基于TCM的网络安全访问模型*

孙夏声，王远强

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

传统网络采用的是“边界”防护的安全模型，“内网”是假定无条件安全和可信的。这种安全模型存在问题：一方面，边界防护无法防护企业内网的非法访问行为；另一方面，一旦边界被突破，攻击者就可以畅通无阻地访问企业内网的所有资源。Google公司针对这种情况，部署实施了一种新的企业安全方法——BeyondCorp。本文借鉴其设计思路，基于可信密码模块（Trusted Cryptographic Module，TCM）的可信计算平台，通过使用多种安全认证和授权手段，提出了一套轻量化的、适用于企业内网的安全访问模型。

1 BeyondCorp企业安全方法

2014年12月，Google陆续发表了5篇BeyondCorp 论文，全面介绍了BeyondCorp的结构和实施情况[1]。BeyondCorp的核心思想是摒弃企业特权网络，即“零信任网络”概念：不信任任何网络，访问只依赖于设备和用户凭证，不再关心网络位置。用户可以从任何网络发起访问，除网络延迟以外，对企业资源的本地和远程访问体验基本一致。

BeyondCorp的关键组件包括：（1）安全识别设备，包括设备清单数据库、设备标识；（2）安全识别用户，包括用户和群组数据库、单点登录系统；（3）从网络中消除信任，包括部署无特权网络、有线和无线网络接入的802.1x认证；（4）外化应用和工作流，包括面向互联网的访问代理、公共的DNS记录；（5）实现基于清单的访问控制，包括对设备和用户的信任推断、访问控制引擎、访问控制引擎的消息管道。

BeyondCorp的组件和访问流如图1所示。

图1 BeyondCorp组件和访问流

BeyondCorp的核心在业务，关注的是数据，是网络流量的不可信。Google从2011年开始实施和部署BeyondCorp，投入了大量资源，是小公司和机构无法负担的。本文借鉴其安全设计思路，剥离主要用于互联网的访问代理、信任推断以及更高阶的自学习自适应，保留关键组件中的验证用户、验证设备和权限控制，将其引用到传统的内网安全访问中，形成一种轻量化的网络安全访问模型，即基于TCM的网络安全访问模型。

2 关键技术

2.1 TCM可信计算平台

国际上通用的可信计算规范由可信计算组织（Trusted Computing Group，TCG）制定，核心是可信平台芯片（Trusted Platform Module，TPM）和可信软件栈（Trusted Software Stack,TSS）。TCM对应TPM，是我国具有自主知识产权的可信芯片。对应TSS的是TCM服 务 模 块（TCM Service Module，TSM）。 TCM和TPM的主要区别如表1所示[2]，其中TCM存储主密钥（Storage Master Key，SMK）独创性地使用了对称密钥。

表1 TCM和TPM的区别

基于TCM和TSM，对本地进行软硬件可信度量后的计算环境称为TCM可信计算平台。可信度量的依据是信任链传递：每一步的度量值作为下一步度量输入的一部分，逐步计算出最后的度量结 果[3]。信任链传递的过程如图2所示。

图2 信任链传递

度量初始值记录在TCM可信存储区中，设备完成初始度量后的每次开启过程执行度量比对，比对不一致则认为设备不再可信。

2.2 可信网络接入

可信网络接入（Trusted Network Connect，TNC） 是TCG在网络安全方面提出的可信接入控制技术，主要基于802.1x接入控制协议，实现基于端口的网络接入控制，架构如图3所示。

图3 TNC体系架构

TNC架构中，PDP负责对终端进行平台身份认证和完整性验证，PEP根据PDP的验证结果进行授权访问控制。基于TCM和TNC实现的可信交换机可以充当PEP和PDP的角色，满足终端接入可信网络的应用需求[4]。可信交换机应用方式如图4所示。

图4 可信交换机应用方式

2.3 基于属性证书的访问控制

2000年，ITU X.509（2000）颁布（RFC3281），其中完整定义了属性证书（Attribute Certificate，AC）， 该标准也被称为X.509 V4。AC将持有者的名字和一系列“属性”绑定，这些属性用来表明证书持有人的用户群组身份、角色以及安全权限等。

基于AC的访问控制机制有基于角色的访问控制（Role-Based Access Control，RBAC）[5]和 基 于属性的权限控制（Attribute-Based Access Control，ABAC）[6]等。两者实现较为复杂，在内网环境中可采用基于属性证书实现的安全访问服务方案[7]。该方案的应用体系结构如图5所示。

图5 基于属性证书的应用体系结构

3 基于TCM的网络安全访问模型

借鉴Google的BeyondCorp架构，基于TCM可惜计算平台，结合可信交换机、用户公钥证书（Public Key Certificate，PKC）验证和基于属性证书的访问控制技术，构建了一个轻量化的基于TCM的网络安全访问模型，模型架构如图6所示。

图6 基于TCM的网络安全访问模型架构

3.1 系统初始化

3.1.1 人员

人事部门根据人员、部门以及业务等信息，制定“用户/组数据库”，同时为每一个员工配发唯一的TCM模块。证书权威（Certificate Authority，CA）依据用户/组数据库信息，为每一个用户签发PKC，这是用户的唯一标识。PKC作为模块证书，存储在TCM中。所有的PKC同步在PKC目录服务器上，供对外查询使用。

3.1.2 设备

全部设备均由企业统一采购，预装TSM，并建立设备资产库。资产库建立设备和人员的绑定关系。CA为每一台设备签发设备证书，设备证书作为平台身份证书写入到与人员配对的TCM中。

TCM接插到设备上，第一次加电启动完成初始化度量，完成TCM和设备的强绑定。经过可信度量的设备被记录到可信设备白名单中。可信设备白名单可动态管理设备状态，如已报失的设备将被至为不可信/挂失，该设备将不再具有安全访问能力。

3.1.3 权限

企业根据人员、业务和安全考虑，制定用于资源访问的资源库。资源库统一管理企业内网中的应用服务资源。根据粒度不同，资源可以是服务器级别的、服务级别的，也可以是微服务架构中“微服务。

CA为属性权威（Attribute Authority，AA）授权。AA根据用户/组和资源信息，为每个用户签发属性证书。属性证书中详细定义用户访问每个资源的权限。

3.2 安全访问过程

系统初始化完成后，当新的终端需要接入企业内网时，要进行一次完整的安全访问过程，包括设备认证、用户认证和访问控制请求。统一认证核心负责整个安全访问请求的调度和判决。统一认证过程（不包括TNC）交互如图7所示。

图7 安全访问过程

3.2.1 设备认证

终端设备接入可信交换机，即进行TNC接入认证过程。认证使用的是终端上TCM中的平台身份证书。TNC认证通过后，终端可向应用服务发起连接请求。应用服务接收到请求后，首先要求终端（TSM实现客户端代理功能）回复TCM模块的唯一标识（TCM Identity，TCMID），然后向统一认证发送安全访问请求。安全访问请求至少包含要求网络访问的终端TCMID和被访问的资源信息。

统一认证根据TCMID在可信设备白名单中查询该终端的相关信息，并以此判断终端设备是否合法。设备认证成功后，继续用户认证过程，否则返回判决失败。

3.2.2 用户认证

完成设备认证后，统一认证向请求网络访问的用户终端发送挑战请求，请求中包含挑战码。终端使用TCM平台加密私钥对挑战码等信息进行签名，然后作为挑战应答回复给统一认证。

统一认证收到挑战应答后，向PKC目录服务请求TCMID对应的PKC，使用该PKC验证挑战应答报文。如果查询PKC失败或者验证挑战应答失败，则向应用服务返回判决失败，否则继续进行下一步的访问控制过程。

3.2.3 访问控制

统一认证根据终端TCMID和资源信息，向AC目录服务查询对应的属性证书。统一认证根据获得的AC，验证用户是否具有所授资源的权限，最终将判决结果返回应用服务器。应用服务器根据判决结果确定是否响应用户发起的访问请求。

4 安全性设计

4.1 抗重放

在安全访问过程的每一个协议包中，都设置时间戳（timestamp）和随机数（nonce）。随机数保证数据包不被重放，时间戳用来设置一个时间间隔如60 s，以缩小nonce的规模。60 s的取值来源于HTTP请求的常见延迟时间。

4.2 身份/权限撤销

在保留原有X.509有效期的同时，为了降低CRL撤销列表带来的复杂性，通过PKC/AC目录服务，将过期的证书直接做删除索引处理。这样既可以减少证书验证的时间，也可以有效实现身份/权限撤销。

4.3 属性加密

使用TCM平台加密证书对属性证书中的涉密属性进行加密，只有能够解密该属性的验证者，才能获知属性的内容，降低属性外泄造成损失的风险。

5 结 语

基于TCM的网络安全访问模型，是对Beyond Corp框架的思考和探索。模型中的组件已经具备成熟的技术和工程实现，如TCM计算平台和可信交换机；授权过程独立使用AC，可以不必改造现有证书系统，不影响原有PKC的签发和使用。轻量化的实现思路，易于系统的构建、移植和部署，在保证安全性的同时，提供了较强的可用性。