Linux安全启动及Machine Owner Key(UEFI BIOS MBR GPT GRUB)

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环境说明

  无

前言

  只要装过各种系统的人都或多或少会接触到UEFI或者BIOS这样的概念。本文也不会对这些概念进行详解，本文主要把这些概念串起来，并引入MOK(Machine Owner Key)。

  为什么需要MOK，是因为在使用现代linux系统时（如：PVE），如果我们需要自己安装一些自己构建的驱动（例如想实现gpu sr-iov），会用到此功能。

UEFI/BIOS

  BIOS (Basic Input/Output System) 和UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) 这两个名字或者功能我们非常的熟悉了，机器开机自检完成后，一般f2/del等进入的界面，就是这个系统在显示工作。如果我们不按f2/del等键，系统会默默运行BIOS或者UEFI，然后自动加载引导程序，然后加载OS来运行。

  UEFI主要是为了取代BIOS系统的，因为其有：支持更多分区、启动速度快、支持更多硬件、更加安全、维护简单（统一标准）等等优点。其有个大的缺点就是，有些时候会因为安全的问题，需要更多的设置过程。

  对于BIOS来说，机器开机自检完成后，自动读取MBR（Master boot record），一般在磁盘的开始的扇区，然后加载OS或者其他进行启动。注意，这里MBR分区是一种老旧的分区格式了。

  对于UEFI来说，机器开机自检完成后，自动读取GPT分区(GUID Partition Table)中的EFI分区，然后加载OS或者其他进行启动。

  总的来说，随着时间的推进，UEFI是一种标准，已经被各大厂商支持和实现了。BIOS其已经完成了其历史的作用，除了为了兼容老机器，否则我们不应该使用它。

Linux 在UEFI下，自构建驱动安装问题

  这里有一个背景知识，那就是现代的linux内核，在加载内核驱动的时候，一般都会对内核驱动做一系列校验，其中一项就是做签名校验，如果校验失败，内核拒绝加载驱动。对于这部分内容，可以参考《Linux驱动加载源码分析（安全加载 、签名、校验）》 https://www.cnblogs.com/Iflyinsky/p/18301894 一文。

  在《常用加密及其相关的概念、简介（对称、AES、非对称、RSA、散列、HASH、消息认证码、HMAC、签名、CA、数字证书、base64、填充）》 https://www.cnblogs.com/Iflyinsky/p/18076852 中我们介绍了签名的原理，这里简单提一下：首先有非对称加密算法生成公钥、私钥。然后对消息进行摘要，对摘要进行私钥加密得到签名，最后可以用公钥来验证（解密）此签名是否正确。

  那么对应到内核驱动签名验证这里就是：首先对驱动模块使用私钥进行签名，并将签名文件写入驱动模块文件中，当我们加载驱动模块时，内核会使用其带的公钥来对驱动模块进行签名验证。

  注意，这里有一个重要的问题是：内核带的公钥是哪里来的？一般来说，有两个渠道可以增加内核的公钥，一个是编译内核的时候，一个是通过运行时的一些方法动态写入一些公钥到内核。

Machine Owner Key

  在实际我们自己测试自己的驱动模块的时候，一般都会自己生成一个私钥，公钥对来对自己的驱动模块进行签名。但是在启用的UEFI+ 支持安全启动的linux系统上，我们的驱动模块是无法正常加载的，因为我们的驱动无法过签名验证。

  从上面的描述来看，如果要成功加载我们的内核模块，那么我们应该把我们的公钥传给内核。

  在解决怎么把公钥传给内核前，我们第一步要简单了解一下linux secure boot的简单流程：

• • 机器开机及硬件自检完成，然后进入uefi固件,uefi固件里面有微软公钥。
• • uefi加载shim固件（独立与linux发行版，被微软私钥预先签名，例如这个包： https://packages.debian.org/sid/amd64/shim-signed ）。此外shim有各大发行版公钥。
• • shim固件加载grub固件（grub固件被各大发行版私钥签名）。
• • grub加载linux签名内核。

  其实从上面的流程来看，就是一环环签名校验，保证了信任链的传递。

  回到我们之前的问题，我们怎么把我们私钥、公钥传给内核呢？必定是有一个工具能够将相关信息传进去，这个工具就是mokutil工具。

mokutil

  简而言之，shim除了自带发行版的公钥外，还维护一个用户可以操作的密钥数据库，里面存储的是Machine Owner Key。通过mokutil工具，我们可以增加和删除这些密钥。这样我们就可以将我们自己的模块签名公钥嵌入到了UEFI启动流程中去，然后根据适当的方法即可交给内核使用，并能够加载我们自己密钥签名的驱动程序。

  mokutil工具添加过程:

1. 1. 导入公钥

mokutil --import /var/lib/dkms/mok.pub 
# 并输入一次性密码

1. 2. 重启系统，此时新一次的uefi的启动流程会启动mok管理器，让用户按照要求注册新的密钥，并输入之前的一次性密码。(弹个框，自己选择，输入密码即可)
2. 3. 这样启动系统后，我们的密钥成功加载。
3. 4. 测试系统是否成功注册密码

mokutil --test-key /var/lib/dkms/mok.pub

  这样我们就可以使用mok.pub对应的私钥对我们的驱动进行签名，然后就可以正常使用公钥验证，然后加载驱动了。

  此外，这里还要多提一下，其实android的安全加载也有类似的过程，也是两个要点：信任链传递、驱动签名。

后记

  了解了越来越多计算机的知识，不得不感叹：知识总是不经意间出现在日常生活工作中。

参考文献

• • https://wiki.debian.org/UEFI
• • https://wiki.debian.org/SecureBoot
• • https://docs.redhat.com/zh_hans/documentation/red_hat_enterprise_linux/7/html/kernel_administration_guide/sect-signing-kernel-modules-for-secure-boot
• • https://www.cnblogs.com/Iflyinsky/p/18301894
• • https://www.cnblogs.com/Iflyinsky/p/18076852

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