3.2 平台体系结构
可信计算密码支撑平台对计算系统从底层硬件/固件到操作系统再到应用层进行了全新的安全体系架构设计，由可信密码模块、安全BIOS、信任链系统和TCM服务模块等组成，其功能架构如图3-2所示。从图3-2中可以看出，可信计算密码支撑平台是以密码技术为基础，以可信密码模块为可信根，通过如下三类机制及平台自身安全管理功能，来实现平台密码支撑服务功能的。
图3-2 可信计算密码支撑平台功能架构
1）以可信度量根为起点，按系统平台固件、操作系统各部件运行时序计算完整性度量值，建立系统平台信任链，确保系统平台可信。
2）可信报告根标识平台身份的可信性，具有唯一性，以可信报告根为基础，实现平台身份证明和完整性报告。
3）基于可信存储根，实现密钥管理、平台数据安全保护功能，提供相应的密码服务。
可信计算密码支撑平台各组成部分都有其特有功能设计，各模块在发挥各自功能的同时，须协同工作才能实现密码支撑平台的强大密码服务功能。
下面简要介绍各个模块的功能结构和设计原理。
3.2.1 可信密码模块
可信密码模块是构建可信计算密码支撑平台必备的关键基础部件，能够建立独立的、安全的、以密码算法功能为核心的运算环境，并以特定的LPC I/O接口与主机平台进行通信连接，为主机平台构建可信计算功能提供支撑。
TCM是硬件和固件的集合，既可采用独立封装形式，又可采用IP核方式和其他类型芯片集成在一起，提供TCM功能。
TCM作为构建可信计算密码支撑平台功能体系的核心基础模块，须拥有一定的抗物理攻击以及防篡改能力和机制。
1. TCM体系结构
TCM在体系结构上划分为密码计算区、受保护存储区、主计算区和I/O接口，如图3-3所示。
图3-3 可信计算密码模块体系结构
（1）密码计算区
密码计算区集成有4个密码算法引擎，包括：公钥密码SM2引擎、杂凑算法SM3引擎、对称密码算法SM4引擎和随机数算法引擎，其中每个密码算法引擎功能设计如下。
SM2引擎：产生SM2密钥对和执行SM2加/解密、签名运算的单元。
SM3引擎：执行杂凑运算的单元。
SM4引擎：执行SM4对称密码运算的单元。
随机数算法引擎：生成随机数的单元。
此外，还有一个基于SM3引擎的计算消息认证码算法HMAC引擎。
这些密码算法引擎都采用国家密码管理局提供的密码算法，在GM/T 0012—2012《可信计算可信密码模块接口规范》中列出了密码算法实现要求。
（2）受保护存储区
受保护存储区是由非易失性存储器构建的，它们由存储永久数据的存储单元构成。
受保护的存储区涵盖TCM固件存储区、主密钥存储区、平台“指纹”存储区，主要用于可信密码模块内部安全地保存密钥、授权数据和数字证书，实现平台数据保护、信任度量存储、用户证书管理等功能。
（3）主计算区
主计算区由执行引擎CPU和内存构成。
执行引擎CPU：为TCM的运算执行单元。
内存：由易失性存储器构成，是TCM运行时临时数据的存储单元。
（4）I/O接口
I/O接口指TCM的输入/输出硬件接口，TCM与外部物理组件的连接总线遵循LPC总线规范。
2. TCM功能
（1）TCM通过3个功能实现用户计算环境的可信
1）平台可信性。TCM在系统启动时就开始工作，监控系统程序的装载，一旦发现某个程序状态异常就发出警报乃至禁止其运行，从而保证了系统中程序完整性不被损害。
2）用户身份证明。TCM中存储着标识平台身份的密钥，将在用户需要证实自己身份时，通过TCM签名或者数字证书的相关机制，向外部表明唯一性身份。
3）数据加密保护。TCM保证在一个平台上进行加密的数据只能在本平台上进行解密和处理，从而使机密数据被绑定在本平台上，即使密钥被存放到其他平台上，也不能解密其加密的数据，从而可以防止物理的破坏和攻击。
（2）安全可信根
TCM定义了3个安全可信根，分别为可信度量根（Root of Trusted for Measurement，RTM）、可信存储根（Root of Trusted for Storage，RTS）和可信报告根（Root of Trusted for Reporting，RTR），这3个信任根的关系如图3-4所示。
图3-4 可信根之间的关系
建立信任根是构建可信计算密码支撑平台的基础和关键，TCM通过构建3个信任根使其成为可信计算密码支撑平台的信任根，从而支撑可信计算密码支撑平台安全功能体系建立。
可信根功能机制定义如下。
（1）可信度量根：一个可信的完整性度量单元，是可信计算平台内进行可信度量的基础，提供密码学机制，有序度量平台的状态。
（2）可信存储根：指存储主密钥，是可信计算平台内进行可信存储的基础，提供密码学机制，保护TCM放置在外部的数据信息。
（3）可信报告根：指密码模块密钥，是可信计算平台内进行可信报告的基础，提供密码学机制，签署TCM的状态和数据信息。
简而言之，可信度量根其实为系统运行起点的一个特定软件模块，可信存储根由TCM和存储主密钥SRK构成，可信报告根由TCM和密码模块密钥构成。
可信计算密码支撑平台以可信密码模块为可信根，通过建立计算机系统平台信任链、标识平台身份、密钥及数据安全存储，实现平台安全功能体系。
3.2.2 TCM服务模块
可信密码模块定义了一个具有存储保护和执行保护的子系统，该子系统将为计算平台建立信任根基，并且其独立的计算资源将建立严格受限的安全保护机制。为防止TCM成为计算平台的性能瓶颈，将子系统中需执行保护的函数与无须执行保护的函数划分开，将无须执行保护的功能函数由计算平台主处理器执行，而这些支持函数构成了TCM服务模块，简记为TSM。
TCM服务模块软件架构如图3-5所示，包括TCM应用服务、TCM核心服务和TCM设备驱动库三个组成部分。
图3-5 TCM服务模块软件架构
1）TCM服务提供者：向应用程序提供TCM的服务，提供高层的TCM函数，使应用程序只关注它本身的特性，依靠TSP执行TCM提供的可信函数。TSP还提供了一些方便功能操作的辅助函数，这些函数不是由TCM提供的，如签名验证功能。
TSP位于应用程序进程内，使每个应用程序看起来像拥有一个自己的TSP。多进程的操作系统中，会有多个TSP实例运行在平台上。
一个TSM的执行需要有TSP。它们负责对应用程序间信息和数据的传输提供保护；提供C接口，和对应用程序的动态链接或静态链接。运行在Windows操作系统的TSM也可以提供COM接口。
2）TCM核心服务：位于TSM服务提供者（TSP）层和TCM设备驱动库（TDDL）层之间，以系统服务的形式存在，为TSP等上层应用提供TCM使用和密钥管理等功能接口。
TCS按功能的不同可分为基本信息管理、密钥管理、密钥缓存管理、事件管理、授权操作、完整性操作、迁移操作、密码操作、身份证书操作、设备操作、CTCMNegotiate类11个模块，其中，基本信息管理、密钥管理和事件管理同属于TCS管理器，密钥操作、授权操作、完整性操作、迁移操作、密码操作、身份证书操作、设备操作同属于TCM操作。
3）TCM设备驱动库：位于TCM核心服务（TCS）层和TCM设备驱动（TDD）层之间，主要目的是在TDD之上提供一个标准的接口，屏蔽各设备I/O控制信息的差异，完成指令和状态信息在用户模式和内核模式间的传递。
TSM作为芯片和用户应用之间的平台软件，是芯片和用户之间信息互通的桥梁。它支持安全芯片向上提供平台认证、密码学服务和芯片管理等重要功能。TSM内部涉及核心的对象和属性管理、上下文管理、授权与认证、安全操作、密钥管理和TCM管理等模块，分别位于Kernel模式（TCM驱动）和用户模式，并在用户模式中分为系统进程（TCS）和用户进程（TSP），是一套非常复杂的平台软件系统。可信计算平台只有通过TSM才能调用TCM芯片的各项安全功能。
TSM功能划分如图3-6所示。
图3-6 TSM功能划分
TSM主要为用户使用TCM基础资源提供支持，由多个部分组成，每个部分间的接口定义应具有互操作性。TSM提供了规范化的函数接口。
TSM的设计目标：
1）为应用程序调用TCM安全保护功能提供一个入口点；
2）提供对TCM的同步访问；
3）向应用程序隐藏TCM所建立的功能命令；
4）管理TCM资源。
3.2.3 安全BIOS
针对每类平台都须设置相应的安全BIOS，安全BIOS可划分为以下两个模块。
1）BIOS启动模块（BIOS Boot Block，BBB）：该模块作为BIOS和整个平台的启动模块。在平台启动时，BBB是可信计算支撑平台建立的基础，作为度量其他硬件部件和软件部件的基本根。
2）增加的ROM Driver，ROM Driver提供BIOS对TCM设备固件的访问，主要目的是完成BIOS（包括DOS）与TCM之间的数据交互，完成指令和状态信息在系统和固件之间的传递。
安全BIOS是建立静态信任链的基础。