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1.1 ARMv8/ARMv9安全扩展

news 2025/7/12 19:13:15

1.1.1 ARM架构安全演进

ARM架构从v7到v9的安全演进路线：

ARMv7：引入TrustZone技术，提供硬件隔离的安全世界与非安全世界
ARMv8：扩展TrustZone到64位架构，增加异常级别(EL)机制
ARMv8.1：引入虚拟化扩展(VHE)和PAN(Privileged Access Never)特性
ARMv8.2：增加指针认证(PAC)和分支目标识别(BTI)
ARMv8.3：引入指针认证和嵌套虚拟化
ARMv8.4：增强内存标记扩展(MTE)和安全EL2
ARMv8.5：引入内存标记和分支记录
ARMv9：引入机密计算架构(CCA)和领域管理扩展(RME)

1.1.2 ARMv8安全特性

异常级别(EL)安全模型

异常级别	特权级别	典型用途
EL0	用户态	普通应用
EL1	操作系统	Linux内核
EL2	虚拟化	Hypervisor
EL3	安全监控	TF-A固件

关键安全扩展

TrustZone：
- 硬件强制隔离安全世界(Secure World)与非安全世界(Normal World)
- 通过NS比特位实现状态切换
- 安全外设总线(APB)保护
虚拟化扩展：
- 支持Type-1和Type-2 Hypervisor
- 虚拟异常级别(VHE)允许EL1直接运行Hypervisor

指针认证(PAC)：

使用加密签名保护指针完整性
防止ROP/JOP攻击

// 指针签名示例
void* __ptrauth_sign_function(void* ptr, uint64_t key);

1.1.3 ARMv9安全创新

机密计算架构(CCA)

领域管理扩展(RME)：
- 引入新的执行领域(Realm)
- 四世界模型：安全、非安全、领域、Root
- 硬件强制内存隔离
内存标记扩展(MTE)：
- 每16字节内存附加4位标记
- 检测缓冲区溢出和use-after-free漏洞
```
// MTE指令示例
STG x0, [x1]   // 存储带标签数据
LDG x2, [x1]   // 加载带标签数据
```

增强的隔离机制

颗粒度保护表(GPT)：
- 页级内存访问控制
- 支持动态权限调整
分支目标识别(BTI)：
- 防止JOP攻击
- 需要显式标记合法跳转目标

1.1.4 安全扩展的TF-A支持

TF-A对不同架构版本的支持矩阵：

特性	ARMv8.0	ARMv8.4	ARMv9.0	TF-A支持版本
TrustZone	✓	✓	✓	全版本
S-EL2	✗	✓	✓	v2.5+
RME	✗	✗	✓	v2.8+
MTE	✗	✓	✓	v2.7+
PAC	✗	✓	✓	v2.6+

1.1.5 安全扩展配置示例

典型TF-A编译选项启用安全扩展：

# Makefile配置示例
ENABLE_PAUTH   = 1      # 启用指针认证
ENABLE_BTI     = 1      # 启用分支目标识别
ENABLE_RME     = 1      # 启用领域管理扩展
ENABLE_TRF     = 1      # 启用跟踪过滤

硬件寄存器配置示例（ARMv8.4+）：

// 启用EL2安全模式
write_scr_el3(read_scr_el3() | SCR_HCE_BIT | SCR_NS_BIT);// 配置指针认证密钥
write_apiak_el1((uint64_t)&pauth_key);
write_apia_keyhi_el1(0);
write_apia_keylo_el1(0);