A UEFI System with SPDM to Protect Against Unauthorized Device Connections
本文提出并评估了一种开源UEFI系统，该系统利用安全协议与数据模型（SPDM）对PCIe和USB设备进行认证，成功阻止了未经授权的外设连接，且其启动开销可接受，指令开销约为13%，CPU周期开销约为8%。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象你的电脑是一座高安全级别的城堡。多年来，城堡的守门人（BIOS）有些过时且不一致；每当出现一种新型锁具，守门人就需要打补丁才能理解它。为了解决这个问题，城堡换上了一位名为UEFI的现代化、标准化的守门人。这位新守门人更快、更智能，但它仍有一个盲点：它信任任何手持看似有效徽章进入大门的人，即使该徽章属于一名间谍。
本文提出了一种全新的超安全系统，其中守门人不仅检查徽章，还会对每一台试图连接城堡的设备（从 USB 闪存盘到内部硬盘）进行严格、实时的背景调查。
以下是作者如何构建并测试该系统的简明说明：
1. 问题所在：“特洛伊木马”USB
攻击者可以通过插入恶意 USB 驱动器或篡改内部组件潜入电脑。一旦连接，这些设备便能在操作系统（如 Windows 或 Linux）启动之前安装病毒、窃取数据或接管系统。作者希望通过让电脑在允许任何设备执行任何操作之前验证其身份，来阻止此类攻击。
2. 解决方案：“秘密握手”（SPDM）
作者使用了一种名为SPDM（安全协议与数据模型）的协议。将 SPDM 想象成一种复杂且无法破解的秘密握手。
- 旧方式：电脑说“你好”，设备回答“嗨，我是鼠标”。电脑便信以为真。
- 新方式：电脑说“你好”。设备必须用加密证明（数字证书）回应，内容为“我是鼠标，这是制造商签署的我的身份证”。电脑会将此身份证与受信任颁发机构的列表进行核对。如果身份证是伪造的、过期的或缺失的，电脑会说“禁止进入”，并立即将该设备拒之门外。
3. 测试：数字沙盒
由于目前尚难找到支持这一新安全标准的真实硬件，作者构建了一台虚拟计算机（使用名为 QEMU 的工具）来测试其构想。
- 他们创建了一个“概念验证”（可运行的原型），其中虚拟计算机的守门人（UEFI）能够使用这种秘密握手与虚拟 USB 驱动器和虚拟硬盘进行通信。
- 他们还设置了一个“可信平台模块”（TPM），它相当于电脑内部的一个安全金库，用于存储主密钥并记录这些检查的结果。
4. 游戏规则
作者定义了“坏人”可能扮演的角色：
- 狡猾的员工：拥有电脑物理访问权限并插入恶意 USB 驱动器的人。
- 供应链破坏者：在电脑发货给客户之前，将合法硬盘替换为假冒硬盘的人。
- 内部人员：在组装过程中安装隐藏间谍芯片的工厂工人。
他们的系统旨在阻止所有这些情况。即使坏人替换了某个组件，新组件也不会拥有正确的数字签名，因此电脑将拒绝与其通信。
5. 结果：值得等待吗？
安全往往伴随着代价：速度。作者想知道：“由于所有这些检查，电脑启动会变慢多少？”
他们运行了虚拟计算机 10,000 次以获取准确数据。
- 代价：电脑启动（引导）时间增加了约8%，执行这些检查所使用的处理资源（指令）增加了约13%。
- 结论：作者认为，为了获得巨大的安全收益，这是一个非常小的代价。这就像在机场安检排队时多等几秒钟，以确保无人走私武器。这种延迟仅在开机时发生一次，而非每次使用时都出现。
6. 当出现问题时会发生什么？
作者测试了四种场景：
- 完美世界：一切均获授权。电脑正常启动。
- 固件被篡改：电脑自身的守门人代码被修改。系统立即停止并拒绝启动。
- 虚假签名：守门人代码完好，但数字签名错误。系统停止。
- 恶意设备：电脑尝试连接一个没有正确 ID 的 USB 驱动器。系统阻止该特定设备并拒绝加载它，从而有效中和威胁。
总结
简而言之，作者构建了一个原型，将电脑的启动过程转变为一个严格的安全检查站。利用名为 SPDM 的新标准，电脑强制所有连接设备在获准工作之前证明其身份。虽然这会使启动过程增加一点点时间（约 8%），但它为试图通过 USB 驱动器或篡改硬件潜入的黑客筑起了一道强大的屏障。作者已将其代码开源，以便其他安全专家利用它构建更强大的系统。
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