设备tpm培训课件

设备培训课件TPM可信平台模块（TPM）基础与应用全面解析培训课程大纲010203简介与发展历程核心功能详解硬件架构与工作原理TPM TPM TPM了解TPM的基本概念、发展历史和标准深入学习密钥管理、完整性度量和远程掌握TPM硬件结构、接口和防护设计演进过程认证等核心功能040506软件接口与工具在设备安全中的应用实操演示与案例分析TPMTPM学习TPM工具链和软件栈的使用方法探索TPM在各种安全场景中的实际应用通过实际操作加深对TPM技术的理解未来趋势与总结第一章简介与发展历程TPM什么是可信平台模块（）？TPM可信平台模块（Trusted PlatformModule，TPM）是一种专用的微控制器，旨在保护硬件和相关的密码学信息TPM作为计算机系统的安全根基，提供硬件级别的安全功能时代（年）TPM

1.22003-2011早期版本，基于SHA-1算法，功能相对简单，主要用于基本的密钥管理和平台认证主要厂商包括Infineon、Nuvoton、STMicroelectronics等，广泛应用于企业级计算时代（年至今）TPM

2.02014机、服务器和物联网设备中现代版本，支持多种算法套件（SHA-

256、ECC等），功能更强大，标准化程度更高的核心安全价值TPM硬件级安全根基防篡改与防伪造保障设备身份与密钥保护TPM提供不可篡改的硬件信任根，TPM芯片具有物理防护机制，能够每个TPM芯片都有唯一的身份标确保系统安全从最底层开始建立检测和抵御各种硬件攻击一旦检识，能够为设备提供强认证能力，与纯软件方案相比，TPM具有更高测到攻击行为，TPM会自动清除敏同时安全地存储和管理各类密码学的安全性和可靠性感数据密钥•独立的安全处理器•物理层防护设计•唯一设备标识符•专用的密码学运算单元•侧信道攻击防护•密钥安全存储•防篡改的存储区域•自动数据销毁机制•强身份认证可信计算架构总览TPM作为可信计算架构的核心组件，位于整个安全体系的基础层它与BIOS/UEFI、操作系统和应用程序协同工作，构建从硬件到应用的完整信任链硬件信任根TPM芯片提供不可伪造的硬件基础固件验证BIOS/UEFI完整性度量与验证系统启动操作系统和应用程序的安全加载运行时保护持续的完整性监控与保护第二章核心功能详解TPM核心功能全景TPM密钥生成与管理平台完整性度量TPM能够生成高质量的密码学密钥，支持RSA、ECC等多种算法所有密钥都通过PCR（Platform ConfigurationRegister）寄存器，TPM能够度量和记录系在安全硬件环境中生成和存储，永不以明文形式离开TPM统启动过程中各个组件的完整性状态，形成可信的测量链•硬件随机数生成器•24个PCR寄存器（TPM

2.0）•多种算法支持（RSA2048/

3072、ECDSA P-256/P-384等）•SHA-1/SHA-256哈希算法•密钥层级管理体系•扩展操作的不可逆特性安全启动与远程认证数据加密与解密服务TPM支持安全启动流程，确保只有经过验证的软件才能在系统上运行同时TPM提供硬件级的加密解密服务，可以保护敏感数据的存储和传输支持对提供远程认证能力，让远程方能够验证设备的可信状态称和非对称加密，以及数字签名功能•启动过程完整性验证•AES对称加密•Quote签名机制•RSA/ECC非对称加密•远程证明协议•HMAC消息认证密钥层级结构详解TPM层级化密钥管理TPM采用树状的层级化密钥管理结构，确保密钥的安全性和可管理性每个层级都有特定的用途和权限控制主密钥（）Primary Key位于密钥层级的根部，由TPM内部种子和模板生成，具有最高安全等级存储密钥用于保护其他密钥和敏感数据，支持加密/解密操作签名密钥专门用于数字签名操作，确保数据完整性和身份认证密钥持久化TPM支持将重要密钥持久化存储，分配唯一的句柄进行管理权限控制通过密码、HMAC或策略机制实现平台配置寄存器深度解析PCR平台配置寄存器（PCR）是TPM实现完整性度量的核心机制每个PCR都是一个固定长度的寄存器，记录系统组件的哈希值应用程序PCR0-7:BIOS/UEFI PCR16-23:记录固件代码、配置和启动顺序的完整性度量值用于应用层软件的完整性度量和验证123引导加载程序PCR8-15:度量操作系统加载器、内核和初始化参数PCR扩展机制PCR的值通过扩展操作更新PCR[i]=HashPCR[i]||data这种不可逆的累积特性确保了度量过程的完整性和顺序性PCR索引度量内容用途说明0BIOS代码固件完整性验证1BIOS配置系统配置状态4引导加载程序启动过程验证5引导配置启动参数验证授权与策略机制TPMTPM提供了灵活而强大的授权机制，确保只有经过授权的实体才能使用TPM资源和执行敏感操作密码授权授权签名授权HMAC最基本的授权方式，通过预设的密码控制对TPM基于哈希消息认证码的授权方式，提供更高的安通过数字签名进行身份验证，适用于需要非对称对象的访问适用于简单的使用场景全性，防止密码在传输过程中被截获加密保护的高安全场景•支持多种密码类型•动态生成认证码•基于PKI基础设施•密码长度可配置•防重放攻击•支持证书链验证•防暴力破解保护•会话密钥保护•不可否认性保证策略授权的优势TPM

2.0引入了灵活的策略授权机制，允许定义复杂的访问控制条件时间限制设定密钥使用的时间窗口本地性限制确保操作在本地执行PCR绑定密钥使用与系统状态绑定计数器限制限制使用次数命令限制限制可执行的TPM命令组合条件多种条件的逻辑组合第三章硬件架构与工作原理TPM硬件架构深度剖析TPM芯片核心组件TPMTPM芯片是一个完整的安全处理系统，集成了多个专用功能模块，每个模块都针对特定的安全需求进行了优化设计安全处理器核心基于ARM或专用架构的处理器，负责执行密码学运算和安全协议处理硬件随机数生成器基于物理噪声的真随机数生成器，为密码学操作提供高质量的随机数源非易失性存储器用于存储密钥、证书和配置信息，具有防篡改和数据保护功能密码学协处理器专用的硬件加速单元，支持RSA、ECC、AES、SHA等算法的高效运算接口类型与特点接口速度应用场景LPC33MHz传统PC主板物理防护与安全设计TPMTPM芯片采用了多层次的物理安全防护机制，确保即使在恶劣的攻击环境下也能维护数据的安全性防篡改封装电源分析防护采用特殊的封装技术，任何物理干预都会内置电源滤波和噪声生成电路，抵御功耗被检测到并触发保护机制分析等侧信道攻击自毁机制环境传感器检测到攻击时自动清除敏感数据，确温度、电压、频率传感器持续监控运保信息不被泄露行环境，异常时自动保护安全存储时序随机化敏感数据使用硬件加密存储，密钥永不以通过随机化执行时序来防御基于时间的攻明文形式出现击分析安全等级认证高端TPM产品通常通过Common CriteriaEAL4+或FIPS140-2Level2认证，确保满足严格的安全要求生命周期管理TPMTPM从制造到退役的整个生命周期都需要严格的安全管理，确保在各个阶段都能提供可靠的安全服务制造阶段1在安全的制造环境中注入唯一身份标识和背书密钥，建立设备的可信根基•背书密钥（EK）生成激活阶段•唯一标识符写入2•出厂测试验证设备首次启动时初始化TPM，设置所有权和管理员权限•所有权建立归属阶段3•存储根密钥生成TPM被特定的所有者控制，开始提供安全服务•平台证书安装•用户策略配置运行阶段4•应用密钥创建TPM正常工作，提供各种安全服务和功能•安全功能启用•密钥管理服务退役阶段5•完整性度量安全清除所有敏感数据，确保设备可以安全处置或重新部署•安全认证•密钥清除•配置重置•安全审计第四章软件接口与工具TPM工具集全面介绍TPM2_ToolsTPM2_Tools是使用TPM

2.0功能的标准命令行工具集，提供了完整的TPM管理和操作接口这些工具是学习和使用TPM技术的重要基础密钥管理工具完整性度量工具tpm2_create tpm2_pcrread创建TPM对象（密钥、数据等）读取PCR寄存器值tpm2_load tpm2_pcrextend加载已创建的TPM对象扩展PCR寄存器tpm2_evictcontrol tpm2_quote将对象持久化存储生成TPM签名报告tpm2_readpublic tpm2_checkquote读取对象的公开信息验证签名报告加密解密工具系统管理工具tpm2_rsaencrypt tpm2_startup RSA加密数据启动TPMtpm2_rsadecrypt tpm2_getcap RSA解密数据查询TPM能力tpm2_sign tpm2_clear数字签名操作清除TPMtpm2_verifysignature tpm2_changeauth验证数字签名修改授权信息常用命令实例详解TPM通过具体的命令示例，我们来了解如何使用TPM2_Tools进行实际操作以下是一些典型的使用场景和相应的命令0102创建主密钥创建子密钥tpm2_createprimary-C o-g sha256-G rsa-c primary.ctx tpm2_create-g sha256-G keyedhash-u key.pub-r key.priv-Cprimary.ctx在所有者层级下创建RSA主密钥，使用SHA-256哈希算法，并将上下文保存到文件中在主密钥下创建一个哈希绑定的子密钥，生成公钥和私钥部分0304读取值生成报告PCR Quotetpm2_pcrread sha1:0,1,2,3-o pcrs.bin tpm2_quote-c signing.key-l sha1:0,1,2,3-q nonce-squote.sig-m quote.msg读取PCR0-3的SHA-1值，并将结果保存到二进制文件中使用签名密钥对指定的PCR值生成quote报告，包含签名和消息部分--help提示所有TPM命令都支持参数，可以查看详细的使用说明和参数选项建议初学者从简单的查询命令开始，逐步掌握复杂操作软件栈（）架构详解TPM TSSTPM软件栈（TPM SoftwareStack，TSS）是连接应用程序与TPM硬件的关键中间层，提供了标准化的编程接口和服务应用层接口PKCS#

11、OpenSSL Engine、应用程序直接调用中间件层TSS

2.0Enhanced System API ESYS提供高级抽象接口系统层APITSS

2.0SystemAPISAPI提供标准化的TPM命令接口传输层TPM CommandTransmission InterfaceTCTI负责命令传输驱动层内核驱动程序，直接与TPM硬件通信接口支持PKCS#11PKCS#11是加密令牌的标准接口，TPM可以作为PKCS#11令牌使用主要的PKCS#11TPM实现•标准化的密钥管理接口tpm2-pkcs11开源PKCS#11提供者•与现有应用程序兼容商业解决方案各厂商专有实现•支持多种密码学操作集成支持Firefox、Chrome浏览器支持•会话管理和并发控制模拟器环境搭建TPM为了便于学习和测试，我们可以使用TPM模拟器来模拟真实的TPM硬件Nokia TPMCourse提供了完整的学习环境环境准备启动模拟器工具验证Docker安装Docker并拉取Nokia TPMCourse镜像运行容器并启动TPM模拟器验证TPM工具链是否正常工作docker pullnokia/tpmcourse docker run-it--rm nokia/tpmcourse tpm2_getcap properties-fixed环境配置详解Nokia TPMCourse Docker镜像包含了完整的TPM学习环境TPM模拟器完全兼容TPM

2.0规范的软件模拟器TPM2_Tools最新版本的TPM命令行工具开发环境支持C/Python等多种编程语言示例代码丰富的实践案例和教程文档资料详细的技术文档和API说明该环境特别适合教学和实验使用，提供了安全隔离的学习环境，不会影响主机系统的安全性备选方案除了Docker环境外，也可以在Linux系统中直接编译安装TPM模拟器和工具链第五章在设备安全中的应用TPM设备安全应用全景TPMTPM在现代设备安全中发挥着关键作用，从个人电脑到企业服务器，从物联网设备到移动终端，TPM都能提供强有力的安全保障设备身份认证与密钥保护安全启动与固件完整性每个TPM都拥有独特的身份标识，为设备提供不可伪造的身份证明TPM安TPM通过度量启动过程中的各个组件，确保只有经过验证的固件和软件才能全地生成、存储和管理各种密钥，确保敏感数据的加密保护在设备上运行，有效防止rootkit和固件恶意软件•唯一设备标识符（EK）•UEFI安全启动支持•硬件密钥生成与存储•启动过程完整性度量•X.509证书管理•恶意软件检测•网络认证协议支持•固件版本验证硬件绑定加密存储远程证明与可信计算TPM可以将数据加密与特定的硬件平台和系统状态绑定，确保数据只能在授TPM支持远程证明协议，允许远程验证方确认设备的可信状态，这是构建可权的环境中被访问，防止数据迁移攻击信网络和云计算环境的基础技术•密封（Sealing）操作•远程证明协议•PCR状态绑定•平台状态报告•平台完整性保护•可信网络接入•数据迁移防护•合规性验证案例分析保护密钥TPM SSH传统的SSH密钥存储在文件系统中，容易被恶意软件窃取或被管理员误操作使用TPM保护SSH密钥可以显著提高安全性传统密钥的安全风险SSH密钥明文存储私钥文件存储在~/.ssh目录，可能被恶意软件读取密码保护脆弱用户设置的密码强度不足，容易被暴力破解备份泄露风险系统备份可能包含SSH私钥，增加泄露风险跨平台迁移密钥文件可以被复制到其他系统使用集成的密钥管理优势TPM SSH案例分析在物联网设备中的应用TPM物联网设备面临着独特的安全挑战资源有限、部署环境复杂、管理困难TPM技术为物联网设备安全提供了理想的解决方案智能家居设备工业物联网车联网设备医疗物联网TPM为智能门锁、安防摄像头、智能音箱等设备提供设备在工业环境中，TPM保护传感器数据的完整性和真实性，汽车电子控制单元（ECU）集成TPM，确保车载系统的安全医疗设备使用TPM保护患者数据和设备完整性，确保医疗身份认证和数据加密服务确保设备通信的安全性和隐私防止恶意攻击对生产系统造成损害支持工业

4.0的安全需性保护车辆通信、导航数据和乘客隐私信息信息的机密性和设备运行的可靠性，满足医疗行业的合规保护求要求•车载网络安全•设备身份唯一性•传感器数据认证•患者数据加密•V2X通信认证•安全OTA更新•设备固件保护•设备真实性验证•OBD安全防护•用户隐私保护•网络接入控制•合规性保证典型厂商解决方案厂商产品系列主要特点Infineon OPTIGATPM低功耗设计，适合嵌入式应用Nuvoton NPCT7xx系列高性能，丰富的接口选项STMicroelectronics ST33TP系列集成度高，成本优化第六章实操演示与案例分析密钥生成与管理实操TPM通过实际操作来深入理解TPM密钥管理的完整流程我们将演示如何创建、使用和管理TPM密钥创建主密钥（）创建存储密钥和签名密钥导出和备份公钥1Primary Key23tpm2_createprimary-C o-g sha256-G rsa-#创建存储密钥tpm2_create-G rsa-u tpm2_load-C0x81000001-u signing.pub-rc primary.ctxtpm2_evictcontrol-C o-c storage.pub-r storage.priv-C0x81000001#signing.priv-c signing.ctxtpm2_readpublicprimary.ctx0x81000001创建签名密钥tmp2_create-G rsa-s-u-c signing.ctx-f pem-osigning.pub-r signing.priv-C0x81000001signing_public.pem创建RSA主密钥并将其持久化存储到句柄0x81000001主密钥是密钥层级的根，用于保护其他密钥将创建的密钥加载到TPM中，然后导出公钥部分公钥可以安全地分发给其他方用于验证签名或加密数据在主密钥下创建专用的存储密钥和签名密钥存储密钥用于加密保护数据，签名密钥用于数字签名操作密钥属性说明最佳实践为不同用途创建专门的密钥，避免一个密钥承担多种功能这样可以降低安属性说明全风险并便于密钥管理-G rsa指定RSA算法-s签名密钥用途-d解密密钥用途-C父密钥句柄操作与完整性度量实操PCRPCR（平台配置寄存器）是TPM实现完整性度量的核心机制通过实际操作了解如何读取、扩展PCR并生成完整性证明0102读取当前值扩展寄存器PCR PCR#读取所有PCR值tpm2_pcrread#读取特定PCR值tpm2_pcrread#扩展PCR16（应用程序度量）echo MyApplication-v

1.0|sha256:0,1,2,3-o pcr_values.bin tpm2_pcrextend16:sha256#验证PCR值变化tpm2_pcrreadsha256:16查看系统启动后各个PCR寄存器的当前状态不同的PCR记录不同组件演示如何向PCR寄存器添加度量值PCR扩展操作是不可逆的，确保度的度量值量链的完整性03生成报告TPM Quote#使用签名密钥生成Quotetpm2_quote-c signing.ctx-l sha256:0,1,2,3,16-q remote_nonce_12345-m quote.msg-squote.sig#验证Quote的完整性tpm2_checkquote-u signing_public.pem-m quote.msg-s quote.sig-qremote_nonce_12345生成包含指定PCR值的签名报告，用于远程证明Quote包含PCR值、时间戳和TPM签名应用场景示例PCR启动安全验证应用完整性检查远程证明PCR0-7记录BIOS和引导过程，可用于验证PCR16-23用于应用程序度量，确保关键应用通过Quote机制向远程服务证明本地系统的可系统是否被篡改未被修改信状态加密解密与数字签名实操TPM演示如何使用TPM进行数据加密解密和数字签名验证操作，这些是TPM最常用的密码学功能加密解密操作数字签名与验证RSA#准备测试数据echo Thisis sensitivedataplaintext.txt#使用TPM公钥加密#对数据进行签名tpm2_sign-c signing.ctx-g sha256-o signature.bin plaintext.txt#验证tpm2_rsaencrypt-c storage.ctx-o encrypted.bin plaintext.txt#使用TPM私钥解密签名tpm2_verifysignature-c signing.ctx-g sha256-s signature.bin-m plaintext.txt#tpm2_rsadecrypt-c storage.ctx-o decrypted.txt encrypted.bin#验证解密结果diff使用外部公钥验证openssl dgst-verify signing_public.pem-signature signature.binplaintext.txt decrypted.txt plaintext.txt展示数字签名的生成和验证过程TPM签名具有不可否认性，可用于身份认证和数据完整性保护演示完整的RSA加密解密流程TPM私钥始终保持在硬件内部，提供最高级别的保护高级加密功能演示数据密封（）数据解封（）策略授权Sealing Unsealingtpm2_create-g sha256-G keyedhash-L pcr.policy-i tpm2_load-C0x81000001-u sealed.pub-r sealed.priv tpm2_policypcr-S session.ctx-l sha256:0,1,2-Lsecret.txt-u sealed.pub-r sealed.priv-C-c sealed.ctxtpm2_unseal-c sealed.ctx-L pcr.policy pcr.policytpm2_policyauthvalue-S session.ctx-L0x81000001pcr.policy将数据与PCR状态绑定，只有在特定系统状态下才能解密创建复杂的授权策略，组合多种验证条件在满足策略条件时解密密封的数据环境实操演示Nokia TPMCourse使用Nokia提供的TPMCourseDocker环境进行完整的TPM操作演示，这是一个理想的学习和实验平台环境启动步骤拉取镜像Dockerdocker pullnokia/tpmcourse启动交互式容器docker run-it--rm nokia/tpmcourse bash验证环境tpm2_getcap properties-fixed实际操作场景演练场景设备身份验证场景安全密钥存储场景完整性验证123使用TPM EndorsementKey验证设备身份，建立设备信任关系创建受TPM保护的应用密钥，演示安全的密钥生命周期管理模拟软件更新场景，使用PCR和Quote验证系统完整性故障排除与常见问题解决在使用TPM的过程中，可能会遇到各种问题了解常见问题的解决方法能够提高工作效率和系统可靠性初始化失败TPM症状tpm2_startup命令返回错误原因TPM可能处于不一致状态或需要清除解决方案tpm2_clear-c platformtpm2_startup-c clear密钥加载失败症状tpm2_load命令返回parent handledoes notexist原因父密钥句柄不存在或已被清除解决方案tpm2_createprimary-C o-c primary.ctxtpm2_evictcontrol-C o-c primary.ctx0x81000001授权失败症状操作返回authorization failure原因权限不足或授权信息错误解决方案#检查对象属性tpm2_readpublic-c object.ctx#提供正确的授权tpm2_command-p password-c object.ctx模拟器重置与恢复软重置硬重置#清除TPM状态tpm2_clear-c platform#重新启动TPMtpm2_startup-c clear#Docker环境重启docker restartcontainer_id#或重新运行容器dockerrun-it--rm nokia/tpmcourse。