本質(zhì)安全型集中式控制安全操作系統(tǒng)研究

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的飛快發(fā)展，信息安全問題正成為人們研究的重點。作為底層系統(tǒng)軟件的操作系統(tǒng)，是信息安全研究的基礎(chǔ)部分，已成為研究的重點之重。本文以嵌入式系統(tǒng)為背景，結(jié)合智能卡技術(shù)和現(xiàn)有一般的安全操作系統(tǒng)研究方法，提出一種全新的安全控制策略，針對嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境中面臨的問題給出有效解決方法。最后，結(jié)合Linux操作系統(tǒng)，給出一種本質(zhì)安全型集中式控制安全操作系統(tǒng)模型，描述它所具有的安全特性。

引言

操作系統(tǒng)作為底層系統(tǒng)軟件，負(fù)責(zé)為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境和訪問硬件的接口，它的安全性是信息安全的基礎(chǔ)?，F(xiàn)在操作系統(tǒng)面臨的威脅與攻擊多種多樣，安全操作系統(tǒng)已經(jīng)不再局限于僅提供安全的存取控制機(jī)制，還要提供安全的網(wǎng)絡(luò)平臺、安全的信息處理平臺和安全的進(jìn)程通信支持。

在嵌入式系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計的特點，很容易從硬件和軟件直接進(jìn)行拷貝。操作系統(tǒng)的安全性應(yīng)有更特殊的考慮。操作系統(tǒng)不但要對保存的數(shù)據(jù)提供安全保證，而且還要考慮自己運(yùn)行的硬件平臺和系統(tǒng)本身的安全性。

在現(xiàn)有操作系統(tǒng)中，有關(guān)系統(tǒng)安全控制的代碼是分散到系統(tǒng)中的，這對系統(tǒng)性能的影響降到了最低。但是，如果要添加新的控制機(jī)制，必須會引起大量的修改，由此將帶來潛在的不穩(wěn)定性和不一致性。隨著系統(tǒng)硬件性能的成倍增長，人們逐漸將目光轉(zhuǎn)移到集中式控制上來。在操作系統(tǒng)設(shè)計初期，安全模塊應(yīng)該被獨立地提出來，成為操作系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的一部分。

智能卡技術(shù)是一種軟硬件結(jié)合的安全保護(hù)技術(shù)，經(jīng)常用于身份驗證和存儲加密信息。由于自身的硬件特性，它可以防止非法讀取和篡改；同時，智能卡本身具有加密的文件系統(tǒng)，可以對信息進(jìn)行安全的保護(hù)。

在我們研究操作系統(tǒng)安全問題時，首次將智能卡技術(shù)引用到安全控制當(dāng)中，作為整個安全體系結(jié)構(gòu)的保證。智能卡用于對操作系統(tǒng)本身和運(yùn)行的平臺進(jìn)行標(biāo)識，可以對用戶身份、進(jìn)程的合法性進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

1 存取控制和安全模型

存取控制是系統(tǒng)安全的核心內(nèi)容。存取控制按照一定的機(jī)制，在系統(tǒng)主體對客體進(jìn)行訪問時，判定訪問請求和訪問的方式是否合法，返回判定結(jié)果。一般情況下，有兩種存取控制方式：自主存取控制DAC（Discretionary Access Control）和強(qiáng)制存取控制MAC（Mandatory Access Control）。

（1）自主存取控制

DAC是安全操作系統(tǒng)最早期的存取控制方式，客體的所有者可以將客體的訪問權(quán)限或者訪問權(quán)限的子集授予其它主體。在類Unix系統(tǒng)當(dāng)中，系統(tǒng)提供owner/group/other的控制方式，就是一種典型的自主存取控制方式。

（2）強(qiáng)制存取控制

在自主存取控制當(dāng)中，由于管理不當(dāng)或者操作失誤，可能會引起非法的訪問，并且不能有效地防御特洛伊馬病毒的攻擊。在信息保密要求比較高的領(lǐng)域，人們提出了強(qiáng)制的存以控制方式，給系統(tǒng)提供一道不可逾越的訪問控制限制。強(qiáng)制存取控制主要通過安全級的方式實現(xiàn)。安全級含“密級”和“部門集”兩方面。密級又分為無密、秘密、機(jī)密、絕密四級。系統(tǒng)中主體和客體按照一定的規(guī)則被賦予最高安全級和當(dāng)前安全級。系統(tǒng)主體的部門集表示主體可以涉及獵的信息范圍，系統(tǒng)客體的部門集表示該信息涉及的信息范圍。強(qiáng)制存取控制抽象出三條訪問原理：①的主體的安全級高于客體，當(dāng)且僅當(dāng)主體的密級高于客體的密級，且主體的部門集包含客體的部門集；②主體對客體具有讀權(quán)限，當(dāng)且僅當(dāng)主體的安全級高于客體的安全級；③主體對客體具有寫權(quán)限，當(dāng)全僅當(dāng)主體的安全級低于或者等于客體的安全級。

安全模型是系統(tǒng)安全特性的描述，是對安全策略的一種數(shù)學(xué)形式化的表示方法。一般的安全操作系統(tǒng)的設(shè)計方法，通常是先設(shè)計安全模型，對安全模型進(jìn)行分析，并且給出數(shù)學(xué)證明。安全模型的設(shè)計是研究安全操作系統(tǒng)的重要成果，可以對安全系統(tǒng)設(shè)計提供結(jié)構(gòu)清晰、功能明確的指導(dǎo)。這里主要介紹BLP安全模型。

BLP模型是人們對安全策略的形式化描述。它通過系統(tǒng)安全級的劃分來保證系統(tǒng)存取的合法性。BLP模型定義了一系列的安全狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)則，如果保證系統(tǒng)啟動時處于安全狀態(tài)的話，即可按安全轉(zhuǎn)換規(guī)則，在各個安全狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。下面介紹BLP模型的具體規(guī)則。

系統(tǒng)的主體和客體均被賦予一定的安全級和部門集。主體安全級包含最高安全級的當(dāng)前安全級。主體對于客體的訪問方式包括：只讀、只寫、執(zhí)行、讀寫。BLP模型定義了兩具安全特性，并且證明了只要系統(tǒng)遵循這兩個模型，便可認(rèn)為系統(tǒng)處于安全狀態(tài)并可在狀態(tài)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這兩個特性是簡單安全特性和*特性。

（1）簡單安全特性（ss-property）

如果一個主體對一個客體具有讀的權(quán)限，則客體的安全級不能比主體的最大安全級高。

（2）*特性（*-property）

主體對客體有“只寫”的權(quán)限，則客體的安全級至少和主體的最高安全級一樣高。

主體對客體有“讀”權(quán)限，則客體的安全級不會比主體的當(dāng)前安全級高。

主體對客體有“讀寫”權(quán)限，則客體安全級等于主體的當(dāng)前安全級。

人們習(xí)慣上將簡單安全特性看成限制“向上讀”，將*特性看成限制“向下寫”。

BLP在多年的研究當(dāng)中被認(rèn)為可以有效防止特洛伊馬病毒的攻擊，但是仍然存在兩個問題：①系統(tǒng)具有動態(tài)的信息處理（例如主體的安全級的變化）都是有可信進(jìn)程來實現(xiàn)的，但是BLP模型并沒有對可信進(jìn)程進(jìn)行說明，可信進(jìn)程也不受BLP模型的限制；②BLP模型不能防止隱通道。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

根據(jù)上面的分析，我們提出了一種本質(zhì)安全型，以進(jìn)程控制為中心，集中式管理方式的安全控制方法。下面結(jié)合Linux操作系統(tǒng)說明具體的實現(xiàn)原理，以wolf-Linux來指具有這種控制機(jī)制的安全操作系統(tǒng)。

本質(zhì)安全是指一種建立在特殊的硬件設(shè)備上（Smart卡），具有特殊的體系結(jié)構(gòu)，可對操作系統(tǒng)本身、進(jìn)程合法性和運(yùn)行權(quán)利進(jìn)行驗證的安全機(jī)制。

系統(tǒng)的安全控制分為六部分：進(jìn)程管理器、安全服務(wù)器、文件系統(tǒng)伺服器、進(jìn)程通信伺服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)伺服器和審計模塊。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示：進(jìn)程管理器、安全服務(wù)器wolf-Linux安全控制的核心部分，審計模塊負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的安全性事件進(jìn)行記錄，其它部分是安全控制的執(zhí)行模塊。

從圖1中可以看出，SIM（Subscriber Identity Module）卡處于系統(tǒng)的安全模塊中，保存系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，集中式管理主要體現(xiàn)在進(jìn)程控制器部分，安全判定和安全執(zhí)行的分離使得任何存取操作都不可能繞過安全控制機(jī)制。系統(tǒng)中所有的安全事件都通過進(jìn)程控制器來判定是否可行，安全執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)在訪問操作發(fā)生時抽象主體和客體，提交訪問請求并執(zhí)行訪問結(jié)果。下面主要介紹各個模塊的功能原理。

（1）安全服務(wù)器和SIM卡

系統(tǒng)的安全服務(wù)器負(fù)責(zé)提供系統(tǒng)支持的安全策略。在系統(tǒng)啟動時，安全服務(wù)器初始化系統(tǒng)支持的安全策略。它的初始化過程中重要的一步是讀智能卡中的信息，驗證系統(tǒng)的身份。安全服務(wù)器提供的接口有三類：①與智能卡的接口。在智能卡中保存系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，例如系統(tǒng)的有效使用時間、操作系統(tǒng)身份ID。這個ID號相當(dāng)規(guī)模識了一個合法的系統(tǒng)身份和系統(tǒng)用戶身份信息（在系統(tǒng)的安全特性部分還會討論）。安全模塊通過智能卡的驅(qū)動程序，負(fù)責(zé)與智能卡信息的安全交互，并提供訪問智能卡的操作函數(shù)。②與進(jìn)程控制器交互的接口。安全服務(wù)器只負(fù)責(zé)實現(xiàn)對安全策略的支持，而不管判定訪問操作是否合法。進(jìn)程控制器在判定訪問是否合法時，使用安全服務(wù)器提供規(guī)則。③提供給系統(tǒng)管理的接口。由于在安全模塊當(dāng)中實現(xiàn)了策略的獨立性，所以安全模塊可以在實現(xiàn)對多種策略的支持。接口函數(shù)包括安全模塊的初始化接口、安全策略的注冊接口、安全策略的管理接口。通過這些接口函數(shù)可以實現(xiàn)對安全策略的配置，系統(tǒng)安全特性針對不同的工作環(huán)境，可以動態(tài)變化。安全模塊的固化設(shè)計保證系統(tǒng)的安全特性不可能被破壞和篡改。

    （2）進(jìn)程控制器

進(jìn)程控制器是系統(tǒng)安全特性的關(guān)鍵部分，功能有兩個：①以進(jìn)程為單位的權(quán)限控制；②判定安全執(zhí)行部分提供的訪問請求并返回判定結(jié)果；同時為了提高效率，保存最近的訪問判定結(jié)果，提供緩存功能。

在傳統(tǒng)的Unix系統(tǒng)當(dāng)中，一般提供基于用戶的權(quán)限控制方法，系統(tǒng)的控制粒度只能到用戶。一般的攻擊方法是利用程序的設(shè)計漏洞，或者用戶的誤操作來取得高級權(quán)限。在我們研究這類安全問題時，繼續(xù)細(xì)化了這類控制方法，提供更細(xì)的控制粒度；可以針對每一個進(jìn)程進(jìn)行控制，確保用戶所啟動的所有進(jìn)程均處于相應(yīng)權(quán)限控制之下。

（3）文件系統(tǒng)伺服器

主要操作是抽象各種操作，包括對文件系統(tǒng)的操作和對于文件的操作；是在文件系統(tǒng)當(dāng)中的系統(tǒng)調(diào)用部分加入控制機(jī)制，向控制器提交訪問的主客體標(biāo)識符。在Linux操作系統(tǒng)中，涉及到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：super_block(表示文件系統(tǒng))，file（表示操作的文件），inode（表示管道），文件或者網(wǎng)絡(luò)套接字等等。

（4）網(wǎng)絡(luò)伺服器

網(wǎng)絡(luò)安全部分控制操作的目的是，防止違法的網(wǎng)絡(luò)操作。例如，控制網(wǎng)絡(luò)打開與關(guān)閉，路由器和防火墻的安全規(guī)則配置，端口綁定，網(wǎng)絡(luò)廣播等。

（5）進(jìn)程通信伺服器

進(jìn)程之間的安全通信是安全操作系統(tǒng)研究的重點之一。隨通道是指按照常規(guī)不會用于傳送信息卻被利用泄漏信息的傳送渠道。隱通道包括正規(guī)隱通道、存儲隱通道和時間隱通道。在我們的研究過程中，分析了前兩種信息泄漏方式，通過以進(jìn)程為控制單位，控制進(jìn)程之間有效通信方式來解決。在Linux方式當(dāng)中，提供信號量、消息隊列和共享內(nèi)存等進(jìn)程通信方式，在關(guān)鍵點處加入控制點，例如msg_msg代表單個的消息，kern_ipc_perm代表信號，共享內(nèi)存段，或者消息隊列。進(jìn)程控制器提供的控制機(jī)制使得普通用戶的進(jìn)程只能在具有血緣關(guān)系的進(jìn)程之間來傳送消息，可有效防止信息的擴(kuò)散。

（6）設(shè)備管理器

在計算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，輸入輸出設(shè)備非常易于泄漏信息，包括打印機(jī)、終端、文件卷等。例如，黑客可以利用模擬登陸終端設(shè)備來取得用戶密碼。這個模塊負(fù)責(zé)對這些設(shè)備進(jìn)行單獨的管理，保證這些設(shè)備始終處于有效和正確的狀態(tài)下。

3 系統(tǒng)的安全特性

本質(zhì)安全型操作系統(tǒng)是在嵌入式系統(tǒng)背景下設(shè)計的一種安全操作系統(tǒng)。相對于其它嵌入式系統(tǒng)，它提供了一種根本意義上的信息安全保證；擴(kuò)展了安全操作系統(tǒng)的內(nèi)涵，引入了操作系統(tǒng)的生命周期、系統(tǒng)生成態(tài)、運(yùn)營態(tài)、消亡態(tài)概念。在不同的時間段，安全應(yīng)該有不同的考慮，而智能卡作為安全控制的基點，保證操作系統(tǒng)可在各種狀態(tài)之下轉(zhuǎn)換。智能卡健全的發(fā)生和管理機(jī)制，是安全的重要保證。下面介紹本質(zhì)安全型集中式控制操作系統(tǒng)提供的安全特性。

（1）身份標(biāo)識

在wolf-Linux系統(tǒng)當(dāng)中，身份標(biāo)識包括系統(tǒng)身份標(biāo)識和用戶身份標(biāo)識。

系統(tǒng)身份標(biāo)識是指在系統(tǒng)啟動過程當(dāng)中，對運(yùn)行的平臺和運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行身份驗證。智能卡中和操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)生成態(tài)時均被賦予了的特定數(shù)字ID，系統(tǒng)啟動時操作系統(tǒng)讀取智能卡中的ID號，進(jìn)行驗證。如果不合法，則轉(zhuǎn)入USSPEND態(tài)，不能正常啟動。通過智能卡可以有效地對系統(tǒng)的生命周期進(jìn)行監(jiān)控。

用戶身份標(biāo)識是指通常的用戶身份標(biāo)識與鑒定。系統(tǒng)采用智能卡保存用戶的關(guān)鍵信息，防止被非法篡改或竊取。

（2）進(jìn)程受控運(yùn)行

在一般的嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中，不可能對系統(tǒng)運(yùn)行的進(jìn)程進(jìn)行有效監(jiān)控，wof-Linux提出了一種以進(jìn)程控制為中心的管理方法。系統(tǒng)中運(yùn)行的程序必須取得合法性驗證才可以運(yùn)行，對于一些違法的攻擊程序可以有效進(jìn)行限制。系統(tǒng)控制粒度可以以進(jìn)程為單位，結(jié)合強(qiáng)制存取控制可以有效保證數(shù)據(jù)的安全性。

（3）集中式管理和強(qiáng)制訪問控制

不同于現(xiàn)有的系統(tǒng)安全代碼分散到系統(tǒng)的各個部分，wolf-Linux實現(xiàn)了集中式管理的策略。安全執(zhí)行部分抽象存取操作的主體和客體，提交給進(jìn)程控制器進(jìn)行判定，集中式控制保證系統(tǒng)的所有存取操作不可能繞過系統(tǒng)的安全機(jī)制。強(qiáng)制存取控制是集中式控制的一種具體實現(xiàn)的存取控制機(jī)制。

圖2給出了系統(tǒng)中安全存取控制的層次。

從上面分析可知，本質(zhì)安全型操作系統(tǒng)是指建立在特殊的硬件設(shè)備基礎(chǔ)之上，可以對系統(tǒng)運(yùn)營平臺，對系統(tǒng)進(jìn)程合法性和運(yùn)行權(quán)利進(jìn)行有效保證的安全系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)驗證分析

由上述可知，本質(zhì)安全型操作系統(tǒng)是建立在智能卡技術(shù)之上的。傳統(tǒng)的研究方法最終將系統(tǒng)的安全建立在密碼技術(shù)之上，而隨著密碼破解技術(shù)和開源操作系統(tǒng)的發(fā)展，密碼機(jī)制已經(jīng)不能有效地保證系統(tǒng)的安全。安全操作系統(tǒng)和智能卡的結(jié)合，使系統(tǒng)的安全控制點建立在軟硬件結(jié)合的技術(shù)之上，從而可對系統(tǒng)的各種狀態(tài)和環(huán)節(jié)進(jìn)行有效的控制。在翰林電子書中采用這種結(jié)合智能卡的安全控制方式，取得了良好的效果。表1提供了一般嵌入式安全操作和本質(zhì)安全型操作系統(tǒng)的安全特性對比。

表1 系統(tǒng)安全特性對比

結(jié)語

后PC時代，嵌入式系統(tǒng)成為發(fā)展主流，它的安全性是將來整個信息系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)。由于嵌入式應(yīng)用環(huán)境的多樣性，單純地使用軟件來實現(xiàn)安全操作系統(tǒng)已經(jīng)不太現(xiàn)實，軟硬件結(jié)合是一種重要的方法。本文分析了嵌入式系統(tǒng)面臨的安全問題的特點，提供了一個全新的安全概念，豐富了操作系統(tǒng)安全研究的內(nèi)涵。目前由于系統(tǒng)攻擊方法的多樣性，多策略支持已經(jīng)成為主要發(fā)展方向。Linux社區(qū)已經(jīng)實現(xiàn)lsm多策略支持安全控制框架，可以支持se-linux的flask的安全體系結(jié)構(gòu)和capability的權(quán)能控制機(jī)制。在研究安全操作系統(tǒng)時，安全機(jī)制對系統(tǒng)性能的影響是一個需要嚴(yán)肅考慮的問題。在一般的安全控制機(jī)制中，系統(tǒng)的性能大概會下降10%～20%，因此需要衡量控制范圍和性能影響，同時要提供完善的緩存機(jī)制。