深入浅出理解TEE

随着Face ID、指纹识别、5G、AI等技术的发展，移动互联网已经悄然根植于现代生活中，伴随着日常生活的移动化，移动终端中存储的各种敏感信息日益增多，移动终端自身的安全性面临着巨大的挑战。

移动端系统运行的环境叫做REE（Rich Execution Environment），在其中运行的系统叫做Rich OS（Operating System），如最常见的Android系统，但是REE是一个开放的环境，容易收到恶意软件的攻击，比如敏感数据被窃取、数字版权被滥用、移动支付被盗用等。因此，2010年7月GP（Global Platform，全球平台组织）提出了TEE(Trusted Execution Environment)可信执行环境的设计。TEE是一个与REE并存运行的独立执行环境，它具有其自身的执行空间，比Rich OS的安全级别更高，为Rich OS提供安全服务，如指纹的录入比对、支付校验认证等操作。本文主要介绍的是TEE基本原理和架构以及TEE与指纹识别技术的结合。

TEE基本原理

TEE是在Arm Trustzone技术上建立起来的一套可信执行环境，通过硬件和软件隔离，实现normal world和secure world，也就是REE和TEE。TrustZone 技术是基于 ARM 架构系统级别层次的对 service 以及 device 进行保护的一项技术, 为了支撑该保护技术, ARMV8 本身支持名为 secure mode 的模式，用来区分 normal mode， 其通过设置 Secure Configuration Register 系统寄存器来使能该模式的支持，该寄存器的最后 1 bit 为 0 的话，则表示当前 CPU 处于为 secure mode，如下图所示，并且 ARM 本身支持将系统资源配置成 secure 状态，通过操作 TZPC 控制寄存器可以将系统总线、内存、DMA、cache 等资源配置成 secure 态，配置成 secure 态之后，normal 端运行的程序无法访问其硬件资源。

TEE软件框架

Tbase的软件架构符合GPD TEE的基本构架，整个软件架构分为REE和TEE两部分，通过Monitor Mode进行安全和非安全状态切换。REE部分是指normal world，在REE中运行的系统和应用分别是Rich OS和CA。而TEE部分是指secure world，分别对应Trusted OS和TA。

REE中的系统结构：

• CA（Client APP）对应一些上层应用，比如指纹采集、支付应用等，通过调用TEE Client API实现与TEE环境的交互。
• REE Communication Agent为TA和CA之间的消息传递提供了REE支持
• TEE Client API是REE中的TEE驱动程序提供给外部的接口，可以使运行在REE中的CA能够与运行在TEE中的TA交换数据。

TEE中的系统结构：

• TA（Trusted Application）是TEE中完成特定功能的应用。由于TEE中完成计算因此具有较高的安全性。每一个TA在REE中有一个或者多个对应的CA，在REE环境中可以通过调用CA的接口，将信息传送到TEE环境中执行TA，完成对应功能然后返回计算结果。
• TEE Communication Agent是可信操作系统的特殊组成部分，它与REE Communication Agent一起工作，使TA与CA之间安全地传输消息。
• TEE Internal Core API是TEE操作系统提供给TA调用的内部接口，包括密码学算法，内存管理等功能。
• Trusted Device Drivers可信设备驱动程序，为专用于TEE的可信外设提供通信接口。
• Shared Memory是一块只有CA和TA可以访问的一块安全内存，CA和TA通过共享内存来快速有效传输指令和数据

CA与TA交互流程如下：CA首先调用TEE Client API触发系统调用，进入REE的操作系统内核态，根据CA调用的参数找到对应的REE驱动程序，REE驱动程序通过调用SMC汇编指令进入Monitor模式，并将处理器切换到安全内核状态，进入安全模式。切换进入TEE以后，CA的服务请求通过总线传到TEE侧，然后TEE OS通过TEE Internal API调用对应的TA，最后TA运行结束后将运行结果和数据返回给CA，执行完以后回到TEE内核态调用SMC汇编指令进入Monitor切回REE环境。

TEE软件流程

TEE技术日益发展成熟，例如Trustonic公司的Tbase，得到了GlobalPlatform授权认可的商业产品；Linaro开源的OPTEE；Samsung的Mobicore，主要应用在Samsung手机上；Qualcomm的QSEE，在高通CPU的手机平台上有广泛应用；华为的HW-iCOS,主要服务华为手机。

下面将介绍TEE的软件交互流程，使用GlobalPlatform组织定义的GP API接口。

CA与TA通信需要使用下列接口完成整个会话流程

CA侧接口如下：

• TEEC_InitializeContext:对变量Context进行初始化配置，用来建立CA和TEE的联系，向TEE申请共享内存地址用于存放数据。
• TEEC_OpenSession:建立一个CA和TA间的session，用于CA和UUID指定的TA进行通信，是CA连接TA的起始点。
• TEEC_InvokeCommand:依靠打开的session，将传送命令请求给TA，并将必要的指令执行参数一并发送给TA。
• TEEC_CloseSession:关闭session，关闭CA和TA之间的通道。
• TEEC_FinalizeContext:释放Context，结束CA与TEE的连接。

TA侧接口：

• TA_CreateEntryPoint:为CA建立接入点，使得TA可以被CA调用。
• TA_DestroyEntryPoint:移除CA的接入点，结束TA的功能。
• TA_OpenSessionEntryPoint:建立CA与TA之间的通讯通道，作为CA连接TA的起点。
• TA_CloseSessionEntryPoint:关闭CA与TA的通讯通道
• TA_InvokeCommandEntryPoint:接收CA传送的指令和参数，并在这TEE侧执行。

在 GP 标准中，CA 要与 TA 进行通信，需要建立如下所示的软件逻辑流程

1）首先CA 需要与 Trusted OS 之间建立一个 Context，以后此 CA 与 TEE 环境的所有通信均基于此 Context。

2）然后 CA 会向 Trusted OS 申请与请求的 TA 建立一个 Session。

3）CA 与 TA 之间的 Session 建立完成后，CA 就可以向 TA 发送 Command。

4）Command 及其参数会通过共享内存的方式传递，TA 从共享内存中获取到 CA 的请求以及请求参数。

5）TA 在 TEE 环境下执行处理，得到的处理结果重新填充到共享内存中，CA 通过共享内存就可以获取到处理结果。

6）获得处理结果后，如不需要进一步请求，则由 CA 发起关闭 Session 的请求，Trusted OS 回收 TA 相关资源，最后 CA 发起销毁 Context 的请求，完成一次完整交互。

TEE应用举例

由于tee有较高的安全性的同时，硬件成本和开发成本相对都不是很高，tee技术被广泛应用于移动设备中，下面将介绍在Android智能手机上电容指纹技术与TEE的结合。

指纹软件框架

如下图是Android上的指纹软件框架，REE环境下主要分为APP，Framework，HAL和linux kernel。APP主要负责指纹录入解锁调用逻辑，Framework主要负责回调HAL层相关函数，HAl层负责和硬件以及指纹TA交互。而TEE主要是指纹TA，指纹TA负责控制指纹sensor和执行指纹算法相关函数。

• Fingerprint TA:主要进行基本操作，比如控制finger sensor采图，特征提取，指纹算法处理等操作。
• finger CA:负责与Fingerprint TA进行通信，发送指令，向Fingerprint HAL提供REE与TEE的通信接口。
• Secure SPI driver：TEE与指纹sensor通信的SPI安全驱动
• finger lib:指纹算法库，主要是对指纹图像特征提取比对等算法实现
• Fingerprint HAL:指纹hal，调用CA的接口向TA下发指令，同时通过Fingerprint Device Driver实现对GPIO,Power，INT等管脚和功能控制。
• Fingerprint service:指纹framework，回调hal层相关函数，控制指纹录入解锁等流程
• App：指纹最上层的代码，主要是负责指纹录入解锁调用逻辑

指纹录入流程

Hal中指纹的录入流程为：指纹sensor初始化（begin enroll）->采图(do capture)->录入（do enroll)->结束录入(do enroll)->指纹模板存储（store template）。对应TA的录入流程为：指纹sensor init（begin enroll）->采图（capture image）->将采集的指纹数据传输回TA->录入(do enroll)->结束录入(end enroll)->模板加密存储到secure memory（encrypt）。

HAL中主要进行的是与TA交互，给TA发送指令，同时还会对指纹硬件进行操作，比如指纹sensor上下电等。TA收到CA的command，则需要处理敏感数据和一些安全性要求高的动作，如TA通过secure spi控制指纹sensor采图，图像传输，图像处理，图像比对，模板存储等。这些都是在TEE环境下进行操作的，所以指纹解锁是一种相对比较安全的解锁方式。

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