QNX Trusted Disk (QTD) 的原理及数据保护机制

原理

QNX Trusted Disk (QTD) 是一种用于 QNX 实时操作系统（RTOS）的安全存储解决方案，旨在提供数据完整性保护，特别是在安全启动环境中。QTD 通过将传统的文件系统放入一个保护层中，确保了存储在其中的数据不会被篡改。

QTD 的核心机制包括：

1. 哈希树（Merkle Tree）：

   • QTD 使用哈希树结构来验证数据完整性。每个数据块都通过哈希算法生成哈希值，这些哈希值进一步组合成更高层次的哈希，直到形成一个根哈希。根哈希确保了整个数据结构的完整性和一致性。
   • 支持的哈希算法包括 SHA-256 和 SHA-512。

2. 公钥基础设施（PKI）加密签名：

   • QTD 使用数字签名来保护其元数据。这些签名由一对公钥和私钥生成，确保只有经过授权的修改才能生效。验证时使用预先存储的公钥对签名进行验证，确保数据未被篡改。

3. 只读保护：

   • QTD 设备默认是只读的，防止未经授权的写操作，从而进一步增强数据的安全性。

数据保护机制

QTD 通过以下几种方式保护数据：

1. 完整性检查：

   • 在每次读取数据时，QTD 驱动程序会使用哈希树验证数据的完整性。如果哈希验证失败，系统会返回错误而不是错误数据，从而避免数据损坏或被篡改。

2. 数字签名验证：

   • 在挂载 QTD 分区时，系统会验证元数据的数字签名。只有签名验证通过，系统才会允许访问这些数据。这样可以防止恶意篡改和未经授权的访问。

3. 缓存优化：

   • 为了提高性能，QTD 使用缓存来存储哈希计算结果，减少重复计算的开销。尽管如此，缓存机制设计上确保了不牺牲安全性。

示例

使用 QNX 的工具可以创建和管理 QTD 分区：

1. 创建 QTD 映像：

   • 使用 mkqfs 工具生成一个 QTD 文件系统映像，该工具支持各种参数来配置哈希算法和加密签名。

2. 挂载 QTD 分区：

   • 使用 mount 命令挂载一个 QTD 分区或映像。例如：

     mount -t qtd -o key=/path/to/public_key.pem /dev/hd0t79 /mnt/qtd
     

3. 验证完整性：

   • 在挂载时可以选择执行完全的磁盘验证，以确保整个文件系统的完整性。

结论

QNX Trusted Disk 提供了一个强大的机制来保护存储数据的完整性和安全性，尤其适用于需要高度安全性的嵌入式系统环境。通过哈希树和公钥基础设施，QTD 确保了只有经过授权的修改才能影响数据，防止篡改和损坏。同时，通过优化的缓存机制，QTD 在保持高安全性的同时，尽量减少性能损失。

作者简介：https://shimo.im/docs/rp3OVwxle2fJn7Am/
上海徐汇
2024年6月6日