security protection function modules in the protected space of the hard disk, and realize security functions such as identity authentication, full⁃disk encryption, and hard disk firmware measurement, etc. Based on this mechanism, a prototype system was designed and implemented, and then used for the invocation experiment with the chip cryptographic algorithm interface and the efficiency test of hard disk reading and writing. The experimental results show that the firmware⁃level security module in the hard disk protection area can authenticate the user s identity before the operating system starts, realize the encryption and decryption of the entire hard disk, and improve the security of the hard disk without affecting the algorithm performance of the encrypted hard disk. UEFI 固件安全 硬盘安全保护机制 数据加密 unified extensible firmware interface (UEFI) firmware security hard disk security protection mechanism data encryption 0　 引 言 1 随着信息技术的飞速发展，云计算、大数据、物联网、移动计算、人工智能等高新技术已经与社会、军事、传统行业深深地融合在一起,新技术、新业态、新模式不断出现，数据资源已经成为人类社会中最重要的核心资产。为了将快速增长的信息转换为价值，各企事业单位往往将各种类型的数据，包括个人、财务、医疗等敏感信息，存储于专用的服务器中，甚至整合于统一的大数据系统中。这种集中存储的大量敏感信息无疑将成为攻击者的理想目标。硬盘作为数据最主要的存储设备，不仅在信息系统中扮演着极其重要的角色，也面临着较为严峻的安全威胁 [ 1 1 ] 。 目前,硬盘面临的主要安全威胁包括：硬盘丢失或失窃导致的数据泄露；硬盘的操作系统或固件中被植入恶意代码等。特别是在硬盘的固件中植入木马的方式，能够屏蔽操作系统的觉察和查杀，是进行特定计算机系统渗透的“利器”。2013年，德国《镜报》披露了美国国家安全局（NSA）的固件级攻击工具。2015年，卡巴斯基公司的研究团队发现，设计“方程式”病毒的黑客组织已经使用能够感染硬盘的恶意软件，通过重写硬盘固件，对计算机进行渗透。三星、希捷、日立、西数等公司均可能受到“方程式”病毒的影响。并且，卡巴斯基公司暗示该病毒与NSA的间谍活动有关 [ 2 2 ] 。因此，如何采用安全、通用、便捷、高效的方式保护硬盘上敏感数据的安全，是当前迫切需要解决的重要问题。 目前，已有的硬盘数据保护方案主要包括：分区隐藏 [ 3 3 ] 、软件加密 [ 4 4 ] 以及内置加密芯片 [ 5 5 ] 等。但是，分区隐藏并没有对硬盘中的数据进行加密，安全性不高，通过专用的软件或硬件仍可以读取硬盘中的数据；软件加密的方法会占用系统资源，效率低，安全性也较低；内置加密芯片的方法效率高、对用户透明，但是一般需要使用操作系统下的专用软件工具才能对系统分区以外的指定分区进行加解密，难以实现全盘加密。 固件是介于硬件(处理器平台)和系统软件（操作系统）之间的特殊代码，固化在主板芯片上，可以访问和配置包括硬盘在内的各种硬件。固件遵循UEFI（unified extensible firmware interface，统一可扩展固件接口）规范，允许硬件开发商、操作系统开发商开发各自的硬件驱动和应用，并提供固件层次的调试运行环境和包含哈希算法在内的安全接口。 因此，本文希望以一种通用的方式，在固件层对加密硬盘中的加密芯片进行配置，实现对硬盘数据的透明加密。通过该方式，可以在固件运行阶段对用户进行身份认证，然后在引导操作系统启动时，在固件层开启硬盘正常工作模式，识别硬盘系统分区，引导系统启动。基于此，本文提出基于UEFI规范，在硬盘保护分区中植入专用固件模块，在固件层实现对硬盘全盘的加解密操作。该模块可以在操作系统启动前的固件运行阶段中，实现全盘加密、身份认证、硬盘固件度量等功能，可提供一种更加安全可靠的硬盘安全保护机制。 1　 固件级硬盘安全保护机制的需求 1 目前，已经出现若干硬盘加密或数据加密的方案，但是在固件层内实现硬盘加解密、硬盘固件度量等功能的安全机制较少。尽管，已有研究者提出在计算机基本输入输出系统（basic input output system，BIOS）中对硬盘进行保护的方案 [ 6 6 ] ，但这种基于BIOS的硬盘安全保护方案与硬件平台高度绑定，开发工作量较大，难以支持硬盘的跨平台使用和全盘加解密。因此，本文提出在固件层实现的基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制，其设计需求包括以下几点： 1） 部署方便。该方案需能够在任何厂商、任何品牌的硬盘中进行部署。 2） 适用性广。该机制需适用于通用性计算机固件。 3） 扩展性好。该机制需具有较好的扩展性，能够引入其他安全模块进行功能扩展，进一步增强硬盘的安全性。 4） 安全性高。该机制需在开机启动时就对硬盘进行保护，杜绝操作系统启动后进行加密硬盘攻击造成的数据泄露问题。 5） 可以配合外设。该机制需能够配合安全外设，如USB⁃Key、指纹Key等设备进行用户身份认证。并且可以将硬盘固件模块的加载和运行融入到信任链的建立和传递过程中，进一步提升硬盘的安全性 [ 7 7 ] 。 因此，本文提出设计在硬盘内预置的、可独立运行的固件安全模块，实现对硬盘的全盘加密、身份认证和固件度量等功能。 2　 固件级硬盘安全保护机制的设计 1 本文提出的基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制是在固件层实现的，能够在操作系统启动前就开始进行数据保护；并且，该机制可以引入新的固件模块进行功能扩展，通用性强。固件级硬盘安全保护机制能够在硬盘中的保留区内置硬盘安全固件模块，使主BIOS在运行过程中加载该固件模块。该固件模块运行后，将实现固件层的身份度量，并对硬盘固件进行度量验证；在用户身份验证和硬盘度量验证后，该固件模块将配置硬盘加密芯片的工作模式，实现全盘加解密。 下文将详细介绍该机制的总体设计方案、加密流程以及固件级硬盘安全模块结构设计方案。 2.1　总体设计 2 基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制总体框架包括操作系统层、固件层和硬件层，如 图1 图1 所示。 1） 操作系统层包括各类型的操作系统。本文提出的固件级硬盘安全保护机制支持Windows、Linux等操作系统。 2） 固件层包括通用的处理器模块、芯片组模块、电源管理模块、文件系统模块、安全认证模块和应用加载模块。其中，应用加载模块用于加载硬盘中的固件级硬盘安全模块，安全认证模块用于验证固件级硬盘安全模块是否正确完整。 3） 硬件层包括CPU、内存、加密硬盘等部件，并且加密硬盘中已经部署了固件级硬盘安全模块。 2.2　固件级硬盘加密流程设计 2 图2 图2 展示了固件级硬盘安全保护机制的总体流程时序，具体包括以下步骤： hard disk encryption 1） 上电开机后，主板固件（主BIOS）首先对CPU、内存等关键硬件进行初始化，并加载固件级硬盘安全模块，对硬盘固件进行度量。硬盘固件度量正确后进行加载。固件度量是指在运行时硬盘芯片中的驱动模块进行哈希运算得到度量值，并与预置的预期值进行比较，如果度量值与预期值相同则验证成功，如果两者不相同则度量失败。只有验证成功后，才会继续后续流程。 2） 固件级硬盘安全模块发起加密硬盘身份鉴权请求，并依据加密硬盘芯片的身份加密流程完成鉴权。 3） 固件级硬盘安全模块身份鉴权完成后，将弹出固件管理界面，并根据用户的选择将指令发送给加密硬盘。 4） 加密硬盘接收并执行指令，将结果返回给固件级硬盘安全模块。 5） 固件级硬盘安全模块完成所有任务后，控制权交还主BIOS，继续进行硬件初始化和操作系统引导流程。 2.3　固件级硬盘安全模块结构设计 2 固件级硬盘安全模块为硬盘安全保护机制的核心部件，其结构如 图3 图3 所示，包括： security module 1） 硬盘接口通信模块。该模块用于与配套硬盘进行通信，包括传递命令和接收数据。每个厂家的硬盘可能会有不同的定制需求，通过硬盘接口通信模块能够将这些通信接口的差异性进行屏蔽。 2） 人机交互界面。该模块用于在固件层显示人机交互界面，用户可以通过该界面配置用户、口令等相应的信息。 3） 安全策略模块。该模块用于根据不同厂商和用户的需求，定制相应的安全管控策略。 4） 硬盘状态检测模块。该模块用于检测当前硬盘状态是否正常。 5） 硬盘管控模块。该模块用于根据安全策略模块，执行硬盘的安全管控，如全盘加密、硬盘口令等功能。 6） 数据销毁模块。该模块用于对硬盘数据进行销毁。 7） 用户管理模块。该模块用于执行创建用户、设置权限、配置密码等用户管理功能。 3　 系统实现及性能分析 1 3.1　实现方法 2 本文提出的基于UEFI的硬盘安全保护机制具体实现方法如 图4 图4 所示，主要步骤如下： decryption flowchart 1) 在配套硬盘中预置固件级硬盘安全模块，并将该硬盘接入到主机后，上电开机。 2) 主板固件检测硬盘中的安全模块是否可以被加载，是否完整正确。若安全模块可以加载并且完整正确，则转入步骤3；否则，将弹出界面并显示警告，用户需要更换硬盘或重新部署硬盘中的固件级安全模块。 3) 检测硬盘当前状态是否正常，若检测硬盘正常，转入步骤4；否则，将弹出界面并显示警告，用户需要更换硬盘或重新部署硬盘中的固件级安全模块。 4) 检测当前硬盘是否已经设置用户和口令。若已经设置用户和口令，则转入步骤5；否则，需要先创建用户口令和密码，然后转入步骤5。 5) 对用户进行身份认证，如用户名和口令是否正确。该机制还可配合USB⁃Key、指纹Key等设备进行硬盘的用户身份认证，此时还需验证USB⁃Key等是否正确。若用户身份验证成功，则转入步骤6；否则，加密硬盘未得到加密授权，将弹出相应的界面并显示警告。 6) 加密硬盘得到解密授权后，允许固件访问解密的文件系统和数据，正常引导操作系统启动。 3.2　系统实现 2 在完成了基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制总体设计、加密流程设计和固件级硬盘安全模块结构设计后，本文将进行原型系统的实现。 首先，选择加密硬盘。本文选取一款配置加密芯片的M.2接口固态硬盘（SSD,华芯半导体有限公司）。 图5 图5 展示了该加密硬盘结构，包括硬件结构和文件结构两个部分： 1） 硬件结构与目前市场上的主流产品一致，包括处理器、加密芯片、硬盘固件、磁盘/Flash及其他关键部件。选取的硬盘支持SM系列国密算法及RSA、AES等加密算法。 2） 与普通的硬盘不同，除分区表和通用存储区外，本文的硬盘原型系统中还增加了一个保留区用于存放固件级硬盘安全模块。该保留区仅供固件通过安全接口进行读写，在操作系统中无法修改保留区的内容。通过这样的设计，能够保证在操作系统中无法实现对该加密硬盘的非授权配置。 然后，基于龙芯3A3000笔记本、选用的加密硬盘以及昆仑BIOS 3.0，进行固件级硬盘安全保护机制的实现。 固件级硬盘加密模块加载效果如 图6 图6 所示，包括7张计算机屏幕图片（按照启动顺序进行排列）。 图6 图6 （a）为开机启动时，BIOS对硬盘保护分区中的固件级安全模块进行度量的效果图； 图6 图6 （b）所示为进入BIOS设置界面的主要选项；如 图6 图6 （c）所示，仅在SSD保护区中的固件安全模块自动成功加载后，显示“SSD管理”选项； 图6 图6 （d）所示为硬盘安全模块能够实现的功能，包括口令管理、硬盘信息和固件度量；如 图6 图6 （e）所示，口令管理可对加密模块进行开启管理，并修改管理员和用户的密码口令，提供恢复出厂设置等功能； 图6 图6 （f）展示了硬盘的健康管理功能，能够显示上电时间、上电次数、累计写入、错误次数； 图6 图6 （g）展示了固件度量功能，用于对硬盘保护区固件安全模块的预期值进行更新管理。 由 图6 图6 可以看出，固件级硬盘安全保护机制能够实现以下4个主要功能： 1） 能够在硬盘的保留区或特定区域内存储固件级硬盘安全保护模块。 2） 能够在主板运行期间调用固件级硬盘安全保护模块，具有较好的通用性和扩展性。 3） 在调用固件安全保护模块时，进行硬盘固件的度量验证，防止硬盘固件被非授权刷新或植入木马。 4） 能够在操作系统启动前，通过内嵌在硬盘保留区的固件级硬盘安全模块对用户身份进行认证。并且，由于外设支持是UEFI的基本功能，因此，该机制也可配合USB⁃Key、指纹Key等设备进行硬盘的用户身份认证。 3.3　性能分析 2 为研究本文提出的固件级硬盘安全保护机制对加密芯片的算法调用效率以及硬盘的读写效率产生的影响，编写了芯片密码算法调用测试程序，对该机制进行了测试。1024RSA算法签名速度为40次/s，验签速度为137次/s；2048RSA算法签名速度为9次/s，验签速度为50次/s；SM2算法签名速度为9次/s，验签速度为5次/s。在完成固件级硬盘加密模块运行，引导Windows 7操作系统后，采用SM1算法进行加密时，读取数据速度为150 Mb/s，写入数据速度为78.71 Mb/s。实验结果表明，固件级硬盘安全模块并未影响加密硬盘的算法调用和读写效率。 4　 结束语 1 本文设计了一种基于UEFI的固件级硬盘安全保护机制，并进行了原型系统的实现。实验结果表明，在硬盘保护区内预置固件级安全模块，能够对硬盘固件进行度量验证，防止硬盘固件被非授权刷新或植入木马，能够在操作系统启动前对用户身份进行认证，提升了硬盘的安全性。然后，利用该原型系统进行了芯片密码算法接口调用实验和硬盘读写效率测试。由实验结果可知，固件级硬盘安全模块并未影响加密硬盘的算法调用和读写效率。综上所述，该机制通过在加密硬盘中预置固件级硬盘安全模块，为硬盘提供硬盘口令、全盘加密、硬盘固件度量等安全功能，提升了硬盘的安全性，满足了部署方便、适用性广、扩展性好、安全性高、可配合安全外设等硬盘安全需求。 目前，我们已经完成固件安全检测原型系统的开发，下一步将在此基础上进行完善，继续对固件级硬盘安全模块进行扩展，并在可信计算平台下，基于信任链机制，研发新的硬盘安全保护功能。 □ 参考文献 周建军 , 陈莉 . 网络环境下硬盘数据的安全威胁与防护 [J]. 计算机安全 , 2009 ( 6 ): 116 ⁃ 117 . 网络环境下硬盘数据的安全威胁与防护 ZHOU J J , CHEN L . 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