Linux 可信启动深度解析：从UEFI到操作系统的信任链

引言

在探讨了解学习虚拟化的安全方案（如HyperEnclave）时，我们经常会遇到动态信任根（DRTM）的概念。但DRTM的有效性，又依赖于一个稳固的静态信任根（Static Root of Trust for Measurement, SRTM）。这条SRTM信任链，构成了整个平台可信度的基石。

本文档的目的，就是完整地、系统性地梳理这条信任链。我们将从PC上电的瞬间开始，一路追踪信任的“接力棒”是如何从UEFI固件，传递给GRUB 2引导加载程序，并最终由Linux内核接管，将其延伸至每一个运行中的应用程序。

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一、 可信根基：TPM与核心概念

在深入流程之前，必须先对齐几个贯穿始终的核心概念。

1.1 什么是“度量” (Measurement)？

在可信计算的语境里，“度量”就是一个动作：对一段数据（比如一个文件或一段代码）计算其密码学哈希值（如SHA-256）。

这个哈希值就像是这段数据的“数字指纹”，任何微小的改动都会导致指纹发生天翻地覆的变化。这个动作本身不提供安全，它只是提供了一种可验证的、唯一的身份标识。

1.2 信任链与TPM PCR

“信任链”（Chain of Trust）的思想很简单：信任是需要传递的。就像接力赛，第一棒运动员（信任的根源）必须是可信的，然后他把接力棒（控制权）交给第二棒时，必须先保证第二棒也是可信的。

TPM（可信平台模块）就是这个过程中的“公证员”和“记事本”。它内部有一组特殊的寄存器，叫平台配置寄存器（Platform Configuration Registers, PCRs）。

PCR有一个独一无二的特性：你不能直接写入一个值，你只能对它执行Extend（扩展）操作。

Extend操作的本质是：PCR_new_value = HASH(PCR_old_value || new_data_hash)

这个特性使得PCR成为了一个完美的、防篡改的启动日志。任何对启动流程的偏离，都会在这本“只能追加、不能修改”的日志上留下清晰的痕迹。

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二、 阶段一：固件的可信启动 (UEFI)

信任链的源头，始于PC上电后运行的第一行代码——UEFI固件。它的启动过程并非一个单一步骤，而是遵循业界标准（如PI-Spec）的一个分阶段的初始化序列。

2.1 引导的起点：从SEC到DXE的初始化

UEFI的启动可以大致分为几个关键阶段，每一步都为下一步构建基础。

图1: UEFI 启动阶段总览

1. SEC (Security) Phase - 安全阶段:

• 这是CPU在加电后执行的第一段代码，通常由处理器的微码和固件中的一小段汇编代码组成，是平台的静态信任根度量（Static Root of Trust for Measurement, SRTM）的起点，也被称为核心信任根度量（Core Root of Trust for Measurement, CRTM）。

• 它的核心任务非常单纯：建立一个临时的运行环境（通常是使用CPU的缓存作为临时内存），并找到、验证、启动下一阶段（PEI）。作为信任链的第一环，它会度量PEI阶段的代码，并将结果Extend到 PCR[0] 中。

2. PEI (Pre-EFI Initialization) Phase - EFI前期初始化阶段:

• PEI的主要职责是初始化主内存（DRAM）。一旦DRAM可用，后续的复杂任务才有了运行空间。

• 它会进行最核心的平台硬件发现（如CPU、芯片组），并将这些信息组织成一个“交接清单”（Hand-Off Block List, HOBs），传递给下一阶段。在交接前，它会度量DXE阶段的核心代码，并继续Extend到 PCR[0]。

3. DXE (Driver Execution Environment) Phase - 驱动执行环境阶段:

• 这是UEFI的“主舞台”。DXE阶段的核心是一个分发器（Dispatcher），它会根据依赖关系，循环加载和执行一系列的DXE驱动，完成对平台上几乎所有硬件的初始化。

• 在这个阶段，各种UEFI服务和协议被创建和发布，比如文件系统服务、块设备I/O服务，以及我们可信启动所依赖的 TPM服务协议（EFI_TCG2_PROTOCOL）。所有被加载的DXE驱动，也都会被度量并继续Extend到 PCR[0]。到DXE阶段结束时，系统已经是一个功能完备的“小型操作系统”。

2.2 引导设备选择 (BDS)：UEFI如何找到GRUB

DXE阶段完成后，控制权交给BDS（Boot Device Selection）阶段。这本质上就是我们熟知的UEFI启动管理器。在执行引导加载程序之前，BDS自身也会被度量到PCR[0]中，至此，PCR[0]完整地记录了整个固件的启动链条。

1. 读取NVRAM启动变量:

• BDS会读取主板上非易失性存储器（NVRAM）中存储的启动变量。最重要的变量是 BootOrder，它定义了启动项的尝试顺序，如 [Boot0001, Boot0002, Boot0000]。

• 每一个启动项（如Boot0001）都是一个详细的记录，它包含了：

• 设备路径: 指向一个具体的物理设备（如某一块硬盘的某个分区）。

• 文件路径: 指向该设备上要执行的EFI应用程序的路径。

• 描述: 一个用户可见的字符串，如 “ubuntu” 或 “Windows Boot Manager”。

2. 定位GRUB:

• BDS会按照BootOrder的顺序，尝试加载第一个启动项。例如，对于Boot0001 (“ubuntu”)，它会根据设备路径找到ESP分区（EFI System Partition，一个标准的FAT32分区），然后在这个分区上根据文件路径找到GRUB的核心镜像，例如 \EFI\ubuntu\grubx64.efi。

• 备用路径(Fallback Path): 如果所有BootOrder中的启动项都失败了，或者BootOrder为空，BDS会尝试一个标准的备用路径：\EFI\BOOT\BOOTX64.EFI。

2.3 Secure Boot与度量：信任的第一次传递

在BDS最终决定要执行某个EFI应用程序（如grubx64.efi）的那一刻，Secure Boot和TPM度量机制会介入，完成信任的第一次传递。

1. Secure Boot验证:

• 在执行grubx64.efi之前，UEFI会用其内置的**签名数据库（db）**中的公钥，去验证这个文件的数字签名。

• 同时，它会检查这个文件的签名哈希是否位于**禁止签名数据库（dbx）**的黑名单中。

• 只有签名有效且不在黑名单中，程序才被允许执行。

2. 第一环度量:

• 在验证签名的同时，UEFI固件也扮演了第一个度量者的角色。它会度量启动过程中加载的关键组件，并将哈希值扩展到PCR中：

• PCR[0]: 度量UEFI固件自身的核心代码、启动设置等。

• PCR[2]: 度量加载的第三方UEFI驱动或扩展ROM。

• PCR[4]: 度量被选中的引导加载程序（如grubx64.efi）的完整镜像。

• PCR[7]: 度量Secure Boot的策略和密钥状态。

3. 交接控制权:

• 至此，在将控制权交给GRUB之前，UEFI已经完成了两件大事：通过签名验证了GRUB的身份合法性，并通过度量记录下了GRUB的数字指纹。然后，它才会真正跳转到grubx64.efi的入口点开始执行。

2.4 SEC阶段如何与TPM交互？

一个关键问题是：在SEC阶段，主内存（DRAM）都尚未初始化，系统环境极其简陋，它怎么可能有TPM的“驱动”来操作寄存器呢？

答案是：它没有现代意义上的“驱动”，它拥有的是更底层的、固化在自身代码中的“直接操作能力”。

• CRTM的特殊身份: SEC阶段执行的代码，即核心信任根度量（CRTM），不是一个通用的程序。它是由芯片或主板制造商编写的、高度特权化、平台专属的一小段代码。它被认为是隐式可信的，是信任的绝对源头。

• 硬编码的通信能力: CRTM的代码直接包含了与TPM芯片进行最低级别通信所需要的所有指令。它知道要通过哪个总线（如LPC或SPI总线）、向哪个具体的I/O端口或内存映射地址（MMIO）发送什么样字节序列，来命令TPM执行“扩展PCR[0]”这个动作。这个最原始的“TPM驱动”被**硬编码（Hard-coded）**在了CRTM内部。

• 设计的安全性: 正因为它不依赖任何外部加载的驱动，所以它的行为是确定的、不受外部环境影响的，这恰恰是作为信任根所必需的。

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三、 阶段二：引导加载程序的接力 (GRUB 2)

现在，信任链的接力棒传递到了GRUB 2手中。

3.1 GRUB自我唤醒并延续信任链

GRUB 2的核心镜像（core.img）已经在内存中运行，但它非常小，功能有限。它需要找到自己的“大部队”——配置文件和各种模块。

1. GRUB的自我定位与配置加载:

• GRUB现在是“醒着”的。它会启用自己内置的、微型的文件系统驱动（例如fat.mod可能已经嵌入core.img中），更重要的是，它会加载更强大的文件系统驱动（如ext4.mod）。

• 它根据安装时配置的“前缀”（prefix）信息，去另一个分区（通常是Linux的/boot分区，格式为ext4等）下的/grub/目录中，寻找并读取它的“施工图纸”—— grub.cfg 文件。这个文件包含了所有启动菜单项和要执行的命令。

2. 解析配置并度量:

• GRUB开始逐行解析grub.cfg。当它遇到一个被选择的menuentry（启动项）时，它会严格按照里面的命令执行。一个用于可信启动的配置片段可能如下：

menuentry 'Arch Linux (Trusted Boot)' {# 1. 动态加载TPM模块，让GRUB具备与TPM交互的能力insmod tpm# 2. 加载Linux内核。加载tpm.mod后，# linux命令会自动触发度量行为linux /boot/vmlinuz-linux root=UUID=... ro quiet# 3. 加载initramfs。同样，会被度量initrd /boot/initramfs-linux.img}

• 度量grub.cfg本身: GRUB会度量它解析的这些命令文本，并将结果扩展到PCR中（如PCR[8]），以确保配置本身未被篡改。

• 度量内核: 当执行linux命令时，GRUB首先将/boot/vmlinuz-linux文件完整读入内存，对其内容进行哈希计算（度量），然后通过tpm.mod将哈希值Extend到指定的PCR寄存器中（通常也是PCR[8]或PCR[10]）。

• 度量initramfs: 同样，initrd命令也会触发对/boot/initramfs-linux.img的度量，并将哈希值扩展到PCR中。

图2：GRUB 2 度量内核的详细流程

3.2 控制权的第二次交接 (GRUB -> Kernel)

完成所有度量后，GRUB将CPU的控制权正式交给内核的入口点。信任链的接力棒，至此成功传递给了操作系统。

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四、 阶段三：内核的全面守护 (IMA)

当内核开始运行时，信任链并没有结束，而是进入了一个更精细、更持续的阶段。Linux内核通过**完整性度量架构（Integrity Measurement Architecture, IMA）**来接管度量的职责。

4.1 IMA简介：将信任扩展到整个文件系统

IMA的目标，是将信任链从启动阶段的几个关键文件，延伸到系统运行过程中访问的每一个文件（包括应用程序、配置文件、库文件等）。

4.2 IMA-Measure：运行时度量

这是IMA最基础的功能。它的工作流程如下：

图2: IMA 度量流程

• 钩子 (Hook): IMA在内核的关键路径（如文件打开、执行execve、内存映射mmap）上设置了钩子。

• 度量: 每当有文件要被访问或执行时，钩子被触发，IMA子系统会先计算该文件的哈希值。

• 扩展: 计算出的哈希值被扩展到 PCR[10]（IMA专用的PCR寄存器）。

• 记录日志: 同时，IMA会将这次度量的详细信息（文件名、哈希值）记录在内存中的一个日志里，该日志可以通过/sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements查看。

通过这个机制，任何在系统运行时被加载的文件，都会留下“指纹”，确保了系统的动态可审计性。

4.3 IMA-Appraise：运行时强制访问控制

IMA-Appraise是IMA的进阶功能。它不仅度量，还会进行强制性的验证。

• 系统会预先为所有可信文件计算哈希，并将这些哈希值作为扩展属性（security.ima）存储在文件元数据中，并进行签名。

• 当IMA-Appraise启用时，每次文件被度量后，IMA会：

1. 检查文件是否有security.ima属性。

2. 验证属性中的哈希签名是否有效。

3. 比较实时计算的哈希值与属性中存储的“黄金哈希值”是否一致。

• 只有三者全部通过，才允许访问。否则，直接拒绝！ 这将可信启动从一个“只记录、不阻止”的模型，变成了一个主动防御的强制访问控制系统。

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五、 总结：一条完整的静态信任根 (SRTM) 链

综上所述，一条完整的Linux静态信任根链条，是一个分工明确、层层递进的接力过程：

| 阶段 | 负责组件 | 核心动作 | 主要度量目标 | 主要影响的PCR |

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| 阶段一 | UEFI 固件 | Secure Boot验证、度量 | 固件代码、扩展ROM、引导加载程序 | PCR[0-7] |

| 阶段二 | GRUB 2 | 解析配置、度量 | grub.cfg命令、内核、initramfs | PCR[8-9] |

| 阶段三 | Linux 内核 (IMA) | Hook关键路径、度量 | 应用程序、库、配置文件等 | PCR[10] |

从硬件上电到每一个应用被执行，每一步的控制权交接都伴随着“验证”与“度量”，确保了信任从一个绝对可信的硬件根（TPM），一路传递到运行中的整个操作系统，最终形成了一个坚实、可审计、可验证的安全基础。