基于可信硬件的智能手机短信加密方案

２０１６年第４期　

文章编号：１００６－２４７５（２０１６）０４－００２９－０７　

计算机与现代化　

ＪＩＳＵＡＮＪＩ　ＹＵ　ＸＩＡＮＤＡＩＨＵＡ　第２４８期　

基于可信硬件的智能手机短信加密方案　

马明阳　

（上海交通大学软件学院，上海２００２４０）　

摘要：手机短信已成为手机应用中双因子验证的常用方法，广泛用于网站登录、移动支付、银行转账等关键应用中。许多　

恶意软件利用手机系统漏洞来窃听短信和截取用户的验证码，从而对用户的财产安全造成了巨大的威胁。为防御这类　

恶意软件，许多基于对称密钥、公私钥体制等加密算法的手机短信加密软件已经被开始使用，给用户带来了较大便利。　

然而此类解决方案并不能保证在智能手机操作系统被攻破时短信明文数据与密钥数据的安全性。本文提出的ＴｒｕｓｔＳＭＳ　

系统通过利用ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术，可以同时保证短信数据在传输过程中与在智能手机操作系统内的安全性。本文在三　

星Ｅｘｙｎｏｓ　４４１２开发板上实现了ＴｒｕｓｔＳＭＳ的原型系统，实验数据表明ＴｒｕｓｔＳＭＳ系统对智能手机操作系统产生的影响极　

小，性能开销则低于１％。　

关键词：短信加密；ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术；ＮＴＲＵ公钥密码体制；移动安全　

中图分类号：ＴＰ３０９　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－２４７５．２０１６．４．０００７　

ＳＭＳ　Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　Ｓｃｈｅｍｅ　ｆｏｒ　Ｓｍａｒｔｐｈｏｎｅｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｔｒｕｓｔｅｄ　Ｈａｒｄｗａｒｅ　

ＭＡ　Ｍｉｎｇ—ｙａｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２００２４０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＳＭＳ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ａ　ｃｏｍｍｏｎ　ｕｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｔｗｏ．ｆａｃｔｏｒ　ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉＳ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒ　ｗｅｂｓｉｔｅ　ｌｏｇｉｎ，ｍｏｂｉｌｅ　

ｐａｙｍｅｎｔ，ｂａｎｋ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍａｎｙ　ｍａｌｉｃｉｏｕｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｔａｋｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｍｏｂｉｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　

ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｉｅｓ　ｔｏ　ｅａｖｅｓｄｒｏｐ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｃｅｐｔ　ＳＭＳ　ｏｒ　ｆｕｓｅｒｓ’ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ　ｃｏｄｅ，ｗｈｉｃｈ　ｂｒｉｎｇｓ　ａ　ｇｒｅａｔ　ｔｈｒｅａｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＵＳ—　

ｅｒ’Ｓ　ｐｒｏｐｅ￣ｙ．Ｔｏ　ｄｅ￣ｎｄ　ｓｕｃｈ　ｍａｌｉｃｉｏｕｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｍａｎｙ　ＳＭＳ　ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　ｋｅｙ　ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ａｌｇｏ－　

ｒｉｔｈｍ　ｏｒ　ｐｕｂｌｉｃ／ｐｒｉｖａｔｅ　ｋｅｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｔａｒｔｅｄ　ｕｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ　ｂｒｉｎｇ　ｒｅａｔｇ　ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｕｃｈ　ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ　

ｃａｎｎｏｔ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＭＳ　ｐｌａｉｎｔｅｘｔ　ｏｒ　ｅｖｅｎ　ｔｈｅ　ｓｅｅｄｓ　ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ＯＳ　ｉｓ　ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓ—　

ｅｎｔｓ　ＴｒｕｓｔＳＭＳ（Ｔｒｕｓｔｅｄ　Ｓｈｏａ　Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ），ａ　ｓｅｃｕｒｅ　ＳＭＳ　ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｒｕｓｔＳＭＳ　

ｃａｎ　ｎｏｔ　ｏｎｌｙ　ｐｒｏｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｉｄｅｎｔｉｆｌｉａｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＭＳ　ａｇａｉｎｓｔ　ａ　ｍａｌｉｃｉｏｕｓ　ｍｏｂｉｌｅ　ＯＳ．ｂｕｔ　ａｌＳＯ　ｇｕａｒａｎｔｅｅ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｅｎｄ．ｔｏ．ｅｎｄ　ＳＭＳ　

ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ａ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｏｆ　ＴｒｕｓｔＳＭＳ　ｉｓ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｏｎ　Ｓａｍｓｕｎｇ　Ｅｘｙｎｏｓ　４４１２．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ　ｒｅｓｕｌｔａｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ＴｒｕｓｔＳＭＳ　ｈａｓ　

ｓｍａｌｌ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｏｂｉｌｅ　ＯＳ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｉｓ　ｌｅｓｓ　ｔｈａｎ　１％．　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＭＳ　ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ；ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ＮＴＲＵ　ｐｕｂｌｉｃ—ｋｅｙ　ｃｒｙｐｔｏｓｙｓｔｅｍ；ｍｏｂｉｌｅ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　

０　引　言　

近年来，随着智能手机设备的快速发展与普及，　

短信正在身份认证、日常交流等领域起到越来越重要　

的作用ｕ　Ｊ。基于用户绑定性强、不需要额外设备、用　

户广泛拥有、校验成本极低等特点，短信被广泛地应　

络中是明文传输的，而ＧＳＭ标准中用于手机到基站　

连接加密的Ａ５算法却极易被攻破　，因此，对短信　

明文数据加密后再进行传输很有必要。有许多解决　

方案基于对称密钥或公私钥体制的加密算法对短信　

明文数据进行加密传输　剖，这些方案大多基于用户　

态应用软件实现，依靠加密算法保证短信明文数据的　

用于双因子验证解决方案中　Ｊ。然而，短信功能的　

使用却在当前面ｌ临着许多安全方面的威胁　Ｊ，如窃　

听、拦截和篡改等攻击手段。由于短信数据在手机网　

安全性。在另一方面，用户智能手机操作系统自身也　

面临着十分严峻的安全问题。　

首先，当智能手机操作系统被攻破时，短信明文　

收稿日期：２０１５．１２．１５　

基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１３０３０１１）；上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目（２０１５０１．ＹＰ—　

Ｂ１０８－０１２）　

作者简介：马明阳（１９９０·），男（回族），黑龙江哈尔滨人，上海交通大学软件学院硕士研究生，研究方向：移动安全。　

３０　计算机与现代化　２０１６年第４期　

数据与密钥数据的安全性都无法得到保证。例如，攻　

击者可以通过截屏的方式获取包含短信明文数据的　

屏幕截图　Ｊ　而如果用户用于收发短信的应用程序　

被篡改，被恶意注入的代码可以隐蔽地将短信明文数　

据发送给攻击者¨　。此外，一个恶意的操作系统甚　

至可以直接存内存或持久化存储设备中删除用于收　

ＤＲＡＭ），它们通过ＡＸＩ总线相互通信。通过使用　

ＡＸＩ．ｔｏ．ＡＰＢ桥，ＳｏＣ可以实现与外部设备的通信功　

能。ＡＸＩ—ｔｏ．ＡＰＢ可以获取当前访问外部设备事务的　

安全屙Ｉ生，当普通世界下的事务访问一个屙ｌ生被设置　

为安全的外部设备时，ＡＸＩ—ｔｏ—ＡＰＢ会拒绝该访问。　

安全ＲＡＭ与安全ＲＯＭ利用软硬件机制进行隔离，　

它们用于存储安全世界中执行的操作系统。核心处　

理器工作在２种模式下：安全世界与普通世界。Ｔｚ—　

ＰＣ用于设置外围设备的安全属性；ＴＺＡＳＣ负责控制　

发短信的应用程序文件或短信明文数据以及密钥数　

据，导致短信收发功能无法正常使用，用户短信数据　

永久性丢失等严重后果。　

针对上述问题，本文提出ＴｍｓｔＳＭＳ（Ｔｒｕｓｔｅｄ　

Ｓｈｏｒｔ　Ｍｅｓｓａｇｅ　Ｓｅｒｖｉｃｅ）系统：一个可信的智能手机短　

信加密解决方案，通过采用ＮＴＲＵ公钥密码体制实现　

在智能手机平台上对短信数据的快速加解密，保证短　

信数据在传输过程中的安全性；通过利用ＡＲＭ　Ｔｒｕｓｔ—　

Ｚｏｎｅ技术…　实现短信明文数据与智能手机操作系统　

的隔离以及可信的显示、输入功能，保证了在手机操　

作系统存不可信的情况下短信数据的安全性。　

１　背　景　

１．１　ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ安全技术　

ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术是在ＡＲＭ平台上建立硬件　

可信的技术，南ＡＲＭ公司在ＡＲＭ　ｖ６后期版本开始　

加入的安全拓展。与设计成固定功能设备并具有一　

个预定义的功能集的可信计算平台模块（ＴＰＭ，Ｔｒｕｓ—　

ｔｅｄ　Ｐｌａｔｆｏｒｍ　Ｍｏｄｕｌｅ）不同，ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ可以被认为是一　

种利用ＣＰＵ作为ＴＰＭ的更灵活的方法。在常规的　

正常世界之外，ＡＲＭ引入了一个特殊的ＣＰＵ模式　

“安全世界”，从而建立了“安全的世界”的概念。此　

外，ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ对状态的划分不仅限于ＣＰＵ，还　

包括系统总线、外同设备和内存控制器。当安全世界　

模式被激活时，安伞世界中运行的软件与在普通世界　

模式下运行的软件相比具有更高的访问权限。这样，　

一

些系统功能，特别是安全功能和加密认证等，可以　

隐藏在正常世界之外以保证安全性。毫无疑问，这一　

概念远远比ＴＰＭ芯片更灵活。　

图１清晰地展现了ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ硬件体系结构，包　

括片上系统（ＳｏＣ，Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｎ　Ｃｈｉｐ）与外围设备连接。　

ＳｏＣ包括一个核心处理器、直接内存访问（ＤＭＡ，Ｄｉ—　

ｒｅｃｔ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ａｃｃｅｓｓ）、安全的ＲＡＭ、安全的引导　

ＲＯＭ、通用中断控制器（ＧＩＣ，Ｇｅｎｅｒｉｃ　Ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ　Ｃｏｎ—　

ｔｒｏｌｌｅｒ）、ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ地址空间控制器（ＴＺＡＳＣ，Ｔｒｕｓｔ—　

Ｚｏｎｅ　Ａｄｄｒｅｓｓ　Ｓｐａｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ保护控制器　

（ＴＺＰＣ，ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、动态内存控　

制器（ＤＭＣ，Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）和动态随机　

存取存储器（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ，　

对ＤＲＡＭ安全属性的划分，它可以将一部分ＤＲＡＭ　

设置为安全的，其余部分设为非安全的，如果处于非　

安全世界的处理器对安全的内存发起访问，该请求会　

被拒绝。普通世界下的ＤＭＡ对安全内存的访问也会　

被拒绝，这保证了安全内存不会被非安全世界下的软　

件或硬件访问。中断控制器ＧＩＣ负责控制所有中断　

信息，可以将某些中断设置为安全的，某些中断设置　

为普通的。　

ｆ　１　

Ｊ　用中断控制剥【安全ＲＡＭｊ【安全启动ＲｏＭＪ　

：　

ＡＸＩ总线　

￡　￡　

厂Ｔ＼空间控制器，ｒｕｓｔＺｏｎｅ地址、　‘　ｓｔＺ。ｎｅ￣）－（ＡＸＩ—ＡＰＢ￣）　

Ｉ　ｔＪ　外部设备　、　

态内　控制　｝区　

护　

外部设　

备保护　（其他外部设备）　

＿＋（　触摸屏　）　

（ＤＲＡＭ卜一．　　＿＋（显示没备）　

Ｉ．．．．．．．．．．．．．．一　＿．（用户自定义按键）　

＼　／　

图１　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ硬件架构　

１．２　ＮＴＲＵ公钥密码体制　

ＮＴＲＵ（Ｎｕｍｂｅｒ　Ｔｈｅｏｒｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｕｎｉｔ）算法是由　

布朗大学的３位数学家Ｊ．Ｈｏｆｆｓｔｅｉｎ，Ｊ．Ｐｉｐｈｅｒ和Ｊ．Ｈ．　

Ｓｉｌｖｅｒｍａｎ在１９９６年提出的一种全新的公钥密码体　

制。ＮＴＲＵ算法的安全性基于数论中从一个非常大　

的维数格中寻找一个最短向量的困难性。由于该算　

法只使用了简单的模乘法和模求逆运算，因而具有产　

生密钥容易，加解密速度快，内存占用低等优点　。　

ＮＴＲＵ算法很好地解决了公钥密码体制加解密效率　

较低的难题，也十分适合应用于系统资源相对受限的　

智能手机平台。与ＲＳＡ算法相比，ＮＴＲＵ的密钥生成　

速度快２００倍，加密速度比ＲＳＡ－２０４８快１０００倍，解　

密速度快３０倍¨　。　

１．３威胁模型　

本文假设运行在普通世界中的手机操作系统极　

易受到恶意代码的攻击，甚至会被用于直接攻击用户　

短信数据。　

２０１６年第４期　马明阳：基于可信硬件的智能手机短信加密方案　

１）恶意代码可能会试图通过直接读取内存或显　

示设备数据的方式获取短信数据；２）恶意代码可能　

通过搜索存储设备的方式来试图获取用于加密短信　

的密钥数据；３）恶意代码可能通过篡改ＴｒｕｓｔＳＭＳ的　

代码或控制流窃取短信数据明文。　

直接针对硬件的攻击则不在本文的讨论范围内，　

本文假设攻击者可以物理接触到移动设备，同时运行　

在安全世界中的代码都是可信的。　

１．４相关工作　

目前的手机平台端到端短信加密解决方案大多　

假设用户持有的智能手机可信，依靠所选取的加密算　

法的安全性保证短信明文数据的安全性　。　。此类　

解决方案可以较为有效地抵御在短信数据传输过程　

中针对ＧＳＭ等传输协议的缺陷所进行的短信包窃　

听、拦截、修改等攻击手段，却极易受到来自智能手机　

内部的恶意程序或恶意操作系统的攻击。　

本文利用支持ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术的智能手机　

设备上的可信硬件，将短信加密系统ＴｒｕｓｔＳＭＳ与易　

受攻击的普通世界操作系统隔离，从而为用户提供可　

信的短信数据加解密功能与短信明文数据的显示、输　

入功能。　

２　ＴｒｕｓｔＳＭＳ框架设计　

２．１概述　

本文利用ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术设计并实现了可　

信智能手机短信加密系统ＴｒｕｓｔＳＭＳ，其基础框架如图　

２所示。一个手机Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统运行在普通世界　

中，ＴｒｕｓｔＳＭＳ进程运行在安全世界的Ｔ６操作系统　

中，包含３个主要组件：基于ＮＴＲＵ算法的短信数据　

加解密程序、可信显示控制器和可信触摸屏驱动。运　

行在普通世界Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统内的代理程序负责　

接收用户输入。当用户长按某个短信密文文本框时，　

代理程序主动切换至安全世界，执行ＴｒｕｓｔＳＭＳ程序　

进行解密操作并将短信明文数据显示给用户。当用　

户选择发送短信功能时，代理程序先切换至安全世　

界，等待用户输入短信明文，加密后将短信密文数据　

传回普通世界的代理程序并继续短信发送流程。　

由于ＴｒｕｓｔＳＭＳ与普通世界中的操作系统共享相　

同的显示设备，因此需要一个安全显示控制器来保证　

短信明文数据的显示安全，一块安全显示缓冲区将被　

保留以用于存储需要显示的短信明文数据。同时为　

了支持新建短信的功能，ＴｒｕｓｔＳＭＳ需要提供可信的触　

摸屏驱动以便用户进行输入。　

图２　ＴｒｕｓｔＳＭＳ基础框架　

２．２短信数据加解密过程　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ中的短信数据加解密功能基于ＮＴＲＵ　

公钥密码体制实现。建立ＮＴＲＵ密码体制需要３个　

整数参数（Ｎ，Ｐ，ｑ）和４个次数为Ｎ～１的多项式集　

合Ｌｆ，Ｌ　，　，Ｌ　。其中Ｐ和ｑ互素，且ｑ远大于Ｐ。　

２．２．１密钥生成　

首先随机选取２个多项式ｆ，ｇ∈Ｌ　，且ｆ关于模　

Ｐ和模ｑ的逆Ｆｐ，Ｆｑ必须存在，即：　

Ｆ

。　

ｆ　１（ｍｏｄ　ｐ）　（１）　

Ｆ。　ｆ　１（ｍｏｄ　ｑ）　（２）　

然后计算：　

ｈ＝Ｆ　ｇ（ｍｏｄ　ｑ）　（３）　

由此得到多项式ｈ为公钥，多项式ｆ为私钥，但　

在实际中也需要存储Ｆ　作为私钥的一部分，记为（ｆ，　

Ｆ　）。客户端将私钥保存在可信持久化存储设备中，　

将公钥上传至ＴｒｕｓｔＳＭＳ服务器供其他通信方发送短　

信时用于加密。　

２．２．２加密过程　

首先，发送方选择出需要加密的短信明文数据　

１ＴＩ，然后随机选择一个多项式　∈Ｌ　，从ＴｒｕｓｔＳＭＳ服　

务器获取接收方的公钥ｈ后计算：　

ｅ　ｐ　ｈ＋ｍ（ｍｏｄ　ｑ）　（４）　

ｅ即为加密后的短信密文数据。　

２．２．３解密过程　

接收方收到加密后的消息ｍ后，用自己的私钥　

（ｆ，Ｆ　）进行解密。首先计算：　

ｉｆ　ｅ（ｍｏｄ　ｑ）　（５）　

这里选择的仅的系数在一ｑ／２到ｑ／２之间，然后　

计算：　

３２　

Ｆ。　（ｍｏｄ　ｐ）　

计算机

（　

与现代化　２０１６年第４期　

２

５可信触摸屏　

．

计算结果即为短信数据明文。　

２．３可信显示　

ＴｍｓｔＳＭＳ需要一个可信的图形化用户界面以向　

除了显示解密后的短信明文数据外，ＴｍｓｔＳＭＳ还　

支持对新建短信数据的加密。当用户需要向其联系　

人发送短信时，首先需要在相关的认证系统注册并获　

取共享密钥，然后将密钥数据输入到智能手机中。基　

于对普通世界中操作系统的不信任，ＴｒｕｓｔＳＭＳ提供了　

在安全世界中的输入支持以便于用户输入要发送的　

用户显示解密后的短信明文数据，可信显示控制器负　

责将显示数据从安全显示缓冲区复制到显示设备上。　

由于智能手机通常只有一块显卡和一个显示屏，这些　

硬件设备由安全世界和普通世界共享，因此为了防止　

短信明文数据被泄露，需要将显示数据缓冲区预先保　

留一部分作为安全显示缓冲区，并标记为安全状态。　

系统切换至安全世界后，ＴｍｓｔＳＭＳ首先保存显卡和显　

示设备的状态，然后重新设置安全显示缓冲区数据为　

需要显示的短信明文数据，显示完成后清除当前数据　

并恢复普通世界操作系统的显示状态，最后切换回普　

通世界。　

２．４可信启动　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ在系统启动时被加载至安全世界并一　

直持续到系统重启或关机，系统启动流程如图３所　

示。手机开机后首先执行只读存储器（ＲＯＭ）中的代　

码，将可信引导装载程序从可信持久化存储设备中加　

载至安全内存，之后可信引导装载程序取得系统控制　

权并开始初始化安全世界。完成后将Ｔ６操作系统的　

镜像文件从可信持久化存储设备中加载至安全内存，　

再将不可信的引导装载程序和Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统镜　

像文件加载至普通世界的不可信内存。最后，可信引　

导装载程序将系统ＣＰＵ状态从安全状态切换至非安　

全状态，并执行不可信的引导装载程序。不可信引导　

装载程序对普通世界进行初始化并开始启动普通世　

界的操作系统。　

当用户在普通世界启动ＴｍｓｔＳＭＳ程序后，长按　

已收到的短信文本框或点击新建短信将触发可信切　

换。此时普通世界的操作系统将被挂起，系统切换至　

安全世界，根据切换请求解密选中的短信或开始等待　

用户输入新建短信内容。切换请求基于普通世界　

ＴｍｓｔＳＭＳ代理程序主动调用ＳＭＣ（Ｓｅｃｕｒｅ　Ｍｏｎｉｔｏｒ　

Ｃａｌ１）命令切换至安全世界实现。　

普通世界　：　安全世界　

Ｉ

●　

　启动电源　

图３　ＴｕｓｔＳＭＳ可信启动顺序　

短信明文数据。　

３　ＴｒｕｓｔＳＭＳ框架实现　

３．１概述　

本文在一款三星Ｅｘｙｎｏｓ　４４１２开发板上实现了　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ的原型系统，包括可信启动路径实现、基于　

ＮＴＲＵ算法的短信数据加解密程序、可信显示控制器　

和可信触摸屏驱动。　

３．２可信持久化存储　

提供可信的持久化存储功能是ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术的　

一

项关键特性，然而ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ将具体的实现机制交　

由厂商决定，因此不同厂商或许会对存储资源的分配　

与隔离存在不同的设计方案。为了防止某些厂商不　

提供专用的可信持久化存储设备，可将已有的持久化　

存储设备转为可信设备。　

智能手机通常都装有多种持久化存储设备。例　

如，智能手机一般将一块ＮＡＮＤ闪存卡作为主存储　

设备，将ＭｉｃｒｏＳＤ卡设为扩展存储设备。因此，可以　

将其中一块存储设备设为只允许在安全世界访问，将　

另一块存储设备提供给普通世界使用。由于在Ｅｘｙ—　

ｎｏｓ　４４１２开发板上没有ＮＡＮＤ闪存卡，但拥有一个　

ＭｉｃｒｏＳＤ卡接口和若干ＵＳＢ接口，因此ＴｒｕｓｔＳＭＳ的　

原型系统将ＭｉｃｒｏＳＤ卡分配给安全世界使用，而将一　

块８　Ｇ存储空间的Ｕ盘分配给普通世界使用。在　

ＭｉｃｒｏＳＤ卡中存储了可信引导装载程序、ＴｍｓｔＳＭＳ可　

执行程序、不可信的引导装载程序和普通世界操作系　

统的镜像。在不可信的ｕ盘中则只保存了普通世界　

操作系统的文件系统。由于不可信的引导装载程序　

和普通世界操作系统的镜像均保存在可信ＭｉｃｒｏＳＤ　

卡中，系统可以保证即使普通世界操作系统受到了攻　

击或破坏，它的静态内核镜像仍然是安全的，并且可　

以在系统重启之后恢复。本文修改了Ａｎｄｒｏｉｄ操作　

系统的ｉｎｉｔ．ｒｅ文件以使普通世界操作系统启动时将　

Ｕ盘加载为文件系统。　

３．３　内存隔离　

Ｅｘｙｎｏｓ　４４１２开发板提供了内存标记机制以将安　

２０１６年第４期　马明阳：基于可信硬件的智能手机短信加密方案　３３　

全内存区与非安全内存区隔离，通过多主存多内存接　

口（Ｍ４ＩＦ，Ｍｕｌｔｉ　Ｍａｓｔｅｒ　Ｍｕｌｔｉ　Ｍｅｍｏｒｙ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）控制。　

Ｅｘｙｎｏｓ　４４１２开发板包含２块５１２　ＭＢ大小的ＲＡＭ空　

间，Ｍ４ＩＦ最高可以设置２５６　ＭＢ大小的连续安全内　

存。在ＴｒｕｓｔＳＭＳ的原型系统中将ＲＡＭ最高位的１６　

ＭＢ内存保留为安全内存。显示缓冲区包含８００×　

４８０个像素点，每个像素点由２字节ＴＧＢ５６５值控制。　

系统在启动时即将ＮＴＲＵ密钥数据读人到安全内存　

中，可以大大减少短信密文数据解密是的时间消耗。　

３．４可信启动　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ系统的详细启动过程如图４所示。当　

手机开机时系统首先执行ＲＯＭ中的代码，将可信启　

动装载程序从ＭｉｃｍＳＤ卡中加载至安全内存，可信启　

动装载程序负责将ＴｒｕｓｔＳＭＳ从ＭｉｃｒｏＳＤ卡中加载至　

安全内存，并将不可信启动装载程序和普通世界操作　

系统的镜像加载至非安全内存。最后，可信启动装载　

程序将系统切换至普通世界并执行不可信启动装载　

程序，初始化普通世界的环境设置，启动普通世界操　

作系统，随后将ｕ盘加载为普通世界操作系统的文　

件系统。启动时系统会检查可信启动装载程序和　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ镜像的完整性，以确保对篡改ＭｉｃｒｏＳＤ卡上　

静态存储数据行为的检测。　

普通世界　

安全世界　

ＭｉｃｒｏＳＤ￣　

普通世界操作系统镜像文件　

ｌ赢　不可信引导装载程序ｌ蒜　ｉＩ学　可信引导　

：　非安全内存　／　

Ｉ

ｌ

Ｊ

７Ｉ

不－－－

礞　

可－－信．－－．－引－草　蠡藕每；

／　

Ｉｒ：　ｒ　ＩＩ　意　一ｊ．　可信引导装载程序！　Ｉｉ：

图４　ＴｍｓｔＳＭＳ可信引导装载流程　

３．５短信密文加密　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ原型系统实现了基于ＮＴＲＵ公钥密码　

体制的短信数据加解密算法，并将ＮＴＲＵ开源项　

目¨　中的数据加解密相关代码移植到了安全世界　

中。　

ＮＴＲＵ加密算法的函数为ｎｔｒｕ—ｃｒｙｐｔｏ—ｎｔｒｕ—ｅｎｃｒ　

ｙｐｔ（），其声明如下所示：　

ｅｘｔｅｍ　ｕｉｎｔ３２

＿

ｔ　ｎｔｒｕ

—

ｃｒｙｐｔｏ＿ｎｔｒｕ＿ｅｎｃｒｙｐｔ（　

ｕｉｎｔｌ６

＿

ｔ　ｐｕｂｋｅｙ

＿

ｂｌｏｂ

＿

ｌｅｎ，　

ｕｉｎｔ８

＿

ｔ　ｃｏｎｓｔ　ｐｕｂｋｅｙ

＿

ｂｌｏｂ，　

ｕｉｎｔｌ６

＿

ｔ　ｐｔ——ｌｅｎ，　

ｕｉｎｔ８

＿

ｔ　ｃｏｎｓｔ　ｐｔ．　

ｕｉｎｔ８

＿

ｔ　｝ｃｔ）；　

ＮＴＲＵ加密函数的各个参数意义如表１所示。　

表１　ＮＴＲＵ加密算法参数　

参数　参数含义说明　

ｐｕｂｋｅｙｂｌｏｂ

ｌｅｎ　密钥长度　

ｐｕｂｋｅｙ

—

ｂｌｏｂ　密钥数据　

ｐｔ＿ｌｅｎ　明文数据长度　

ｐｔ　明文数据　

ｃｔ　ｌｅｎ　加密后得到的密文数据长度　

ｃｔ　加密后得到的密文数据　

ＮＴＲＵ解密算法函数为ｎｔｒｕ—ｃｒｙｐｔｏ—ｎｔｒｕ—ｄｅｃｒｙｐｔ　

（），其声明如下所示：　

ｅｘｔｅｍ　ｕｉｎｔ３２

一

ｔ　ｎｔｒｕ

＿

ｃｒｙｐｔｏ—ｎｔｒｕ—ｄｅｃｒｙｐｔ（　

ｕｉｎｔｌ６

ｔ　ｐｒｉｖｋｅｙ

＿

ｂｌｏｂ

ｌｅｎ，　

＿＿

ｕｉｎｔ８

＿

ｔ　ｃｏｎｓｔ　ｐｒｉｖｋｅｙ

＿

ｂｌｏｂ，　

ｕｉｎｔｌ６

ｔ　ｃｔ

＿＿

ｌｅｎ，　

ｕｉｎｔ８

＿

ｔ　ｃｏｎｓｔ　ｃｔ，　

ｕｉｎｔｌ６

＿

ｔ　ｐｔ＿ｌｅｎ，　

ｕｉｎｔ８

＿

ｔ　：Ｉｔ　ｐｔ）；　

ＮＴＲＵ解密函数的各个参数意义如表２所示。　

表２　ＮＴＲＵ解密算法参数　

参数　参数含义说明　

ｐｒｉｖｋｅｙ

＿

ｂｌｏｂ

＿

ｌｅ“　密钥长度　

ｐｒｉｖｋｅｙ

—

ｂｌｏｂ　密钥数据　

ｃｔ　ｌｅｎ　密文数据长度　

ｃｔ　密文数据　

ｐｔ＿ｌｅｎ　解密后得到的明文数据长度　

ｐｔ　解密后得到的明文数据　

３．６可信触摸屏驱动　

由于新建短信时用户需要在安全世界中输入准　

备发送的短信数据明文，安全世界必须包含一个可信　

的触摸屏驱动以确保用户输入不会被普通世界操作　

系统截获或屏蔽。在ＴｒｕｓｔＳＭＳ原型系统中，一个四　

线电阻式触摸屏连接至电源管理集成芯片（ＰＭＩＣ，　

Ｐｏｗｅｒ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ），ＰＭＩＣ监控触摸　

屏的电压值并将模拟信号转成代表触摸点ｘ—Ｙ坐标　

的数字信号，每次触摸的坐标值存储在ＰＭＩＣ的模拟　

信号．数字信号转换器（ＡＤＣ，Ａｎａｌｏｇｔｏ—Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔ—　

ｅｒ）寄存器中，值为０时表示当前没有触摸事件。　

当用户点击触摸屏时会触发一个ＰＭＩＣ中断，中　

断处理程序调用触摸屏驱动读取ＡＤＣ寄存器以获取　

此次触摸的位置信息，触摸屏驱动根据点击位置和当　

前显示信息执行相应的响应操作。由于触摸屏被普　

３４　计算机与现代化　２０１６年第４期　

通世界和安全世界共享，因此其拥有２个中断处理程　

序分别在２种模式下调用。当系统切换至安全世界　

后，触摸屏驱动被设置为安全状态，此后的所有触摸　

事件将由安全模式下的中断处理程序响应。当系统　

由安全世界切换至普通世界时，触摸屏中断将被重新　

设置为非安全中断。　

３．７可信显示控制器　

由于普通世界和安全世界共享ＬＣＤ显示屏，而普　

通世界操作系统极易受到攻击与篡改，为了防止其通过　

直接读取显示缓冲区数据的方式获得短信数据明文和　

密钥数据，安全世界必须拥有独立的显示缓冲区驱动。　

ＴｍｓｔＳＭＳ原型系统实现了可信显示控制器，直接　

在安全世界内设置开发板的图像处理单元（ＩＰＵ，Ｉｍ．　

ａｇｅ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）数据以显示短信明文数据。Ｅｘｙ—　

ｎｏｓ　４４１２开发板的显示系统主要由ＩＰＵ和ＬＣＤ显示　

器２部分组成，ＩＰＵ负责将数据从显示缓冲区发送至　

显示设备，ＬＣＤ则负责显示相应数据，其使用之前需　

要被初始化。　

在普通世界操作系统启动时，ＩＰＵ被设置为非安　

全状态，可以将非安全显示缓冲区的数据传送至ＬＣＤ　

显示器。当系统切换至安全世界时，可信显示控制器　

首先保存ＩＰＵ的当前状态，然后由可信触摸屏驱动对　

ＩＰＵ进行重新设置，并将其设置为安全状态，开始从　

预先保留的安全显示缓冲区读取数据。系统切换回　

普通世界前可信显示控制器会首先清除安全世界的　

显示数据，随后恢复之前保存的ＩＰＵ状态以保证普通　

世界操作系统正常运行。　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ保留了ＲＡＭ的１６　ＭＢ最高位内存作　

为安全内存，其中１５　ＭＢ用作安全显示缓冲区。显　

示缓冲区包含８００×４８０个像素点，每个像素点由２　

字节的ＲＧＢ５６５值控制。　

４实验与性能评估　

４．１实验环境　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ原型系统实现于一款三星Ｅｘｙｎｏｓ　４４１２　

开发板，该开发板配备了ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ—Ａ９处理器，　

ＣＰＵ频率为１．４　ＧＨｚ，普通世界运行的操作系统是Ａｎ－　

ｄｒｏｉｄ　ＩｃｅＣｒｅａｍ　Ｓａｎｄｗｉｃｈ（Ａｎｄｒｏｉｄ　４．０版本），Ｌｉｎｕｘ内　

核版本为３．０．２。运行在安全世界的安全操作系统为　

Ｔ６　ｌ１　

，

ｒｆ’ⅢｓｔＳＭｓ作为Ｔ６的一个安全应用程序运行。　

４．２性能评估　

首先测试ＴｒｕｓｔＳＭＳ原型系统中短信数据的解密　

与显示功能性能开销。从用户执行普通世界ＴｒｕｓｔＳＭＳ　

代理程序并长按某条短信密文数据选择解密触发可信　

切换后，到短信明文数据由ＬＣＤ显示给用户，系统执　

行主要分为４个步骤，各步骤的具体执行操作和所用　

时间如表３所示，实验选取的短信长度平均为３０个汉　

字，所用时间为３０次短信密文解密显示过程耗时的平　

均值。　

表３加密短信解密各步骤所用时间　

执行步骤　执行操作　所用时间／ｍｓ　

１　可信切换　０．００１３　

２　短信密文解密　１６．５７　

３　可信显示背景绘制　３５．６１　

４　短信明文绘制　５．７４　

从普通世界切换到安全世界需要１８５８个ＣＰＵ　

周期，共１．３　ＵＳ；短信密文解密函数执行平均需要　

１６．５７　ｍｓ；系统切换至安全世界后，为了便于用户交　

互，系统会重新设置显示缓冲区首先绘制纯色背景，　

此过程平均需要３５．６１　ｍｓ完成，这也是整个切换过　

程中最大的性能开销部分。最后系统根据解密后的短　

信数据明文将对应的像素点信息写入可信显示缓冲区　

以完成短信数据明文的显示，此步骤需５．７４　ｍｓ。　

综上，从用户选中短信密文选择解密到短信数据　

明文在屏幕上显示出来平均需要５７．９２　ｍｓ，而Ａｎ—　

ｄｒｏｉｄ操作系统的一次触摸屏点击事件响应时间通常　

需要６０　ｍｓ以上，用户在使用ＴｒｕｓｔＳＭＳ系统时几乎不　

会感受到延迟。　

对于发送短信时的加密过程，用户完成短信明文　

数据输入后系统会首先请求接收方最新的ＮＴＲＵ加　

密公钥数据，这一网络通信过程的性能开销受网络环　

境影响较大，在ＷｉＦｉ网络环境下３０次请求的平均用　

时为２１７．９１　ｍｓ，在４Ｇ网络环境下的平均用时为　

２７３．２２　ｍｓ。短信明文数据的平均长度为３０个汉字，　

３０次加密平均用时为９．１２　ｍｓ。因此用户完成短信　

明文数据输入后ＴｒｕｓｔＳＭＳ系统带来的额外开销不超　

过３００　ｍｓ，对用户体验影响较小。　

同时，智能手机作为与用户频繁交互的设备，对　

普通世界操作系统实时性要求很高，因此ＴｒｕｓｔＳＭＳ　

需要保证较低的性能开销以减小对用户体验的影响。　

本文采用Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统测评工具Ａｎｔｕｔｕ【１６］对启　

动时加载了ＴｒｕｓｔＳＭＳ的系统与原生的Ａｎｄｒｏｉｄ操作　

系统性能进行了对比。图５为测试结果，得分越高表　

示性能越好。从图中可知，加载了ＴｒｕｓｔＳＭＳ的系统　

具有较好的总体性能，其性能开销低于１％。这是由　

于ＴｒｕｓｔＳＭＳ几乎不对普通世界的Ａｎｄｒｏｉｄ操作系统　

做任何修改，只会对内存访问、外部存储设备访问性　

２０１６年第４期　马明阳：基于可信硬件的智能手机短信加密方案　３５　

能产生极低的影响。　

图５　Ａｎｔｕｔｕ测试结果　

５　结束语　

本文设计并实现了智能手机平台可信短信加密　

解决方案ＴｒｕｓｔＳＭＳ，通过利用ＡＲＭ　ＴｒｕｓｔＺｏｎｅ技术，　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ保证了短信数据在端到端传输中的安全性，　

同时可以抵御智能手机平台内普通世界操作系统针　

对短信明文数据与密钥数据的多种类型的攻击，保证　

了短信数据的加解密功能与显示功能正常、可信。　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ解决方案不需要对普通世界操作系统做任　

何修改，针对原型系统的性能测试显示其带来的性能　

开销低于１％。　

与传统基于对称密钥加密的解决方案相比，　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ系统由于密钥交换过程的存在，会额外产生　

２００　ｍｓ左右的延迟。一个可能的解决方案是参考动态　

口令生成算法设计一种轻量级的具有足够安全性的短　

信加密方案，以减少对通信和计算资源的消耗。同时　

本文的未来工作还将着眼于实现安全世界中不同安全　

进程之间的隔离以防止某些存在恶意的安全进程对　

ＴｒｕｓｔＳＭＳ进程进行攻击，一个可能的解决方案是将不　

同的安全进程运行在不同的Ｌｉｎｕｘ容器中＿１’ｊ。　

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Ｌｉｎ　Ｃｈｉａ—ｃｈｉ，Ｌｉ　Ｈｏｎｇｙａｎｇ，Ｚｈｏｕ　Ｘｉａｏｙｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｓｃｒｅｅｎ—　

ｍｉｌｋｅｒ：Ｈｏｗ　ｔｏ　ｍｉｌｋ　ｙｏｕｒ　Ａｎｄｒｏｉｄ　ｓｃｒｅｅｎ　ｆｏｒ　ｓｅｃｒｅｔｓ『Ｃ　１／／　

Ｔｈｅ　２１　ｓｔ　Ａｎｎｕａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄ　Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｅｄ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｅｃｕｒｉｔｙ　

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Ａｒｚｔ　Ｓ，Ｒａｓｔｈｏｆｅｒ　Ｓ，Ｂｏｄｄｅｎ　Ｅ．Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｎｇ　Ａｎｄｒｏｉｄ　ａｎｄ　

Ｊａｖａ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｓａ　ｅｓａｙ　ａｓ　ａｂｃ［Ｃ］／／Ｒｕｎｔｉｍｅ　Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ　

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Ｓｈｅｎ　Ｘｉａｏｙｕ，Ｄｕ　Ｚｈｅｎｊｕｎ，Ｃｈｅｎ　Ｒｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＮＴ—　

ＲＵ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｍｏｂｉｌｅ　Ｊａｖａ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ［Ｃ］／／Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　０ｎ　Ｓｃａｌａｂｌｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ／　

８ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ．　

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Ｕｂｕｎｔｕ　Ｗｉｋｉ．Ｂｏｏｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ａｎｄｒｏｉｄ　ＬＸＣ　Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ『ＥＢ／　

ＯＬ　１．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｉｋｉ．ｕｂｕｎｔｕ．ｃｏｍ／Ｔｏｕｅｈ／ＣｏｎｔａｉｎｅｒＡｒｃｈｉ．　

ｔｅｃｔｕｒｅ，２０１５—１２—１４．