在 Linux 上使用 TPM 大规模创建和预配 IoT Edge 设备

项目
05/13/2022

适用于： IoT Edge 1.1

重要

IoT Edge 1.1 终止支持日期为 2022 年 12 月 13 日。请查看 Microsoft 产品生命周期，了解此产品、服务、技术或 API 的受支持情况。有关更新到最新版本的 IoT Edge 的详细信息，请参阅更新 IoT Edge。

本文提供有关使用受信任的平台模块 (TPM) 为 Linux 设备自动预配 Azure IoT Edge 的说明。可以通过 Azure IoT 中心设备预配服务自动预配 IoT Edge 设备。如果你不熟悉自动预配过程，请在继续操作之前查看预配概述。

本文概述了两种方法。根据解决方案的体系结构选择你的首选方法：

使用物理 TPM 硬件自动预配 Linux 设备。例如，Infineon OPTIGA™ TPM SLB 9670。
使用模拟 TPM（在启用了 Hyper-V 的 Windows 开发计算机上运行）自动预配 Linux 虚拟机 (VM)。建议仅将此方法用作测试方案。模拟 TPM 无法提供与物理 TPM 相同的安全性。

具体说明因你的方法而异，因此请确保接下来按照正确选项卡上的说明操作。

物理设备
虚拟机

任务如下：

检索 TPM 的预配信息。
在 IoT 中心设备预配服务的实例中为设备创建单个注册。
安装 IoT Edge 运行时并将设备连接到 IoT 中心。

先决条件

云资源

一个活动的 IoT 中心
Azure 中的一个 IoT 中心设备预配服务实例，该实例已链接到 IoT 中心
- 如果没有设备预配服务实例，则可按照 IoT 中心设备预配服务快速入门的创建新的 IoT 中心设备预配服务和将 IoT 中心和设备预配服务相链接部分的说明进行操作。
- 运行设备预配服务后，从概述页复制“ID 范围”的值。配置 IoT Edge 运行时时，需要使用此值。

一台充当 IoT Edge 设备的物理 Linux 设备。

如果你是设备制造商，请参阅有关如何将 TPM 集成到制造过程中的指南。

注意

将 TPM 证明与设备预配服务结合使用时，需要 TPM 2.0。

使用 TPM 时，只能创建单个设备预配服务注册，不能创建组设备预配服务注册。

设置设备

物理设备
虚拟机

如果将物理 Linux 设备与 TPM 结合使用，则无需执行额外的步骤来设置设备。

你已准备就绪，可以继续操作。

在本部分中，你将在 Hyper-V 上创建新的 Linux VM。你将为此 VM 配置模拟 TPM，以便测试自动预配与 IoT Edge 配合使用的效果。

提示

如果使用 VM，则需要在本文中多次在 VM 上进行复制粘贴。通过 Hyper-V 管理器连接应用程序进行复制和粘贴并不容易。可能需要通过 Hyper-V 管理器连接到 VM 一次以检索其 IP 地址。先运行 sudo apt install net-tools，再运行 hostname -I。然后，可以使用该 IP 地址通过 SSH 进行连接：ssh <username>@<ipaddress>。

创建虚拟交换机

使用虚拟交换机可将 VM 连接到物理网络。

在 Windows 计算机上打开 Hyper-V 管理器。
在“操作”菜单中，选择“虚拟交换机管理器” 。
选择一个“外部”虚拟交换机，然后选择“创建虚拟交换机” 。
为新的虚拟交换机命名。例如，使用 EdgeSwitch。确保将连接类型设置为“外部网络”，然后选择“确定” 。
此时会弹出一条警告，指出网络连接可能会中断。选择“是”继续。

提示

如果创建新虚拟交换机时出现错误，请确保没有其他任何交换机正在使用以太网适配器，并且没有其他任何交换机使用相同的名称。

创建虚拟机

通过可启动映像文件创建新的 VM。

下载 VM 使用的磁盘映像文件，并将其保存在本地。例如 Ubuntu Server 20.04。若要了解 IoT Edge 设备支持的操作系统，请参阅 Azure IoT Edge 支持的系统。
在 Hyper-V 管理器的“操作”菜单中，选择“操作”>“新建”>“虚拟机” 。
使用以下特定配置完成“新建虚拟机向导”：
1. 指定代系：选择“第 2 代”。第 2 代 VM 已启用嵌套虚拟化，在 VM 上运行 IoT Edge 必须启用此功能。
2. 配置网络：设置“连接”的值设置为在上一部分创建的虚拟交换机。
3. 安装选项：选择“从可启动映像文件安装操作系统”，并浏览到本地保存的磁盘映像文件。
在向导中选择“完成”以创建 VM。

创建新的 VM 可能需要几分钟。

启用虚拟 TPM

创建 VM 后，打开其设置以启用使你能够自动预配设备的虚拟 TPM。

在 Hyper-V 管理器中，右键单击该 VM 并选择“设置”。
转到“安全性”。
清除“启用安全启动”。
选择“启用受信任的平台模块”。
选择“确定”。

启动虚拟机

启动 VM 以完成安装过程。

在 Hyper-v 管理器中，启动你的 VM 并连接到它。
按照 VM 中的提示完成安装过程，然后重新启动计算机。

完成安装并重新登录到 VM 后，就可以继续操作了。

检索 TPM 的预配信息

在本部分中，你将生成一个可用于检索 TPM 的注册 ID 和认可密钥的工具。

登录设备，然后按照设置 Linux 开发环境中的步骤安装和生成适用于 C 的 Azure IoT 设备 SDK。

运行以下命令，以生成 SDK 工具来检索 TPM 的设备预配信息。

cd azure-iot-sdk-c/cmake
cmake -Duse_prov_client:BOOL=ON ..
cd provisioning_client/tools/tpm_device_provision
make
sudo ./tpm_device_provision

输出窗口会显示设备的“注册 ID”和“认可密钥” 。请复制这些值，以便稍后在设备预配服务中为设备创建单个注册时使用。

获得注册 ID 和认可密钥后，即可继续操作。

提示

如果你不想使用 TPM2 软件工具检索信息，则需要寻找其他方法来获取预配信息。认可密钥对于每个 TPM 芯片都是唯一的，需从与之关联的 TPM 芯片制造商处获取。可为 TPM 设备派生唯一的注册 ID。例如，可以创建认可密钥的 SHA-256 哈希，如上所示。

创建设备预配服务注册

使用 TPM 的预配信息在设备预配服务中创建单个注册。

在设备预配服务中创建注册时，可以声明“初始设备孪生状态”。在设备孪生中可以设置标记，以便按解决方案中所用的任何指标（例如区域、环境、位置或设备类型）将设备分组。这些标记用于创建自动部署。

提示

本文中的步骤适用于 Azure 门户，但你也可使用 Azure CLI 创建单个注册。有关详细信息，请参阅 az iot dps enrollment。作为 CLI 命令的一部分，使用 edge-enabled 标志指定注册适用于单个 IoT Edge设备。

在 Azure 门户中，转到你的 IoT 中心设备预配服务实例。
在“设置”下，选择“管理注册”。
选择“添加单个注册”，然后完成以下步骤以配置注册：
1. 对于“机制”，请选择“TPM”。
2. 提供从 VM 或物理设备中复制的认可密钥和注册 ID。
3. 根据需要，为设备提供一个 ID。如果未提供设备 ID，则会使用注册 ID。
4. 选择“True”，以声明 VM 或物理设备是 IoT Edge 设备。
5. 选择要将设备连接到的已链接 IoT 中心，或者选择“链接到新的 IoT 中心”。可以选择多个中心，设备将会根据所选分配策略被分配到其中一个中心。
6. 根据需要，将标记值添加到“初始设备孪生状态”。可以使用标记将设备组指定为模块部署的目标。有关详细信息，请参阅大规模部署 IoT Edge 模块。
7. 选择“保存” 。

既然此设备已存在注册，IoT Edge 运行时在安装期间可以自动预配设备。

安装 IoT Edge

在本节中，你将准备 IoT Edge 的 Linux VM 或物理设备。然后安装 IoT Edge。

运行以下命令以添加包存储库，然后将 Microsoft 包签名密钥添加到你的受信任密钥列表中。

重要

2022 年 6 月 30 日，Raspberry Pi OS Stretch 将在第 1 层 OS 支持列表中停用。为避免潜在的安全漏洞，请将主机 OS 更新为 Bullseye。

安装可通过几个命令来完成。打开终端并运行以下命令：

20.04：

wget https://packages.microsoft.com/config/ubuntu/20.04/packages-microsoft-prod.deb -O packages-microsoft-prod.deb
sudo dpkg -i packages-microsoft-prod.deb
rm packages-microsoft-prod.deb

18.04：

wget https://packages.microsoft.com/config/ubuntu/18.04/multiarch/packages-microsoft-prod.deb -O packages-microsoft-prod.deb
sudo dpkg -i packages-microsoft-prod.deb
rm packages-microsoft-prod.deb

使用 APT 进行安装可通过几个命令来完成。打开终端并运行以下命令：

11 - Bullseye (arm32v7)：

curl https://packages.microsoft.com/config/debian/11/packages-microsoft-prod.deb > ./packages-microsoft-prod.deb
sudo apt install ./packages-microsoft-prod.deb

提示

如果在 OS 安装过程中为“root”帐户提供了密码，则不需要“sudo”，可以以“apt”开头来运行上述命令。

安装可通过几个命令来完成。打开终端并运行以下命令：

8.x (amd64)：

  wget https://packages.microsoft.com/config/rhel/8/packages-microsoft-prod.rpm -O packages-microsoft-prod.rpm
  sudo yum localinstall packages-microsoft-prod.rpm
  rm packages-microsoft-prod.rpm

注意

Azure IoT Edge 软件包受制于每个包（usr/share/doc/{package-name} 或 LICENSE 目录）中的许可条款。请在使用包之前阅读许可条款。安装和使用包即表示你接受这些条款。如果你不同意许可条款，请不要使用该包。

安装容器引擎

Azure IoT Edge 依赖于 OCI 兼容的容器运行时。对于生产方案，建议使用 Moby 引擎。 Moby 引擎是官方唯一支持用于 IoT Edge 的容器引擎。 Docker CE/EE 容器映像与 Moby 运行时兼容。

安装 Moby 引擎。

sudo apt-get update; \
  sudo apt-get install moby-engine

安装 Moby 引擎。

sudo apt-get update; \
  sudo apt-get install moby-engine

安装 Moby 引擎和 CLI。

sudo yum install moby-engine moby-cli

成功安装 Moby 引擎后，将其配置为使用 local 日志记录驱动程序作为日志记录机制。若要了解有关日志记录配置的详细信息，请参阅生产部署清单。

在 /etc/docker/daemon.json 创建或打开 Docker 守护程序的配置文件。
将默认日志记录驱动程序设置为 local 日志记录驱动程序，如下例所示。
```
   {
      "log-driver": "local"
   }
```
重启容器引擎以使更改生效。
```
sudo systemctl restart docker
```
提示

如果在安装 Moby 容器引擎时出现错误，请验证 Linux 内核的 Moby 兼容性。有些嵌入式设备制造商寄送的设备映像包含的自定义 Linux 内核没有确保容器引擎兼容所需的功能。运行以下命令，该命令使用 Moby 提供的 check-config 脚本来检查内核配置：
```
curl -ssl https://raw.githubusercontent.com/moby/moby/master/contrib/check-config.sh -o check-config.sh
chmod +x check-config.sh
./check-config.sh
```
在该脚本的输出中，检查 Generally Necessary 和 Network Drivers 下的所有项是否都已启用。如果缺少某些功能，请启用它们，方法是通过源重新构建内核，然后选择关联的模块，将其包括在相应的内核 .config 中。同样，如果使用内核配置生成器（例如 defconfig 或 menuconfig），请找到并启用相应的功能，然后以相应方式重新构建内核。部署新修改的内核后，再次运行 check-config 脚本，验证是否已成功启用所有必要的功能。

安装 IoT Edge 运行时

IoT Edge 安全守护程序提供和维护 IoT Edge 设备上的安全标准。守护程序在每次开机时启动，并通过启动 IoT Edge 运行时的其余部分来启动设备。

本部分中的步骤表示在具有 Internet 连接的设备上安装最新版本的典型过程。如果需要安装特定版本（如预发行版）或需要在脱机状态下安装，请按照本文后面的脱机或特定版本安装步骤进行操作。

安装 IoT Edge 版本 1.1.* 以及 libiothsm-std 包：

sudo apt-get update; \
  sudo apt-get install iotedge

sudo apt-get update; \
  sudo apt-get install iotedge

注意

IoT Edge 1.1 版本是 IoT Edge 的长期支持分支。如果运行的是旧版本，建议安装或更新到最新补丁，因为旧版本不再受支持。

为设备预配其云标识

在设备上安装运行时后，请使用供设备用来连接到设备预配服务和 IoT 中心的信息来配置该设备。

了解之前收集的设备预配服务 ID 范围和设备注册 ID 。
在 IoT Edge 设备上打开配置文件。
```
sudo nano /etc/iotedge/config.yaml
```

找到文件的预配配置部分。取消评论 TPM 预配的行，并确保注释禁止任何其他预配行。

provisioning: 行前面应无空格，并且嵌套项应该缩进两个空格。

# DPS TPM provisioning configuration
provisioning:
  source: "dps"
  global_endpoint: "https://global.azure-devices-provisioning.net"
  scope_id: "SCOPE_ID_HERE"
  attestation:
    method: "tpm"
    registration_id: "REGISTRATION_ID_HERE"

# always_reprovision_on_startup: true
# dynamic_reprovisioning: false

将 scope_id 和 registration_id 的值更新为你的设备预配服务和设备信息。 scope_id 值是设备预配服务实例概述页中的“ID 范围”。
（可选）使用 always_reprovision_on_startup 或 dynamic_reprovisioning 行来配置设备的重新预配行为。如果设备设置为在启动时重新预配，它将始终尝试先使用 DPS 进行预配，如果失败，则回退到预配备份。如果设备设置为动态重新预配，则 IoT Edge（和所有模块）将在检测到重新预配事件时（例如设备从一个 IoT 中心移动到另一个）重启并重新预配。具体而言，IoT Edge 会检查 SDK 中是否存在 bad_credential 或 device_disabled 错误，以检测重新预配事件。若要手动触发此事件，请在 IoT 中心禁用该设备。有关详细信息，请参阅 IoT 中心设备重新预配概念。
保存并关闭该文件。

向 IoT Edge 授予 TPM 的访问权限

IoT Edge 运行时需要访问 TPM 以自动预配设备。

通过覆盖系统设置可以授予 IoT Edge 运行时对 TPM 的访问权限，以便 iotedge 服务获得根特权。如果不想提升服务权限，也可以使用以下步骤手动提供 TPM 访问权限。

创建一条新规则，用于向 IoT Edge 运行时授予对 tpm0 和 tpmrm0 的访问权限。
```
sudo touch /etc/udev/rules.d/tpmaccess.rules
```

打开 rules 文件。

sudo nano /etc/udev/rules.d/tpmaccess.rules

将以下访问信息复制到 rules 文件。在使用的内核低于 4.12 的设备上，tpmrm0 可能不存在。没有 tpmrm0 的设备可以安全地忽略该规则。
```
# allow iotedge access to tpm0
KERNEL=="tpm0", SUBSYSTEM=="tpm", OWNER="iotedge", MODE="0600"
KERNEL=="tpmrm0", SUBSYSTEM=="tpmrm", OWNER="iotedge", MODE="0600"
```
保存并退出该文件。

触发 udev 系统来评估新规则。

/bin/udevadm trigger --subsystem-match=tpm --subsystem-match=tpmrm

验证是否已成功应用该规则。
```
ls -l /dev/tpm*
```
成功的输出如下所示：
```
crw------- 1 iotedge root 10, 224 Jul 20 16:27 /dev/tpm0
crw------- 1 iotedge root 10, 224 Jul 20 16:27 /dev/tpmrm0
```
如果未看到应用了正确的权限，请尝试重新启动计算机来刷新 udev。
重启 IoT Edge 运行时，使之拾取你在设备上所做的所有配置更改。
```
sudo systemctl restart iotedge
```

验证是否成功安装

重启 IoT Edge 运行时（如果尚未重启），使之拾取你在设备上所做的所有配置更改。

sudo systemctl restart iotedge

检查 IoT Edge 运行时是否正在运行。

sudo systemctl status iotedge

检查守护程序日志。

journalctl -u iotedge --no-pager --no-full

如果出现预配错误，可能表示配置更改尚未生效。请尝试再次重启 IoT Edge 守护程序。

sudo systemctl daemon-reload

或者，请尝试重启 VM，以确定重新启动后更改是否生效。

如果运行时成功启动，则可以转到 IoT 中心，查看新设备是否自动预配。现在，设备已准备好运行 IoT Edge 模块。

列出正在运行的模块。

iotedge list

可以验证是否使用了在设备预配服务中创建的单个注册。在 Azure 门户中转到你的设备预配服务实例。打开创建的个人注册的注册详细信息。注意注册状态是否为“已分配”并且设备 ID 已列出。

后续步骤

使用设备预配服务注册过程可以在预配新设备的同时，设置设备 ID 和设备孪生标记。可以在自动设备管理中，使用这些值将单个设备或设备组指定为目标。

了解如何使用 Azure 门户或 Azure CLI 大规模部署和监视 IoT Edge 模块。

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