基于TEE+SE的移動(dòng)終端數(shù)字證書應(yīng)用研究

廖會(huì)敏 石欣 薛真

摘 要：隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，用戶已習(xí)慣通過移動(dòng)終端進(jìn)行移動(dòng)支付、移動(dòng)辦公、移動(dòng)娛樂等，但用戶在享受其帶來便利的同時(shí)，也面臨著身份仿冒等安全威脅。由于移動(dòng)終端的特性，以UKey為載體的傳統(tǒng)數(shù)字證書無法在移動(dòng)終端得到應(yīng)用。以移動(dòng)終端數(shù)字證書應(yīng)用為導(dǎo)向，通過對現(xiàn)有移動(dòng)終端數(shù)字證書存儲(chǔ)方式的分析，比較現(xiàn)有存儲(chǔ)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出基于TEE+SE的移動(dòng)終端數(shù)字證書方案，解決了現(xiàn)有藍(lán)牙KEY攜帶不便、服務(wù)端私鑰模式對用戶風(fēng)險(xiǎn)較大，以及密鑰分割方法與電子簽名法兼容性等問題，并指出隨著移動(dòng)終端的發(fā)展，移動(dòng)終端廠商將逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，基于TEE+SE的數(shù)字證書解決方案將成為未來移動(dòng)終端數(shù)字證書的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)終端;數(shù)字證書;TEE;SE

DOI：10. 11907/rjdk. 191706 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-7800（2020）005-0164-04

0 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展與移動(dòng)智能終端的普及，用戶已習(xí)慣通過移動(dòng)終端進(jìn)行移動(dòng)支付、移動(dòng)辦公、移動(dòng)娛樂等，在享受移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)帶來便利的同時(shí)，也面臨著信息泄露、身份仿冒、木馬病毒等安全威脅[1]。在傳統(tǒng)PC環(huán)境中，以UKey為載體的數(shù)字證書在保障PC端互聯(lián)網(wǎng)身份認(rèn)證、電子簽名等安全應(yīng)用方面發(fā)揮了重要作用[2]。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，由于移動(dòng)終端的特性，UKey無法在移動(dòng)終端上使用，因此尋找一種便捷、安全的移動(dòng)終端數(shù)字證書解決方案，已成為近幾年的研究熱點(diǎn)。如文獻(xiàn)[3]、[4]提出基于藍(lán)牙KEY的安全解決方案;文獻(xiàn)[5]研究安全芯片音頻KEY的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程;文獻(xiàn)[6]提出一種云環(huán)境下的數(shù)字證書認(rèn)證系統(tǒng);文獻(xiàn)[7]分析移動(dòng)終端的密鑰安全性問題，基于門限密碼學(xué)原理，提出可驗(yàn)證密鑰分割的密鑰保護(hù)方案。然而，以上方案都有一定缺陷，如藍(lán)牙KEY、音頻KEY數(shù)字證書攜帶不方便;云環(huán)境下的認(rèn)證系統(tǒng)采用將私鑰托管在服務(wù)端的方法，但由于用戶不掌握數(shù)字證書的私鑰，對用戶而言風(fēng)險(xiǎn)較大;基于門限密碼的密鑰分割方法由于用戶只持有密鑰的一部分，其與《電子簽名法》的兼容性有待探討。

本文對將安全芯片直接集成到移動(dòng)終端的方法SE（Secure Element）進(jìn)行研究，并利用可信執(zhí)行環(huán)境（Trusted Execution Environment，TEE）對移動(dòng)終端應(yīng)用中的操作過程作進(jìn)一步安全保護(hù)，提出基于TEE+SE的數(shù)字證書解決方案。該方案可彌補(bǔ)各種傳統(tǒng)方案的不足，在移動(dòng)終端廠商逐步占據(jù)主導(dǎo)地位的情況下，該方案將成為未來的發(fā)展方向。

1 移動(dòng)終端數(shù)字證書現(xiàn)有形態(tài)

1.1 藍(lán)牙/音頻KEY

藍(lán)牙/音頻KEY數(shù)字證書的機(jī)理與PC端的UKey一樣，只是換了一種通訊方式。數(shù)字證書存儲(chǔ)在KEY的芯片模塊中，藍(lán)牙KEY通過藍(lán)牙通訊與移動(dòng)終端建立連接，音頻KEY通過移動(dòng)終端自帶的音頻接口與其建立連接，以完成身份認(rèn)證/電子簽名的交互過程。

盡管藍(lán)牙/音頻KEY作為數(shù)字證書的存儲(chǔ)介質(zhì)，與UKey具有同樣的安全等級，但其攜帶不便，并且需要用戶購買，需要花費(fèi)一定成本。同時(shí)，由于藍(lán)牙通訊本身存在一定安全問題，以及音頻接口兼容性等問題，制約了藍(lán)牙/音頻KEY的發(fā)展，逐漸被市場淘汰。

1.2 服務(wù)端私鑰模式

服務(wù)端私鑰模式又稱為私鑰托管模式，用戶私鑰存儲(chǔ)在服務(wù)端，在需要進(jìn)行私鑰操作如身份認(rèn)證、電子簽名時(shí)，服務(wù)端通過口令、驗(yàn)證碼等方式對用戶身份進(jìn)行確認(rèn)后，在服務(wù)端完成簽名。在該模式中，用戶不掌握數(shù)字證書的私鑰，私鑰完全被服務(wù)端掌控，如果服務(wù)端被攻擊，用戶私鑰則存在被破解的危險(xiǎn)，從而給用戶帶來損失，或者服務(wù)端自身若利用用戶托管的私鑰仿冒用戶身份與簽名，用戶取證將非常困難。

1.3 密鑰分割協(xié)同計(jì)算模式

協(xié)同計(jì)算模式是最近比較流行的一種模式，其基于門限密碼學(xué)原理將私鑰分割成兩份或多份，用戶移動(dòng)終端只存儲(chǔ)其中的一份私鑰分量，在簽名方的確認(rèn)下，由客戶端和服務(wù)端各自完成其簽名分量后，最終通過合成方式完成整個(gè)簽名過程。雖然該私鑰分量直接存儲(chǔ)在移動(dòng)終端內(nèi)存中，但因?yàn)槠渲皇撬借€的一部分，即使被破解，也不能完成最終的簽名數(shù)據(jù)，因而可保證其安全性。

然而，《電子簽名法》第十三條指出，“簽署時(shí)電子簽名制作數(shù)據(jù)僅由電子簽名人控制”才能視為可靠的電子簽名，而基于密鑰分割的數(shù)字證書，由于用戶只持有私鑰的其中一個(gè)分量，電子簽名制作數(shù)據(jù)由用戶端與服務(wù)端共同完成，其與該條法規(guī)的兼容性有待探討。

2 SE解決方案

2.1 SE概述

SE全稱為Secure Element，即安全模塊（單元）[8]。基于SE的相關(guān)技術(shù)規(guī)范金融行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——《中國金融移動(dòng)支付 遠(yuǎn)程支付應(yīng)用 第6部分：基于安全單元（SE）的安全服務(wù)技術(shù)規(guī)范》（JR/T 0093.6-2015）由中國人民銀行正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)主要描述了基于SE的安全服務(wù)接口規(guī)范、數(shù)字證書申請流程、安全認(rèn)證流程以及與客戶端支付應(yīng)用軟件的層次關(guān)系，為移動(dòng)支付中遠(yuǎn)程支付業(yè)務(wù)的SE應(yīng)用、客戶端支付應(yīng)用軟件、遠(yuǎn)程支付系統(tǒng)設(shè)計(jì)、應(yīng)用開發(fā)及檢測提供了標(biāo)準(zhǔn)。

SE有以下幾種形態(tài)：①基于SIM卡的SE。SE芯片集成在SIM卡上，又稱為eSIM卡（嵌入式SIM）、USIM卡[9];②基于SD卡的SE。也稱為可移除SE，SE芯片集成在SD卡上，又稱為智能SD卡;③全終端SE。SE芯片直接集成在移動(dòng)智能終端上。

2.2 基于SE的安全方案

基于SE遠(yuǎn)程支付的安全服務(wù)應(yīng)用以公鑰密碼體系為核心[10]，構(gòu)建統(tǒng)一的電子認(rèn)證服務(wù)手段以確保遠(yuǎn)程支付交易的真實(shí)性與可靠性。安全服務(wù)作為SE的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了加密解密、簽名驗(yàn)簽等多種功能，可對運(yùn)算與存儲(chǔ)提供較高等級的安全保護(hù)，并對外提供統(tǒng)一的安全服務(wù)接口，從而降低了各支付應(yīng)用提供方在開發(fā)電子認(rèn)證服務(wù)時(shí)的個(gè)性化差異[11]，提高了通用性，簡化了復(fù)雜度，以保障能夠安全、有序、合理地開展基于數(shù)字證書的電子認(rèn)證服務(wù)。

2.3 SE方案面臨的問題

SE作為一種硬件模塊，其安全性與第一代UKey是相匹配的，但數(shù)字證書存儲(chǔ)在SE模塊中也存在一些問題。首先，第一代UKey在簽名過程中缺少交互式操作，因此對安全性要求較高的應(yīng)用已逐漸采用按鍵UKey、液晶顯示UKey等具有交互性的第二代USBKey;其次，SE在移動(dòng)終端操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，而現(xiàn)有操作系統(tǒng)特別是Andriod系統(tǒng)的安全性問題不斷爆發(fā)[12]，因此人們在使用SE數(shù)字證書進(jìn)行簽名等操作時(shí)，對簽名的確認(rèn)操作如PIN輸入、手勢確認(rèn)等，其環(huán)境安全性得不到保障，所以僅采用SE方案的安全級別是不夠的。

3 基于TEE+SE的數(shù)字證書解決方案

3.1 TEE可信執(zhí)行環(huán)境

由全球平臺(tái)組織（GlobalPlantform，GP）制定并推進(jìn)的TEE標(biāo)準(zhǔn)[13]面向移動(dòng)終端，由硬件加以實(shí)現(xiàn)，通過開辟移動(dòng)終端主處理器內(nèi)部的安全區(qū)域，提供一個(gè)隔離的可信執(zhí)行環(huán)境。終端通過分離TEE與富執(zhí)行環(huán)境（RichExecutionEnvironment，REE）的軟硬件資源，實(shí)現(xiàn)對敏感數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與保護(hù)，以確保TEE內(nèi)代碼與數(shù)據(jù)的安全性、機(jī)密性及完整性。TEE的安全級別高于REE，能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用的安全需求[14]。

TEE提供了一種可信的執(zhí)行環(huán)境，使得APP在移動(dòng)終端上的運(yùn)行更加安全可靠。其主要安全防護(hù)有：①TEE運(yùn)行在主設(shè)備芯片上;②TEE與移動(dòng)操作系統(tǒng)之間是硬件隔離的，保證了其安全性;③提供設(shè)備資源的特殊防護(hù)（用戶接口、密碼引擎、安全元件等）;④提供安全的連接服務(wù)[15]。

3.2 TEE+SE方案

SE作為數(shù)字證書的硬件存儲(chǔ)介質(zhì)，具有較高安全性，TEE作為移動(dòng)終端上的可信執(zhí)行環(huán)境，確保了數(shù)字證書在使用過程中，特別是用戶在調(diào)用數(shù)字證書如PIN碼輸入等交互過程中的安全性。

為了克服硬件安全防護(hù)在移動(dòng)終端上部署不便的弊端，開放移動(dòng)終端組織提出TEE+SE的概念及方案，即安全的軟件環(huán)境與安全元件之間的結(jié)合方案。通過TEE的可執(zhí)行安全環(huán)境與 SE加密芯片，TEE+SE方案能夠在最大程度上保障交互過程中的安全性，其安全框架如圖1所示。安全管理主要包括以下內(nèi)容：

（1）建立可信服務(wù)管理（Trusted Service Management，TSM）系統(tǒng)[16]。與移動(dòng)支付相關(guān)的應(yīng)用、數(shù)據(jù)在被加載時(shí)可被驗(yàn)證其來源安全。

（2）所有數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到TEE（可信執(zhí)行環(huán)境）與SE（安全芯片）中，這些數(shù)據(jù)與個(gè)人信息密切相關(guān)，所以要進(jìn)行個(gè)性化管理。

（3）對TEE環(huán)境下的移動(dòng)支付相關(guān)代碼運(yùn)行隔離、安全通道、可追溯特性等進(jìn)行配置。

（4）進(jìn)行移動(dòng)支付相關(guān)應(yīng)用的生命周期管理，包括對數(shù)據(jù)可升級、可掛失、可凍結(jié)、可銷毀等功能的管理。

TEE+SE數(shù)字證書基于移動(dòng)終端自帶的可信執(zhí)行環(huán)境和安全模塊設(shè)計(jì)，通過TSM動(dòng)態(tài)部署可信應(yīng)用到TEE，然后通過TSM部署應(yīng)用和數(shù)字證書到SE，保證了數(shù)字證書私鑰在加密、簽名等過程中的安全性，以及用戶PIN碼輸入環(huán)境的可信性。

3.3 應(yīng)用與商業(yè)模式

TEE+SE移動(dòng)終端數(shù)字證書的申請與UKey類似[17]，通過SE生成非對稱算法的公私鑰對后，私鑰存儲(chǔ)在SE芯片中，公鑰通過用戶傳輸給CA中心，在與用戶身份信息等綁定后，CA中心下發(fā)與公鑰對應(yīng)的數(shù)字證書給用戶[18]，在業(yè)務(wù)簽名需要時(shí)，移動(dòng)終端APP調(diào)用SE的私鑰對待簽名數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名操作，遠(yuǎn)程系統(tǒng)對簽名結(jié)果的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，其應(yīng)用方案如圖2所示。

TEE+SE數(shù)字證書方案可以廣泛應(yīng)用于移動(dòng)支付、移動(dòng)辦公、電子政務(wù)等使用數(shù)字證書進(jìn)行身份認(rèn)證與電子簽名的應(yīng)用環(huán)境中[19]。

在TEE+SE方案提出之前，基于SD卡的SE和基于SIM卡的SE方案，特別是基于SIM卡的SE方案，三大運(yùn)營商利用自身優(yōu)勢都占有一定市場份額，但因?yàn)樾枰脩舻竭\(yùn)營商服務(wù)地更換SIM卡，且存在數(shù)字證書與運(yùn)營商綁定、各方利益爭奪等問題，用戶使用較少。

隨著移動(dòng)終端的迅猛發(fā)展[20]，移動(dòng)終端廠商逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，全終端的SE直接集成在移動(dòng)終端主板上，結(jié)合TEE架構(gòu)，讓手機(jī)廠商在CA機(jī)構(gòu)、SE芯片提供商之前掌握話語權(quán)，為TEE+SE數(shù)字證書的發(fā)展提供了更加便利的條件。

4 結(jié)語

盡管基于TEE+SE的移動(dòng)終端數(shù)字證書提供了一套安全的數(shù)字證書解決方案，可廣泛應(yīng)用于移動(dòng)支付、移動(dòng)辦公、電子政務(wù)等使用數(shù)字證書進(jìn)行身份認(rèn)證與電子簽名的應(yīng)用環(huán)境中，但其依賴于移動(dòng)終端的手機(jī)廠商，其產(chǎn)業(yè)鏈相對而言比較復(fù)雜，給其推廣帶來了一定難度。未來期待在CA、芯片廠商、運(yùn)行商、手機(jī)廠商的協(xié)同努力下，能夠各取所長，在利益之間達(dá)成平衡，為用戶的移動(dòng)應(yīng)用提供更加便捷、安全的數(shù)字證書解決方案。

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（責(zé)任編輯：黃 健）