第55卷第1期 2009年2月武汉大学学报(理学版)J.Wuhan Univ.(Nat.Sci.Ed.)Vol.55No.1 Feb.2009,031～034 收稿日期:2008204228 通讯联系人 E 2mail :feng @基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2007AA01Z412)作者简介:李 昊(19832),男,博士生,现从事网络与系统安全的研究. E 2mail :lihao @文章编号:167128836(2009)0120031204可信密码模块符合性测试方法与实施李 昊,冯登国 ,陈小峰(信息安全国家重点实验室/中国科学院软件研究所,北京100190) 摘 要:提出了一种有效的可信密码模块符合性测试方法,给出了衡量指标,并按照该指标对测试进行了测试分层,利用可信密码模块(TCM )内部命令的依赖关系建模获取测试用例.由于该方法分别在功能层采用扩展有限状态机模型、在命令层采用等价类划分法获取测试用例,所以能对现有TCM 产品实施更加完备的符合性测试.测试结果表明:与其他TCM 测试方法相比,本测试方法具有较高的测试效率,能够发现更多产品不符合标准带来的问题.关 键 词:可信密码模块;符合性测试;扩展有限状态机模型;等价类测试中图分类号:TP 309 文献标识码:A0 引 言 可信密码模块(t rusted cryptograp hy module ,TCM )符合性测试是指采用独立的测试方法参照国家相关标准对TCM 产品的标准符合程度进行测试.目前,国际可信计算组织TCG (trusted comp u 2ting group )推出了可信平台模块(t rusted platform module ,TPM )芯片以及相关的一系列标准和规范[1].同时,针对TCM 芯片的相关的测试评估工作也陆续展开[2～5].在国内,国家密码管理局于2007年出台了可信计算平台的国家标准《可信计算密码支撑平台功能与接口规范》[6].但是针对可信计算产品的符合性测试工作,国内才刚刚开始展开,到目前为止,仍然缺乏一种有效的可信计算产品符合性测试方法.文献[4]采用针对可信平台模块内每个命令开发测试用例的方式对可信平台模块的符合性测试进行了实施,发现了一些产品不符合标准带来的问题,指出了符合性测试的重要性.但是该文献并没有提出高效的测试框架和测试方法,测试结果无法给出产品符合标准的程度.本文在可信计算平台的国家标准《可信计算密码支撑平台功能与接口规范》基础上对TCM 芯片的符合性测试工作进行了研究和实施.提出了一种新的TCM 芯片的符合性测试框架和测试方法及测试覆盖度分析,按照这种框架和测试方法,对市场上的主流TCM 产品进行了符合性测试,通过结果分析,表明本方法在效率及覆盖度的分析上具有明显的优势,是一种行之有效的可信计算产品符合性测试方法.1 设计与计算方法1.1 框架设计本文提出的测试的框架,包括符合度的衡量指标、测试分层及每层采用的测试方法.TCM 芯片的符合度衡量分为4个指标:功能性,可靠性,鲁棒性,安全性.●功能性指标衡量的是TCM 产品对标准中功能需求的完成程度.●可靠性与鲁棒性指标分别衡量的是TCM 产品在接收到合法与不合法输入时,输出与标准符合的程度.●安全性指标只关注那些在国家标准《可信计算密码支撑平台功能与接口规范》中明确提出的安全性要求,比如字典攻击等.从单条TCM 命令的执行来看,TCM 就是一个黑盒,根据输入计算输出.因此可以认为TCM 是一个有着清晰规范接口的软件模块,并采用类似软件武汉大学学报(理学版)第55卷模块的测试技术[7,8].从TCM功能层面考虑,TCM符合性测试不仅仅需要测试单条命令对于规范的符合性,还需要测试若干条命令的组合使用是否符合规范.因此本文提出一种新的测试框架,不同的测试层采用不同测试指标和不同测试方法,如图1所示.图1 TCM符合性测试框架由图1可以看出,命令层进行的是较低层的单条命令的符合性测试,针对的符合度指标为可靠性与鲁棒性.为了保持测试空间的可执行性,本文采用了等价类划分法来对测试空间进行约减.其中,有效等价类获得的测试用例,测试的是合法输入的情况下,TCM产品的输出对规范的符合程度,针对的是可靠性指标;无效等价类获得的测试用例,测试的是非法输入的情况下,TCM产品的输出对规范的符合程度,针对的是鲁棒性指标.功能层进行的是较高层的TCM各种功能的符合性测试,针对的符合度指标为功能性和安全性.1.2 指标符合度计算方法测试结果的指标符合度采用如下的公式进行计算:W F=C1・Q F(1)W S=C1・Q S(2)W R=C2・Q R(3)W O=C2・Q O(4)V F=C1・(1-Q F)(5)V S=C1・(1-Q S)(6)V R=C2・(1-Q R)(7)V O=C2・(1-Q O)(8)其中C1,C2分别是功能层与命令层的测试覆盖度,即测试用例对标准的覆盖范围.Q F,Q S,Q R,Q O分别为功能性、安全性、可靠性、鲁棒性测试符合度,即为各指标测试用例通过的个数与该指标测试用例总数的比值,而测试不符合度为各指标测试用例不通过的个数与该指标测试用例总数的比值.两者之和等于1.W F,W S,W R,W O分别为功能性、安全性、可靠性、鲁棒性指标符合度,是表达TCM产品对标准符合程度的百分数,是测试结果的最终体现.V F,V S, V R,V O分别为功能性、安全性、可靠性、鲁棒性指标不符合度,是表达TCM产品对标准不符合的程度的百分数.由于受到测试覆盖度的影响,每个指标符合度与指标不符合度之和都小于等于1.2 测试的实施方法2.1 功能层功能层测试用例产生的具体步骤如下:Step1 根据规范将TCM划分为23个模块[6].每个模块由若干条TCM命令组成,完成TCM的特定功能.Step2 为每一个模块生成其内部命令的依赖关系图.Step3 根据每个模块的命令依赖关系图,建立EFSM模型[9].每个状态是由模块内部命令针对的TCM资源等变量组成.Step4 根据EFSM模型,获得测试用例[9,10].Step5 根据测试用例,进行功能层的符合性测试.其中,第4步从EFSM获取测试用例,本文以Owner管理模块为例说明这一过程.Owner管理模块共有5条命令,但是依赖关系只有两个,如图2所示.图2 Owner管理模块命令依赖关系图依赖关系是指某命令的执行需要一些其他命令的成功执行.由图2可以看出:TCM_OwnerClear 以及TCM_DisableOwnerClear依赖于TCM_ TakeOwnership命令的成功执行,所以它们之间具有依赖关系.而TCM_DisableOwnerClear命令的执行,只是影响到TCM_OwnerClear的执行成功与否,但是它们之间并不存在依赖的关系.同理,TCM _DisableForceClear也与其他命令不具有依赖关系.根据得到的依赖关系图,Owner管理模块的扩展有限状态机模型如图3所示.图3模型中共有两个状态:S1表示无Owner 状态,S2表示有Owner状态.迁移共有7个,迁移的格式为:事件[转移条件]/转移完成后的执行动作序列,比如迁移TCM_ForceClear[ForceClear Ena223第1期李 昊等:可信密码模块符合性测试方法与实施图3 Owner 管理模块扩展有限状态机模型bled ]/Clear Owner 表示当模型处于无Owner 状态时,如果ForceClear 是Enable 的,那么就可以执行迁移事件TCM_ForceClear ,目的状态仍然为S 1,并且要完成Clear Owner 的动作.然后通过等价类划分法从EFSM 模型获得完备的测试用例集[9].2.2 命令层一个TCM 命令的执行往往隐式地需要很多其他命令的成功执行,为了把关注点集中在被测命令上,本文将被测命令隐式需要的其他命令的执行结果也作为被测试命令的参数.用测试向量的方式来组织命令层测试用例.一个测试向量包括被测命令本身需要参数P 1,P 2,P 3,…,P n ,还包括隐式需要的其他命令执行结果R 1,R 2,R 3,…,R n ,那么某个测试向量V =P 1∧P 2∧P 3∧…∧P n ∧R 1∧R 2∧R 3∧…∧R n .其中,P m 的取值范围是{等价类1,等价类2,…},1≤m ≤n.R m 的取值范围是{等价类1′,等价类2′,…},1≤m ≤n .按照常用的等价类测试原则,即可得到测试向量.3 结果与分析本文对市场上两款主流TCM 芯片做了符合性测试,并按照公式1～4计算出产品对标准的符合程度,结果如表1所示. 其中,由于无法对安全性测试用例覆盖度进行分析,所以其指标符合度不确定. 从表1可以清楚的看出产品对标准的符合程度.而目前其他对可信芯片的符合性测试工作[4],都无法清晰的给出产品符合度.同时,由于本文的测试方法采用扩展有限状态机及等价类划分法获取测试用例,使得在测试的覆盖度分析,可扩展性,高效性等方面都具有更大优势.本文和鲁尔大学方案的对比如表2所示.表1 测试结果指标符合度例数产品1产品2功能性5320.920.89安全性18≤0.88≤0.88可靠性1050.950.90鲁棒性2110.890.84表2 鲁尔大学方案和本文的方案的比较比较项目文献[4]方案本文方案结果可追溯性无差别无差别测试公正性无差别无差别结果可比较性无差别无差别测试高效性较低较高可扩展性弱强覆盖度分析无有符合度分析粗略详细对测试人员要求高低 同时,由于本文采用的测试方法能够明晰的给出指标符合度的结果,所以使得测试更加的完备,能够发现更多TCM 产品不符合标准带来的问题.而这些问题是其他测试方法不能全部发现的.具体问题如下:①资源句柄:资源句柄的生成必须是无序随机的.而经过测试发现被测产品中有些TCM 芯片对密钥句柄的产生是有序的.这样新产生的密钥句柄就缺少了新鲜性的保证.如果攻击者有能力从TCM 中释放一个密钥,那么就会造成中间人攻击.②命令码:命令码是用于标识所调用TCM 命令的参数.而在被测产品中,有些命令码的基数设置与标准不符.虽然不会带来安全问题,但是对基于TCM 芯片的软件的通用性造成了很大问题.③授权值:在授权值的测试中,出现了两个问题.一个是授权值的计算并没有严格按照标准进行,每个产品都或多或少的做了改变,对产品的兼容性造成影响.另一个问题是安全方面的问题.在无授权操作模式下,使用资源是不需要提供授权数据的.如果提供了授权数据,按照规范应该提示错误.而测试中发现,厂商的TCM 产品并没有严格遵守这一规定,在使用无授权资源时,如果用户提供了授权数据,TCM 将正常运行,没有任何错误提示.这会带来用户认知与实际中授权数据使用与否的差异,这种差异会带来安全问题.④命令返回码:TCM 产品有时会返回产品内部定义的返回码,而非规范中的定义的.这种问题会33武汉大学学报(理学版)第55卷给攻击者以机会.通过分析这些TCM内部值,攻击者将找到TCM产品的漏洞,从而实施攻击.4 结 论本文主要关注于TCM产品的符合性测试的研究和实施,提出了TCM符合性测试框架和方法,并对TCM产品实施了测试.本文的测试方法划分了符合性度量指标与测试方法,并将测试分为命令层与功能层,分别采用等价类划分和EFSM模型来获取测试用例.最后通过结果分析及与其他符合性测试工作的对比,表明本文测试方法能全面地发现产品不符合标准带来的问题,并且在测试的高效性等方面具有优势.参考文献:[1] Trusted Computing Group.TPM Main Specification:Design Principles V1.2[EB/OL].[2007212217].ht2 t p://w w w.t rustedcom p uting g rou p.[2] Atmel Corporation.A T97SC3201Security TargetVersion2.3[EB/OL].[2007212221].htt p://w w 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Beizer B.S of tw are Testing Techniques[M].NewY ork:International Thomson Computer Press,1990. 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