背景

十多年來(lái)，TrustZone 一直在基于 Arm 的設(shè)備上成功保護(hù)媒體 pipelines 。在此期間，這些設(shè)備的要求隨著比特率、分辨率、幀率、圖像質(zhì)量和用戶界面創(chuàng)新而顯著增長(zhǎng)。所有這些都在突破最初的設(shè)計(jì)限制。

與此同時(shí)，近年來(lái)，許多消費(fèi)類設(shè)備都經(jīng)歷了重大變革。他們正在從專用于單一服務(wù)的封閉設(shè)備轉(zhuǎn)向兼容多種服務(wù)的開(kāi)放設(shè)備。例如，電視不再僅用于觀看廣播電視頻道。可安裝的應(yīng)用程序現(xiàn)在提供多種流媒體服務(wù)、瀏覽器、游戲、視頻通話等。

滿足這些用例會(huì)增加計(jì)算工作負(fù)載的復(fù)雜性和系統(tǒng)安全要求。在安全方面，我們看到多個(gè)數(shù)字版權(quán)管理 (DRM) 方案同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)，并且它們之間存在不信任，因?yàn)樗鼈兲幚韥?lái)自具有不同安全要求級(jí)別的不同來(lái)源的受保護(hù)內(nèi)容。這種對(duì)額外靈活性的需求推動(dòng)了軟件管理媒體 pipelines 的設(shè)計(jì)。

同時(shí)，內(nèi)容提供商正在通過(guò)提高圖像質(zhì)量來(lái)提高性能要求。這增加了 pipelines 的處理步驟數(shù)量，并大大增加了設(shè)備上的內(nèi)存消耗。 對(duì)高效內(nèi)存使用的需求正在推動(dòng)設(shè)計(jì)用于動(dòng)態(tài)分配受保護(hù)內(nèi)存的機(jī)制 。

動(dòng)態(tài) Trustzone

這就是 Arm 推出動(dòng)態(tài) TrustZone 的原因，這是一種創(chuàng)新的新設(shè)計(jì)模式，它是 TrustZone 系統(tǒng)演進(jìn)道路上的下一步。該技術(shù)使用 Realm Management Extension (RME) 來(lái)提供一種架構(gòu)機(jī)制，以在運(yùn)行時(shí)在非安全和安全地址空間之間分配內(nèi)存頁(yè)面。

當(dāng)應(yīng)用于受保護(hù)的媒體 pipelines 時(shí)，動(dòng)態(tài) TrustZone 支持從今天的固定功能視頻管道遷移到未來(lái)軟件配置的動(dòng)態(tài)媒體 pipelines。將動(dòng)態(tài) TrustZone 與安全虛擬化相結(jié)合的系統(tǒng)將支持軟件配置的 pipelines、多個(gè)不信任 DRM、可選的機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 加速器和動(dòng)態(tài)資源分配。

然而，這些未來(lái)媒體管道的實(shí)際設(shè)計(jì)和實(shí)施需要整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的支持和參與。這超越了硬件，更廣泛的生態(tài)系統(tǒng)的參與對(duì)于支持這些苛刻的新用戶體驗(yàn)所需的所有軟件組件和服務(wù)的接受和成功開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。

典型的安全媒體示例

在深入研究動(dòng)態(tài) TrustZone 之前，我們需要首先會(huì)議當(dāng)今常見(jiàn)的媒體 pipelines。在 Arm 系統(tǒng)中實(shí)施的受保護(hù)媒體 pipelines 往往遵循 TrustZone 媒體保護(hù) (TZMP) 定義的模式，如下圖所示：

這些系統(tǒng)有一些共同的特點(diǎn)和局限性：

• 固定的數(shù)據(jù)流和一組處理步驟，由特定于設(shè)備的軟件或在 SoC 設(shè)計(jì)時(shí)定義。每個(gè)處理元件通常被限制為讀取和寫入預(yù)先確定的受保護(hù)內(nèi)存緩沖區(qū)，并且不允許任意添加和刪除設(shè)備。將完全可編程的 GPU 和 ML 引擎引入流水線可能從不可能到具有挑戰(zhàn)性。
• 受保護(hù)內(nèi)容的受保護(hù)內(nèi)存緩沖區(qū)的物理地址空間是連續(xù)的和預(yù)先分配的，或者是由受信任的管理程序分段和管理的。由于視頻播放是許多設(shè)備的主要用例并且絕不能丟幀，因此不能與其他系統(tǒng)進(jìn)程共享所使用的內(nèi)存。隨著分辨率和幀速率的提高，對(duì)內(nèi)存要求的壓力也隨之增加，從而推高了整體系統(tǒng)成本。
• 在要同時(shí)處理多個(gè)內(nèi)容流的情況下，需要考慮它們之間的隔離。由于不同的安全要求，可能無(wú)法同時(shí)使用不同的 DRM 方案。

為了克服這些限制，我們確定未來(lái)受保護(hù)的媒體系統(tǒng)需要能夠：

• 使用碎片化的 4KB 頁(yè)面動(dòng)態(tài)分配和管理受保護(hù)的內(nèi)存緩沖區(qū)。
• 在多個(gè)管道和所有其他軟件之間提供強(qiáng)大且安全的隔離。
• 將設(shè)備和軟件功能任意分配給 pipelines 。
• 允許運(yùn)行時(shí)主機(jī)軟件按需創(chuàng)建和配置 pipelines 。

新的 Arm 安全和架構(gòu)功能

在過(guò)去的十年中，Arm 一直在對(duì) TrustZone 進(jìn)行定期增強(qiáng)，以滿足不斷變化的安全要求。在宣布 Armv9 架構(gòu) (Armv9-A) 之前，我們通過(guò)添加安全虛擬化增強(qiáng)了 TrustZone 系統(tǒng)。在 Armv9-A 中，引入了 Realm Management Extension (RME) 作為 Arm 機(jī)密計(jì)算架構(gòu)的一部分。

通過(guò)添加這些新的安全功能，現(xiàn)在有一個(gè)完整的集合，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)未來(lái)受保護(hù)的媒體管道。讓我們更深入地研究這些增強(qiáng)功能。

Secure virtualization

首先，讓我們看看安全虛擬化。引入此功能是為了進(jìn)一步劃分安全世界，以允許存在多個(gè)可信操作系統(tǒng) (TOS)，隔離安全固件，此外還提供對(duì) TOS 訪問(wèn)非安全內(nèi)存的限制。

安全虛擬化通過(guò)在 TrustZone 環(huán)境中創(chuàng)建安全虛擬機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。安全世界中的這些虛擬機(jī)實(shí)例，通常稱為 “安全分區(qū)”，使用第 2 階段內(nèi)存轉(zhuǎn)換和保護(hù)相互隔離。當(dāng)然，由于處于安全世界中，它們與非安全世界完全隔離。安全虛擬化是通過(guò)以下架構(gòu)特性實(shí)現(xiàn)的：

• Secure-EL2 是在 Armv8.4 架構(gòu)中引入的，它是為執(zhí)行隔離管理程序而創(chuàng)建的 CPU 異常級(jí)別，稱為 “安全分區(qū)管理器”（SPM）。SPM 的作用是創(chuàng)建和管理多個(gè) 不信任安全分區(qū) S-EL2 使用第 2 階段內(nèi)存轉(zhuǎn)換和保護(hù)來(lái)強(qiáng)制分區(qū)之間的隔離。
• SMMUv3.2 擴(kuò)展了 Arm System MMU 架構(gòu)，以支持系統(tǒng)中安全設(shè)備的安全第 2 階段轉(zhuǎn)換和保護(hù)。隔離管理程序可以將系統(tǒng)設(shè)備分配到安全分區(qū)的內(nèi)存空間中。
• GICv3.1 通用中斷控制器包括對(duì) S-EL2 的支持。來(lái)自安全系統(tǒng)設(shè)備的虛擬中斷可以分配給安全分區(qū)。

我們應(yīng)該注意到，在實(shí)踐中，將安全設(shè)備分配給安全分區(qū)需要的不僅僅是內(nèi)存與 SMMU 的映射以及 GIC 的中斷。每個(gè)設(shè)備都必須在其操作狀態(tài)方面表現(xiàn)良好，并支持標(biāo)準(zhǔn)管理界面，以便可以在系統(tǒng)內(nèi)安全、正確地對(duì)其進(jìn)行管理。

Realm Management Extension (RME)

作為 Arm 機(jī)密計(jì)算架構(gòu)的一部分，Armv9-A 中的 RME 使內(nèi)存頁(yè)面能夠從非安全世界動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換到安全世界，然后再返回。這就是將 “動(dòng)態(tài)” 放入動(dòng)態(tài) TrustZone 的原因。

RME 的一個(gè)稱為 “Granule Protection Check” (GPC) 的組件提供了在非安全和安全世界之間動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存的機(jī)制。Granule Protection table (GPT) 記錄了 DRAM 每 4K 字節(jié)頁(yè)面的世界分配。該表由 EL3 固件擁有和更新。在運(yùn)行時(shí)，每次內(nèi)存訪問(wèn)都由 GPC 針對(duì) GPT 進(jìn)行驗(yàn)證，確保 Non-secure 狀態(tài)只能訪問(wèn) Non-secure 內(nèi)存，而 Secure 狀態(tài)只能訪問(wèn) Secure 和 Non-secure 內(nèi)存。此檢查是對(duì) MMU 已經(jīng)進(jìn)行的 stage-1 和 stage-2 轉(zhuǎn)換和權(quán)限檢查的補(bǔ)充。

然后，基于 RME 構(gòu)建的機(jī)密計(jì)算架構(gòu)提供以下附加功能，可以增強(qiáng)動(dòng)態(tài) TrustZone 解決方案：

• EL3 monitor 的固件分區(qū)和隔離，用于提供更強(qiáng)大的信任根 (RoT) 和證明服務(wù)。
• 通過(guò)內(nèi)存保護(hù)引擎對(duì)安全分配的 DRAM 中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

Media Pipelines with Dynamic TrustZone

先前概述的架構(gòu)特性允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遷移到具有多個(gè)軟件定義的受保護(hù)媒體 pipelines 的動(dòng)態(tài) TrustZone 技術(shù)解決方案。它看起來(lái)像這樣：

(1)、Secure virtualization
如綠框所示，安全虛擬化用于為每個(gè) pipelines 創(chuàng)建受保護(hù)的內(nèi)存空間。設(shè)備分配將系統(tǒng)設(shè)備（藍(lán)色）帶入管道，內(nèi)存緩沖區(qū)（黑色）通過(guò) GPT 機(jī)制分配給安全世界。在使用過(guò)程中，所有解密的媒體內(nèi)容都保留在安全世界中。

(2)、Non-secure world
這包含媒體播放器和應(yīng)用程序的用戶界面。該軟件負(fù)責(zé)按需為每個(gè)媒體 pipelines 構(gòu)建清單，并在過(guò)渡到安全世界之前為其分配資源，例如內(nèi)存和系統(tǒng)設(shè)備。

(3)、Secure Media Pipeline 1
本例中的 Pipeline 1 正在處理受保護(hù)的音頻。處理步驟可由硬件設(shè)備或軟件編解碼器執(zhí)行。一個(gè)例子是高級(jí)環(huán)繞聲流，它使用專有編解碼器來(lái)處理高價(jià)值的基于對(duì)象的音頻內(nèi)容。

(4)、Secure Media Pipeline 2

Pipeline 2 可以是 8K 優(yōu)質(zhì)內(nèi)容電影，具有嚴(yán)格的 DRM 要求和穩(wěn)健性規(guī)則，可確保視頻和音頻流與系統(tǒng)上的任何其他代理隔離。由于 8K 分辨率視頻對(duì)其緩沖區(qū)的內(nèi)存要求非常高，這可能是電視等設(shè)備的主要用例。非安全主機(jī)操作系統(tǒng)可能會(huì)主動(dòng)從其他應(yīng)用程序回收內(nèi)存，以便在初始化播放時(shí)可以動(dòng)態(tài)分配這些受保護(hù)的緩沖區(qū)。

解密步驟將使用專用加密加速器，解碼專用視頻引擎。例如，圖片質(zhì)量步驟可以由分配給該流水線的高性能 ML 引擎執(zhí)行。

(5)、Secure Media Pipeline 3
Pipeline 3 可能是畫中畫新聞報(bào)道，可能具有與 Pipeline 2 不同的 DRM 系統(tǒng)。當(dāng)啟用流時(shí)，可以為該管道的受保護(hù)緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，而不會(huì)中斷 Pipeline 2。

(6)、Secure Media Output
最后，完全呈現(xiàn)的受保護(hù)內(nèi)容被輸出到顯示面板或安全的 HDMI Link。

生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作

動(dòng)態(tài) TrustZone 是提供多租戶安全媒體 pipeline 的絕佳工具。完全不受操作系統(tǒng)、虛擬機(jī)管理程序和正常世界中任何可安裝應(yīng)用程序影響的 pipeline 。該解決方案還允許在正常環(huán)境中部署標(biāo)準(zhǔn)管理程序，而無(wú)需更改它們以支持 DRM。

但是，設(shè)計(jì)多租戶安全媒體 pipeline 需要整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的支持和參與。這超出了硬件本身，因?yàn)槎嘧鈶舭踩襟w管道可能會(huì)帶來(lái)策略挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)兩個(gè)不同的流媒體視頻提供商對(duì)如何執(zhí)行策略有不同的要求時(shí)。因此，受保護(hù)媒體管道的靈活性為細(xì)粒度信令和安全策略檢查提供了機(jī)會(huì)，例如水印、元數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)容識(shí)別，僅舉幾例。

可以通過(guò) Content Delivery and Security Association (CDSA)、芯片供應(yīng)商、OEM、OTT 服務(wù)提供商、內(nèi)容創(chuàng)建者等行業(yè)組織來(lái)實(shí)現(xiàn)與生態(tài)系統(tǒng)的互動(dòng)。他們都為對(duì)話帶來(lái)了獨(dú)特的觀點(diǎn)和專業(yè)知識(shí)，通過(guò)這種協(xié)作努力為全球數(shù)百萬(wàn)用戶帶來(lái)了更豐富的媒體體驗(yàn)。

在 Arm，我們希望與我們偉大的生態(tài)系統(tǒng)合作，以解決我們共同構(gòu)建的設(shè)備上的許多安全挑戰(zhàn)。使用動(dòng)態(tài) TrustZone 的工作是可以在 Arm 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的安全合作的一個(gè)很好的例子。