自從微軟在Windows Vista首次引入Bitlocker以來，它已經(jīng)越來越多的出現(xiàn)在我們的周圍。尤其是企業(yè)用戶，Bitlocker的保護(hù)已經(jīng)變得不可缺少。本文將深入討論它的原理和如何提高它的安全性。

什么是Bitlocker?

BitLocker 驅(qū)動(dòng)加密是集成在Windows Server 2008和Windows Vista及以后版本中的一個(gè)新的安全特性，它通過緊密集成在Windows操作系統(tǒng)中的方案，來幫助降低數(shù)據(jù)偷竊或丟失導(dǎo)致的泄露，被盜，或不正確地報(bào)廢計(jì)算機(jī)硬件所帶來的實(shí)際威脅。BitLocker 是一種全卷加密技術(shù)，如果計(jì)算機(jī)在所安裝操作系統(tǒng)脫機(jī)時(shí)受損，則該技術(shù)可確保存儲(chǔ)在此計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)不會(huì)暴露。 它是針對(duì)具有兼容的受信任的平臺(tái)模塊 (TPM) 微型芯片和 BIOS 的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。 如果存在這些組件，則 BitLocker 將使用它們來增強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的保護(hù)，并幫助確保早期啟動(dòng)組件的完整性。 此功能通過加密整個(gè)卷來幫助防止數(shù)據(jù)被盜或未經(jīng)授權(quán)查看。

簡(jiǎn)單來說，BitLocker會(huì)將Windows的安裝分區(qū)或者其他用于保存文件的分區(qū)進(jìn)行加密，并將密鑰保存在硬盤之外的地方，并對(duì)早期啟動(dòng)組件完整性檢查，合并到一起來增強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)。

BitLocker主要有兩種工作模式：TPM模式和U盤模式，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)更高程度的安全，我們還可以同時(shí)啟用這兩種模式。本文主要討論TPM模式。

TPM和Bitlocker

TPM（Trusted Platform Module，可信平臺(tái)模塊）是根據(jù)國(guó)際行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織可信計(jì)算組(TCG，其中包括微軟、英特爾和惠普等公司)規(guī)范制作的模塊，可以是dTPM真實(shí)硬件也可以是fTPM等由固件模擬的軟件模塊。TPM 1.2最早大規(guī)模商用，現(xiàn)在TPM2.0也開始廣泛使用了。

TPM的主要作用是利用安全的經(jīng)過驗(yàn)證的加密密鑰帶來強(qiáng)大的設(shè)備安全性。TPM功能的核心是簽注密鑰，這是在生產(chǎn)過程中內(nèi)置到TPM硬件的加密密鑰。這個(gè)簽注密鑰的私鑰部分絕不會(huì)出現(xiàn)在TPM外部或暴露給其他組件、軟件、程序或個(gè)人。另一個(gè)關(guān)鍵密鑰是存儲(chǔ)根密鑰，該密鑰也存儲(chǔ)在TPM內(nèi);它被用來保護(hù)其他應(yīng)用程序創(chuàng)建的TPM密鑰，使這些密鑰只能由TPM通過被稱為綁定的過程來解密，TPM也是通過該過程鎖定數(shù)據(jù)到設(shè)備。與簽注密鑰不同，只有當(dāng)TPM設(shè)備第一次被初始化或新用戶獲得所有權(quán)時(shí)，存儲(chǔ)根密鑰才會(huì)被創(chuàng)建。

TPM還可以通過平臺(tái)配置寄存器(PCR：Platform Configuration Register)機(jī)制來記錄系統(tǒng)的狀態(tài)。這允許TPM進(jìn)行預(yù)啟動(dòng)系統(tǒng)完整性檢查，也被稱為遠(yuǎn)程證明，這是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)保護(hù)功能。通過將數(shù)據(jù)加密密鑰存儲(chǔ)在TPM中，數(shù)據(jù)可以有效地受到保護(hù)，其中TPM有一系列參考值來檢查PCR們的狀態(tài)。只有系統(tǒng)狀態(tài)與存儲(chǔ)的PCR值匹配，這些密鑰才會(huì)啟封和使用，并且，只有在滿足特定硬件和軟件條件時(shí)，才能夠訪問系統(tǒng)。

TPM是許多安全應(yīng)用的核心，我們今后會(huì)單獨(dú)介紹它。本文只要知道Bitlocker最關(guān)心的密鑰存儲(chǔ)和PCR即可。

Bitlocker原理

我們僅僅介紹使用了TPM的Bitlocker。這就要求計(jì)算機(jī)安裝了TPM 1.2以上硬件(dTPM或者fTPM)，其他沒有任何要求。整個(gè)解密的流程圖如下：

(圖片來源MSDN)

圖解順序的步驟如下：

1. BIOS 啟動(dòng)并初始化TPM。并measure firmware部分敏感內(nèi)容和啟動(dòng)分區(qū)以及bootloader，將結(jié)果放入PCR組。

2.如果 PCR 值與期望值相匹配，則 TPM 將使用存儲(chǔ)根密鑰 (SRK) 對(duì)卷主密鑰 (VMK) 進(jìn)行解密。

3. 從卷中讀取加密 FVEK，并使用解密 VMK 對(duì)其進(jìn)行解密。

4. 訪問磁盤扇區(qū)時(shí)，使用 FVEK 進(jìn)行解密。

5. 為應(yīng)用程序和過程提供解密數(shù)據(jù)。

其中SRK存儲(chǔ)在TPM芯片中，它是整個(gè)過程的信任根。BitLocker通過檢測(cè)PCR組，對(duì)主啟動(dòng)記錄 (MBR) 代碼、NTFS 啟動(dòng)扇區(qū)、NTFS 啟動(dòng)塊、啟動(dòng)管理器和其他重要組件進(jìn)行檢查，如果被更改，則第2步將出錯(cuò)，要求輸入recovery PIN值。

Bitlocker作用以及局限

如前文所說，BitLocker會(huì)將Windows的安裝分區(qū)或者其他用于保存文件的分區(qū)進(jìn)行加密，并將密鑰保存在硬盤之外的地方，并對(duì)早期啟動(dòng)組件完整性檢查，合并到一起來增強(qiáng)數(shù)據(jù)保護(hù)。

1. Windows安裝盤和其他資料盤的加密，保護(hù)了脫機(jī)攻擊。即把磁盤拆下來到別的機(jī)器上讀出結(jié)果來。這樣就算你的筆記本硬盤丟失了，里面的重要信息別人也拿不走。注意這里bootloader所在的UEFI啟動(dòng)分區(qū)并沒有加密。

2. 啟動(dòng)組件完整性檢查，保證了如果啟動(dòng)組件被更改，就拒絕啟動(dòng)，防止被植入惡意代碼，造成整個(gè)鏈條的崩潰。

但是啟用TPM后，因?yàn)镾RK存儲(chǔ)在TPM中，而不是像USB方式那樣隨時(shí)帶走。這樣雖然便利，不需要開機(jī)輸入密碼，但是硬件整體丟失后也為竊賊造成了方便。所以微軟推薦采取TPM加PIN碼的方式，可以大大降低數(shù)據(jù)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

安全性

Bitlocker采用AES128或者256來加密數(shù)據(jù)，十分安全。固件通過measure啟動(dòng)中關(guān)鍵組件并存入PCR中保證了啟動(dòng)路徑不被攻擊，聽起來現(xiàn)在已經(jīng)十分安全了，但是很久之前就被發(fā)現(xiàn)有一個(gè)漏洞：“邪惡女服務(wù)員攻擊”。

它所描述的就是這樣一種情形：當(dāng)計(jì)算機(jī)主人離開旅館客房，而計(jì)算機(jī)無人看守時(shí)，一個(gè)邪惡的女服務(wù)生或任何其他可以進(jìn)入這個(gè)房間的人，就可以隨意鼓搗這臺(tái)計(jì)算機(jī)了。因?yàn)樵谙到y(tǒng)引導(dǎo)期間，BitLocker需要與用戶交互來獲得一個(gè)口令：

而這個(gè)階段在Bootloader，而bootloader所在的UEFI啟動(dòng)分區(qū)并沒有加密。這就造成了可乘之機(jī)：

1. 該邪惡的女服務(wù)員將惡意軟件放入U(xiǎn)盤，開機(jī)直接進(jìn)入shell，將惡意軟件copy到UEFI分區(qū)并修改啟動(dòng)路徑。

2. 主人回家開機(jī)。

3. 惡意軟件模仿Bitlocker彈出需要密碼的界面。

4. 主人不明就里，輸入密碼。

5. 惡意軟件截獲秘密，發(fā)送到特定郵箱。它清空自己痕跡并重新啟動(dòng)。

6. 由于惡意軟件痕跡被完全清除，PCR正常，正牌Bitlocker要求密碼，主人又看到密碼界面，以為輸錯(cuò)了，又輸一遍，并順利進(jìn)入系統(tǒng)，一切正常。

7. 第二天，邪惡服務(wù)員乘主人不在，拿著密碼開機(jī)并copy關(guān)鍵數(shù)據(jù)到U盤。

8. 邪惡女服務(wù)員消失。一個(gè)巨大的陰謀正在醞釀。。。。。。。OMG?。?/p>

有什么應(yīng)對(duì)的辦法嗎？其實(shí)你一定還記得我們介紹過的UEFI安全啟動(dòng)吧（UEFI安全啟動(dòng)），它會(huì)驗(yàn)證Bootloader的簽名，它和Bitlocker配合起來可以防止這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)。

其他

有一些雜項(xiàng)需要說明一下：

1. Bitlocker不一定需要TPM. UEFI安全啟動(dòng)也不一定需要TPM。

2. Bitlocker并不會(huì)加密UEFI分區(qū)，因?yàn)閁EFI固件不知道如何解密它。

3. Bitlocker和UEFI安全啟動(dòng)無關(guān)，Bitlocker也不一定要求UEFI。

4. Bitlocker加密硬盤會(huì)造成性能損失，對(duì)機(jī)械硬盤有5%-15%的性能降低，但對(duì)SSD影響較小。

5. Bitlocker和TPM+密碼聯(lián)合使用后，如果密碼丟失或者TPM損壞（可能性很小），則需要Recovery PIN(超長(zhǎng))。如果Recovery PIN丟失，個(gè)人用戶數(shù)據(jù)將會(huì)丟失（就算TPM拆下來也沒有用）。企業(yè)用戶可以啟用BitLocker Active Directory Recovery Password Viewer （RSAT），這樣Recovery PIN會(huì)存儲(chǔ)在企業(yè)活動(dòng)目錄域服務(wù)器中，丟失后只要打個(gè)電話給IT就可以了，這也是為什么企業(yè)為什么不擔(dān)心密碼丟失而大規(guī)模使用Bitlocker的原因。詳見（BitLocker Active Directory Recovery Password Viewer Overview）