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分类: 嵌入式

2015-05-03 14:48:29

老板交待任务,这个星期我都在研究trust zone的东东,之前有看过代码,但没有深入了解!

好吧,这次看来我要跟它杠上了。

网上有很多资料,但很多讲得太抽象,至少对门外汉来说有些难以理解,我估计有些文单可能翻译过来的吧,有些拗口。


在介绍trust zone之前!我们来看两个字,慢慢引导大家trust zone与之前的安全方式有何不同?



好吧,太熟悉了,你有多少密码?QQ密码有没有?银行密码有没有?支付宝密码有没有?

那你怎么保证你的密码安全?




that is all,够了吗?

还记得11年的CSDN密码事件吗?我也是受害者。

事实证明,还要靠服务商!他们把我们的密码记录在磁盘上,一但被黑客读取破解。


.



系统这块--->比如各种防火墙,各种安全机制。

密码加密--->比如用各种方法加密,越复杂越好,密钥鬼长鬼长的。

其实我们知道,是软件就有漏洞,迟早被破解。

所以人们转向安全芯片的研制:

即:TPM(Trusted Platform Module)

就是加密解密动作在芯片中进行,甚至可把信息存储在芯片里。

理论上来说只有芯片才能解密。但是TPM没有办法保护运行时攻击,比如黑客在你运行进破解,直接去内存读你解密过的东西,这样TPM就形同虚设了。



那么下面的trust zone则完全不同,它从硬件角度做到安全。即受它保护的硬件,就算黑客root了你的设备也没办法访问的,只有生产者自己写的trust app才能访问。

而且secure boot技术保证了别人没办法窜改你的image。

从下面图可知:


入侵系统后,通常喜欢从内存,硬盘获取信息,有些木马还能通过截取你的touch或者display内容获取信息。

这样你防不胜防,除非你不要开机。


什么是trust zone?

Trust zone 是ARM内核中新添加一种架构,从ARM v6KZ开始。

支持这种功能的CPU会跑在两个世界,普通世界/安全世界。

android跑起后CPU跑在普通世界,运行的是普通世界的APP,当SMC系统调用触发进入安全世界时,CPU跑在安全世界,运行安全世界的APP,安全世界APP里所用到的资源,包括内存,cache,touch,display,普通世界的app是不能够访问的,攻击者没办法拿到敏感信息

那trust zone怎么做隔离?

ARM架构上:



第一:the core AXI bus:AXI总线,增加一条控制线。

第二:ARM core,可支持虚拟化核

第三:Trust zone Address Space controller:TZASC

第四:Trust zone protection controller:TZPC

TZMA,APB-to-AXI是可选的看SOC是否支持保护外设功能


软件上:

软件上就是基于第二点可虚拟化核心,加上SMC系统调用,使CPU进入安全世界,跑安全世界的APP。


基于上述架构加上SMC调用就可以做安完全隔离了。


先谈谈AXI总线

是内存,片内静态RAM ROM,外设隔离的基础。

主要原理是:AXI总线上每个读写信道都增加了一个额外的控制信号

AWPROT[1]:总线写事务控制信号---低电平为安全写事物,高电平为非安全写事物

ARPROT[1]:总线读事物控制信号---低电平为安全读事物,高电平为非安全读事物

当设备向总线提出读写事物请求时必须将控制信号发送到总线上。总线根据这个信号和CPU当前的世界来判断能否读写。防止非安全程序/设备读写安全设备。


基于AXI总线,内存,片内静态RAM ROM是如何隔离的?

TrustZone通过两个设备来保障物理内存的安全

一个是TrustZone地址空间控制器(TZASC)

一个是TrustZone存储适配器(TZMA)


如下图:




TZASC是AXI总线的主设备,用它可以把内存地址空间划分一系列的内存空间,通过运行在安全世界的软件把部分空间配置为安全、非安全的,TZASC防止非安全事物访问安全内存空间。

使用TZASC的主要目的就是AXI的从设备分区为几个安全设备,防止非安全事物访问安全设备。ARM的DMC本身不支持创建安全,非安全区,为此需要连接到TZASC上。

注:ZASC只用来支持存储映射设备,不能用于块设备,比如NAND FLASH


TZMA是AXI总线的主设备,用它来划分片内RAM,ROM的安全区间


基于AXI总线,外设是如何隔离的?

看上图,由于APB总线没有AXI总线有trustzone安全相关的控制信号,需要APB-to-AXI桥负责,外设还是与APB连接,APB-to-AXI桥有上TZPCDECPORT信号输入,用它来决定配置外设是安全的,非安全的。APB-to-AXI桥杜绝非安全事物访问外设

TZPCDECPORT输入信号可以在SoC设计时静态地设置,也可以通过对TrustZone保护控制器(TZPC)进行编程,在程序运行时动态地设置,也就是说通过TZPC可能动态配置外设是安全的,非安全的。


另外:cache和内存为了支持trustzone安全策略,需要做些扩展。

cache的tag都增加了NS位,用于标识这一行的安全状态,NS=0这一行处于安全状态,NS=1这一行处于非安全状态。

MMU的TLB的tag增加NSTID位,功能与NS一样


现在已经了解trustzone保护内存外设的基本思想。

从上面已经知道,只有安全世界才能起保护作用,那如何进入安全世界的呢?

引入特殊机制--监控模式,负责不同执行环境切换。

如下图:普通世界是如何进入安全世界得到服务的。

第一:运行在普通世界用户模式的APP进入特权模式

第二:该模式下调用SMC进入安全世界的monitro模式

第三:安全世界的monitor保存普通世界的上下文,然后进入安全世界的特权模式

第四:然后进入安全世界的用户模式,执行相应的安全服务

从下面小框框得知:除了软件调用SMC,还有外部各种异常都可以进入monitor模式,不过这些异常需要配置才能使用





上面通过SMC进入Secure world,那么ARM处理器如何知道当前是什么状态?

支持trustzone的ARM处理器的协处理器CP15有个安全配置寄存器(SCR),该寄存器有个NS位,这个NS位指明当前系统状态。

如果NS=0,系统处于安全状态,NS=1,系统处于非安全状态。当系统处于monitor模式,不管NS=0,1,都可以访问所有安全环境的资源,这个NS不仅影响CPU内核,内存子系统,还影响外设工作,是支持trustzone功能的关键扩展。从上图可知,系统的安全状态与系统的应用模式和特权模式无关,也就是说应用程序运行在非安全态,不管是用户模式还是特权模式,都是属于非安全世界。反之安全世界的应用程序也有应用模式与特权模式。两个世界都有应用和特权模式,每种模式所具有的权限是不同的,NS位只能被运行在安全世界处于特权模式的软件改变,系统在非安全状态时不能访问SCR寄存器。


关于进入monitor模式方式的祥细说明

如下图:


1:SMC是一个特殊指令,类似于软件中断指令(SWI),通过它来进入mointor模式

2:外部中止预取指令外部中止和数据中止,外部中止是访问存储系统时发生,但不被MMU所检测到异常,通常发生在普通世界访问安全世界资源时发生。

3:中断,包括FIQ,IRQ。

其中第一种进入monitor模式是无条件的,后面两种情况依赖于SCR寄存器相关配置

*EA,=0,表示发生外部中止时处理器进入中止模式,=1,表示发生外部中止时处理器进入monitor模式。

*IRQ,=0,表示发生IRQ时处理器进入中止模式,=1,表示发生IRQ时处理器进入monitor模式。

*FIQ,=0,表示发生FIQ时处理器进入中止模式,=1,表示发生FIQ时处理器进入monitor模式。


我们知道了如何通过monitor模式,从而进入安全世界,那如何从安全世界返回到普通世界呢?

答:也得从monitor模式切回来,虽然运行在安全世界的软件有更改SCR寄存器NS位的权利,但不建议这么做。因为如果安全环境的软件在非monitor模式下直接将SCR的NS位设置为1,则系统直接进入非安全状态,这使得非安全世界有看到正在流水线的指令,以及正在寄存器中的数据的可能,如果这些指令和数据都是敏感信息的话,这就给系统带来安全威胁,因为通常只有monitor可能直接修改主SCR的NS位。

好吧,现在我们已经对trustzone的工作原理有了大致了解,下面还要补充几个比较细的知识点

关于trustzone的中断控制器

在ARM传统的向量中断控制器(VIC)基础上,添加了trustzone中断控制器(TZIC)。TZIC,VIC控制器通过菊花链的方式连接组成两级中断控制系统,目的是做到普通中断与安全中断的隔离,安全中断不能被普通世界捕获。TZIC是第一级中断控制器,所有中断源的中断请求都在连在TZIC上的,它最先截获设备的中断请求,通过对TZIC的TZICIntSelect寄存器进行编程,可以对中断源产生的中断类型进行设置。如果TZICIntSelect中的某一位=1,则相应中断源请求被配置为FIQ中断,如果=0,则该中断源的中断请求将交由第二级中断控制器VIC处理。凡是由TZICIntSelect为FIQ中断的中断源提出的中断请求将绕过VIC而直接由TZIC处理,没有被TZICIntSelect配置为FIQ中断的中断源具体会被设置为FIQ还是IRQ,这将由VIC的VICIntSelect寄存器来决定,当然一般情况下应该配置为IRQ,如果被配置为FIQ,中断请求又将p被反馈给TZIC。

TZICIntSelect寄存器复位值=0,也就是说默认所有中断都交给VIC处理,这样对不支持trustzone的软件系统来说,可以把TZIC看作完全透明的。

如下图所示:

中断1,中断2在TZICIntSelect都设置为1,所以直接由TZIC处理了,

中断3在TZICIntSelect设置为0,交由VIC处理

中断4在TZICIntSelect设置为0,交由VIC处理,但在VICIntSelect也设置为0,又交还给TZIC了。

最后总结:中断1,中断2,中断4属于FIQ,中断3属于IRQ。



关于trustzone的异常向量表

带trustzone的ARM处理有三个异常向量表,一个普通世界的异常向量表,一个安全世界的异常向量表,一个monitor的异常向量表。

在系统开机时,安全世界的异常向量表基地址是0x00000000或者0xffff0000,取决于处理器输入信号VINTHI,其它两个向量表的基地址开机是未定义,使用前必须软件设置。

与以前的普通ARM处理器不同,每个异常向量表的位置在运行时可以动态移动,将新的异常向量表基地址写入CP15的VBAR寄存器即可,monitor的向量表基地址由monitor的异常向量表基地址寄存器指定。

另外普通世界与安全世界的向量表基地址除了与VBAR有关,还与处理器的V位有关,v=1,则向量表基地址采用高地址,而与VBAR无关。普通世界与安全世界的V位是独立的。

好了,基本讲完,我讲不是很祥细,目的是让初学者也能按照我的思路慢慢了解trustzone,更专业的知识可以参考其它资料。

谢谢

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