TPM是什么

TPM: Trusted Platform Module，定位为廉价的小芯片，提供密钥的安全存储，密码学协处理，系统状态的度量等功能。

TCG: Trusted Computing Group (https://trustedcomputinggroup.org) 制定TPM规范的组织，从官网可以下载TPM规范。

TPM规范定义了一个硬件的根信任，比软件更加安全。TPM的功能需要通过软件来使用，有一些开源的API实现。TPM提供完整性度量，健康检查和认证服务。

TPM可以做什么？

• 批量对称加密（但厂商可能不会支持，这个受美国出口管制法限制）
• 提供高质量的随机数生成器
• 密码学服务
• 受保护的内部存储空间，可以保存少量的数据。
• 多种认证方式来访问受保护的密钥和数据
• 数字证书签名和认证
• 对密钥和数据签名。
• 审计密钥和数据的使用。
• 认证：报告平台状态
• 封装：使用平台状态来授权访问密钥和数据

TPM的不同实现

TPM 2.0采用了库的定义方式，比1.2更加灵活，因此2.0有多种实现灵活性，例如：

• 独立的TPM：TPM实现为一个独立的芯片，安全性最高。
• 集成的TPM：TPM集成到某个芯片里。
• 固件TPM：通过固件实现TPM，不需要额外芯片，由CPU在特定模式下运行固件里的软件。
• 软件TPM：以软件实现的模拟TPM，适合测试开发阶段使用。而且开发测试阶段建议不要使用物理TPM，因为一旦把EK和根证书搞挂了，很难恢复。

下面是一些TPM的应用场景：

2.0与1.2规范的差异

2.0规范在1.2的基础上增加了一些新的特性，比如：

• 算法灵活性：TPM2.0引入了更多的算法支持，TPM1.2只支持一些固定的默认的算法，比如PCR扩展固定使用SHA1。
• 增强的授权：统一了授权的方式（和策略相关的一个改进）。
• 快速密钥加载：改用对称加密算法，把密钥加载到TPM更快了。
• PCR易用性：在1.2中，密钥与设备状态绑定后，如果设备状态发生改变，密钥也要改变。比如升级BIOS导致系统状态值变化，用户必须先unseal数据，升级，再seal数据。2.0则可以把数据与某个签名方认可的PCR值进行绑定，而不固定某个具体的PCR值。
• 管理更灵活：不同授权方式可以独立使用。
• 通过名称获取资源：大致是句柄会被替换的问题，而相同的名称总会产生相同的结果，不会被篡改，这些都是在协议层实现的，对用户来说只需要知道怎么用就可以了。

vTPM

vTPM需要libvirt和qemu支持，qemu支持vTPM有两种方式，一种是passthrough，透传宿主机的设备给虚机，宿主机需要有这个设备，

另一种是模拟器方式，从ChangeLog来看，qemu从2.11开始加入TPM模拟器的支持。而目前推荐使用的版本是qemu 2.12，libvirt 4.5。

编译TPM模拟器swtpm

实际上，qemu模拟TPM是利用外部的TPM模拟器实现的，需要借助swtpm工具，因此首先需要编译出swtpm模拟器。下载libtpms和swtpms的源码：

• https://github.com/stefanberger/libtpms
• https://github.com/stefanberger/swtpm

按照顺序，编译源码并安装。安装完后，可以查看版本

[root@centos8 ~]# swtpm --version
TPM emulator version 0.2.0, Copyright (c) 2014 IBM Corp.

如果编译时有crypto报错，检查是否安装了openssl-devel。

CentOS 8没有带python3-twisted包，可先安装python3-pip，再用pip3安装twisted。

编译qemu

CentOS yum源里带的qemu-kvm并没有编译TPM模拟器的支持，如果虚机xml配置为tpm模拟器，启动虚机时提示不支持emulator backend，表示qemu编译时没有带TPM模拟器支持，需要手工编译。

以qemu 3.1.0为例，下载源码及编译

cd qemu-3.1.0
mkdir build
cd build
../configure
make

可以通过configure --help查看编译选项，TPM默认是打开编译的。编译x86_64即可，编译所有架构会很费时间。

编译完成后，build/x86_64-softmmu/qemu-system-x86_64为编译出的qemu执行程序，将其替换虚机xml的emulator字段。

视qemu编译选项的不同，虚机xml可能需要作相应的调整，移除不支持的设备。

配置虚机XML

可以通过virt-manager为虚机添加TPM设备（TIS），也可以手动编辑XML文件添加：

有CRB和TIS两种模型，底层都是通过swtpm模拟的。libvirt官网的说明是，TIS是默认的模型，CRB只能用于TPM 2.0。用默认的设备模型即可。

启动虚机并安装TPM协议栈和工具

启动虚机，qemu会自动创建一个swtpm模拟器进程，并通过unix domain socket与之交互。

[root@centos8 ~]# ps aux | grep qemu
tss      19796  0.0  0.0  33672  3140 ?        Ss   Oct12   0:00 /usr/bin/swtpm socket --daemon --ctrl type=unixio,path=/var/run/libvirt/qemu/swtpm/3-centos77-swtpm.sock,mode=0600 --tpmstate dir=/var/lib/libvirt/swtpm/fdaa7820-ffc4-4dd3-b3ae-5b456e38e5a6/tpm2,mode=0600 --log file=/var/log/swtpm/libvirt/qemu/centos77-swtpm.log --tpm2 --pid file=/var/run/libvirt/qemu/swtpm/3-centos77-swtpm.pid
qemu     19815  0.9 16.0 5100588 1310696 ?     Sl   Oct12 122:58 /root/qemu-3.1.0/build/x86_64-softmmu/qemu-system-x86_64 -name guest=centos77,debug-threads=on -S -object secret,id=masterKey0,format=raw,file=/var/lib/libvirt/qemu/domain-3-centos77/master-key.aes -machine pc-q35-2.10,accel=tcg,usb=off,vmport=off,dump-guest-core=off -m 2048 -realtime mlock=off -smp 1,sockets=1,cores=1,threads=1 -uuid fdaa7820-ffc4-4dd3-b3ae-5b456e38e5a6 -no-user-config -nodefaults -chardev socket,id=charmonitor,fd=30,server,nowait -mon chardev=charmonitor,id=monitor,mode=control -rtc base=utc,driftfix=slew -global kvm-pit.lost_tick_policy=delay -no-hpet -no-shutdown -global ICH9-LPC.disable_s3=1 -global ICH9-LPC.disable_s4=1 -boot strict=on -device pcie-root-port,port=0x10,chassis=1,id=pci.1,bus=pcie.0,multifunction=on,addr=0x2 -device pcie-root-port,port=0x11,chassis=2,id=pci.2,bus=pcie.0,addr=0x2.0x1 -device pcie-root-port,port=0x12,chassis=3,id=pci.3,bus=pcie.0,addr=0x2.0x2 -device pcie-root-port,port=0x13,chassis=4,id=pci.4,bus=pcie.0,addr=0x2.0x3 -device pcie-root-port,port=0x14,chassis=5,id=pci.5,bus=pcie.0,addr=0x2.0x4 -device pcie-root-port,port=0x15,chassis=6,id=pci.6,bus=pcie.0,addr=0x2.0x5 -device pcie-root-port,port=0x16,chassis=7,id=pci.7,bus=pcie.0,addr=0x2.0x6 -device qemu-xhci,p2=15,p3=15,id=usb,bus=pci.2,addr=0x0 -device virtio-serial-pci,id=virtio-serial0,bus=pci.3,addr=0x0 -drive file=/var/lib/libvirt/images/centos77.qcow2,format=qcow2,if=none,id=drive-virtio-disk0 -device virtio-blk-pci,scsi=off,bus=pci.4,addr=0x0,drive=drive-virtio-disk0,id=virtio-disk0,bootindex=1 -drive file=/root/CentOS-7-x86_64-Minimal-1908.iso,format=raw,if=none,id=drive-sata0-0-0,media=cdrom,readonly=on -device ide-cd,bus=ide.0,drive=drive-sata0-0-0,id=sata0-0-0 -netdev tap,fd=32,id=hostnet0 -device virtio-net-pci,netdev=hostnet0,id=net0,mac=52:54:00:fd:6c:2c,bus=pci.1,addr=0x0 -chardev pty,id=charserial0 -device isa-serial,chardev=charserial0,id=serial0 -chardev socket,id=charchannel0,fd=33,server,nowait -device virtserialport,bus=virtio-serial0.0,nr=1,chardev=charchannel0,id=channel0,name=org.qemu.guest_agent.0 -tpmdev emulator,id=tpm-tpm0,chardev=chrtpm -chardev socket,id=chrtpm,path=/var/run/libvirt/qemu/swtpm/3-centos77-swtpm.sock -device tpm-tis,tpmdev=tpm-tpm0,id=tpm0 -device usb-tablet,id=input0,bus=usb.0,port=1 -vnc 0.0.0.0:0 -device VGA,id=video0,vgamem_mb=16,bus=pcie.0,addr=0x1 -device ich9-intel-hda,id=sound0,bus=pcie.0,addr=0x1b -device hda-duplex,id=sound0-codec0,bus=sound0.0,cad=0 -device virtio-balloon-pci,id=balloon0,bus=pci.5,addr=0x0 -object rng-random,id=objrng0,filename=/dev/urandom -device virtio-rng-pci,rng=objrng0,id=rng0,bus=pci.6,addr=0x0 -sandbox on,obsolete=deny,elevateprivileges=deny,spawn=deny,resourcecontrol=deny -msg timestamp=on
root     30563  0.0  0.0  11780  1048 pts/3    S+   12:02   0:00 grep --color=auto qemu
[root@centos8 ~]#

1.2使用的主流协议栈是IBM的trousers开源实现（托管在sourceforge），交互工具是tpm-tools包。2.0使用的主流协议栈和工具是tpm2-tss和tpm2-tools，代码托管在https://github.com/tpm2-software，最初应该是Intel主导的开源项目。

协议栈和工具在CentOS有对应的包，可以直接安装，因为功能还在开发中，建议使用如CentOS8这种较新的发行版，可以装载高一点的版本，或者自行从源码编译。

TSS和TPM模拟的版本要相符。

这里以模拟TPM 2.0为例，需要从yum安装：tpm2-abrmd, tpm2-tss和 tpm2-tools。tpm2-abrmd实现Broker和RM，tpm2-tss实现部分协议栈，tpm2-tools是命令行交互工具集。

执行tpm2_pcrlist，可以打印出pcr寄存器的值，表示安装成功。

TPM的实现层级

TPM协议栈层级关系

整个TPM的层级和关系如图。以tpm2工具集为例，大体划分如下：

• tpm2-tools处于应用层，调用tpm2-tss协议栈的接口实现具体的功能。
• tpm2-tss实现了TSS协议栈，并对应用层提供接口，依据应用的需要，接口可以有层次之分。
• tpm2-abrmd实现TAB(TPM2 Access Broker)和Resource Mgr两个部分，这一层负责资源调度和协调，上下文切换。它其实也属于协议栈，只是在实现上分开了，可以看出，TPM的实现是很灵活的。
• TCTI即TPM Command Transmission Interface，属于非常底层的接口，只有在系统启动初期或嵌入式系统中才会直接基于该接口进行开发，这里传输的命令在规范中都有相应的定义。

若要开发应用，需要根据待实现的功能，应用所处的运行环境，选择不同的接口层，根据TPM规范进行实现。