[终端安全]-5 移动终端之操作系统安全

1 可信体系构建

移动终端可信体系基于可信计算思想，以硬件芯片为信任根，通过可信度量、可信存储和可信报告等机制，确保移动终端操作系统在启动和运行过程中的各个部件都是可信的。

1）可信启动

1.1）硬件信任根

- 硬件信任根是可信体系构建的基础，可使用集成在SoC芯片中TrustZone，或使用硬件安全芯片（如SE、TPM）作为信任根，存储设备唯一的密钥和其他安全信息。

- eFUSE熔断机制：通过eFUSE熔断机制防止固件回退和篡改，确保系统启动时使用最新的、未被篡改的固件。

1.2）安全启动

移动终端启动过程中，各个阶段逐一进行签名验证建立信任链：

- BL1：Boot ROM加载BL1（Boot Loader Stage 1），是信任链第一环节初始化最基本的硬件，并对BL2进行数字签名验证。

【BL1通常存储在片上ROM中，默认不可更改、安全性较高，通过加载到RAM中执行。】

- BL2：负责从BL1接管后，进一步初始化硬件，如内存控制器、时钟、GPIO等，使得系统能进入更高级的引导阶段；配置安全相关的设置，如安全内存区域、访问控制列表等，确保后续阶段的安全性。此外BL2执行数字签名验证安全性检查，校验后续加载组件（如BL3）的完整性和真实性。

【BL2通常存储在闪存或非易失性存储器中，在BL1初始化后加载到RAM中执行。】

- BL3（U-Boot）：负责从BL2接管后，进行系统硬件的全面初始化，包括网络设备、存储设备、显示设备等；提供引导配置选项和命令行接口，允许用户和系统管理员配置引导参数、环境变量等；支持多种文件系统（如FAT、EXT4等），可用于加载内核镜像和其他必要的引导文件；支持网络引导功能，通过TFTP、NFS等协议可从网络服务器加载内核。此外BL3执行安全性验证，通过后从存储设备或网络加载操作系统内核或虚拟机监视器，并将控制权移交给其入口点。

【BL3通常存储在闪存或非易失性存储器中，在BL2初始化后加载到RAM中执行。】

备注：如果移动终端支持OP-TEE，则TEE内核一般在BL2或BL3阶段加载，如果TEE固件是作为BL2的一部分，则BL2会在其初始化过程中加载并启动OP-TEE OS；如果TEE固件是BL3的一部分，则U-Boot负责加载启动OP-TEE OS。

- 虚拟机监视器（Hypervisor）：加载并切换至虚拟机监视器，对后续加载组件主系统内核进行完整性度量验证。

备注：TIE（可信隔离环境）的加载和初始化通常发生在虚拟机监视器加载之后，负责提供一个隔离的环境，用于运行安全关键的应用和服务，确保它们在一个受保护的区域中执行。

- 主系统内核（OS Kernel）：启动主系统内核，根据需要对应用程序执行安全性检查。

在整个启动过程中，每一级引导程序在加载下一级之前，都会对其进行完整性度量和数字签名验证，确保整个启动过程是可信的。

1.3）初次启动完整性扫描

完整性度量值生成：在第一次开机运行时，对移动终端系统的可执行文件、脚本文件、安装包（APK）等进行扫描，生成完整性度量值并安全存储。

后续启动过程校验：后续启动过程中使用之前生成的度量值进行可信链校验，确保系统完整性。

2）可信运行

运行时的信任链依赖于内核中的动态度量可信根服务，该服务通常在系统启动时建立，并持续负责定期或在特定事件触发时对系统运行中的各个组件进行度量。系统内核需要支持对内存、文件系统等进行度量，并将度量结果存储在安全区域；动态度量的结果可以触发安全响应机制，如隔离可疑进程或触发系统报警

- 调度度量：在进程调度过程中，对新加载的进程和动态链接库进行度量和验证，确保每个运行的进程和库都是可信的。

- 定时度量：定期对系统中的关键组件（如内核模块、关键进程）进行度量和验证，确保其在运行过程中未被篡改。

2 应用隔离机制

每个应用进程在其独立的沙箱环境中运行，操作系统通过进程隔离和用户权限控制，确保每个应用进程只能访问其自身的资源和数据。

假设我们有两个应用程序：应用A和应用B。

1）安装过程中的隔离

1.1）APK 签名和验证

- 签名：每个应用程序（APK文件）在发布前由开发者进行数字签名。

- 验证：安装时操作系统会验证应用的签名，确保其未被篡改。

1.2）分配唯一的用户ID（UID）

- UID分配：每个安装的应用程序都会被分配一个唯一的用户ID（UID）。例如应用A可能被分配UID 10001，应用B被分配UID 10002。

- 文件权限：每个应用程序的私有文件和数据目录只对其UID可访问。这样应用A的UID 10001无法访问应用B的UID 10002的数据目录。

2）应用运行时的隔离

2.1）进程创建和隔离

当用户启动应用A时，操作系统会为其创建一个新的进程，该进程由应用A的UID 10001运行；同样当启动应用B时，会为其创建一个由UID 10002运行的独立进程。每个应用程序被分配一个唯一的用户ID（UID），确保应用程序运行在不同的权限上下文中。

每个应用程序运行在一个独立的进程中，通过操作系统的内存管理单元（MMU）实现自己独立的虚拟地址空间，通常从0开始到某个最大值（例如，32位系统上为4GB），这个空间是进程私有的，MMU负责将虚拟地址转换为物理地址。当操作系统在不同进程之间切换时，会切换当前的页表，通过改变MMU中存储的页表基地址（通常存储在寄存器中）来实现，这样进程A和进程B即使使用相同的虚拟地址，也会映射到不同的物理地址。

2.2）文件访问隔离

应用程序只能访问特定的文件夹和目录，通常位于自己的专有存储空间内，即使获得存储权限，也只能访问公共存储区或共享存储区的特定部分。另外，操作系统可以通过重定向技术，将应用程序试图访问的资源重定向到其私有空间。例如当一个应用程序尝试创建或修改文件时，系统可以将这个操作重定向到应用程序的私有文件夹中，这种机制确保应用程序无法对系统的关键文件或其他应用程序的数据进行未授权的修改。

2.3）应用权限管理

- 权限声明：在应用A的声明文件中，开发者声明应用需要的权限（如访问相机、读取联系人等）。

- 用户授权：安装或首次运行时，系统会提示用户授予这些权限。如果用户同意，应用A就可以使用这些权限。

- 权限限制：即使应用A获得了某些权限（如访问相机），这些权限也仅限于应用A本身，应用B无法使用这些权限，除非用户明确授予。

- 系统调用拦截和监控：系统服务（如剪贴板、位置服务）也通过UID进行访问控制，确保应用A只能访问和操作它有权限的系统资源。操作系统可以在应用程序试图访问系统资源时，通过检查是否符合安全策略拦截应用程序的系统调用来限制它们的行为。例如安卓系统中，Binder机制用于进程间通信（IPC），在进行关键系统调用时，Binder会进行权限检查。