本質(zhì)安全型集中式控制安全操作系統(tǒng)研究
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關(guān)鍵詞：安全操作系統(tǒng) 安全模型 集中式控制 本質(zhì)安全型 強(qiáng)制存取控制
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(tái)、安全的信息處理平臺(tái)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(jì)的特點(diǎn)，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(duì)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(tái)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(duì)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(huì)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(jì)初期，安全模塊應(yīng)該被獨(dú)立地提出來，成為操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yàn)證和存儲(chǔ)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(shí)，智能卡本身具有加密的文件系統(tǒng)，可以對(duì)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(shí)，首次將智能卡技術(shù)引用到安全控制當(dāng)中，作為整個(gè)安全體系結(jié)構(gòu)的保證。智能卡用于對(duì)操作系統(tǒng)本身和運(yùn)行的平臺(tái)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，可以對(duì)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(duì)客體進(jìn)行訪問時(shí)，判定訪問請(qǐng)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(huì)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(jí)的方式實(shí)現(xiàn)。安全級(jí)含“密級(jí)”和“部門集”兩方面。密級(jí)又分為無密、秘密、機(jī)密、絕密四級(jí)。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(jí)和當(dāng)前安全級(jí)。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(jí)高于客體，當(dāng)且僅當(dāng)主體的密級(jí)高于客體的密級(jí)，且主體的部門集包含客體的部門集；②主體對(duì)客體具有讀權(quán)限，當(dāng)且僅當(dāng)主體的安全級(jí)高于客體的安全級(jí)；③主體對(duì)客體具有寫權(quán)限，當(dāng)全僅當(dāng)主體的安全級(jí)低于或者等于客體的安全級(jí)。
安全模型是系統(tǒng)安全特性的描述，是對(duì)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(jì)方法，通常是先設(shè)計(jì)安全模型，對(duì)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(jì)是研究安全操作系統(tǒng)的重要成果，可以對(duì)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)安全策略的形式化描述。它通過系統(tǒng)安全級(jí)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(dòng)時(shí)處于安全狀態(tài)的話，即可按安全轉(zhuǎn)換規(guī)則，在各個(gè)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(jí)和部門集。主體安全級(jí)包含最高安全級(jí)的當(dāng)前安全級(jí)。主體對(duì)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(gè)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(gè)特性是簡(jiǎn)單安全特性和*特性。
（1）簡(jiǎn)單安全特性（ss-property）
如果一個(gè)主體對(duì)一個(gè)客體具有讀的權(quán)限，則客體的安全級(jí)不能比主體的最大安全級(jí)高。
（2）*特性（*-property）
主體對(duì)客體有“只寫”的權(quán)限，則客體的安全級(jí)至少和主體的最高安全級(jí)一樣高。
主體對(duì)客體有“讀”權(quán)限，則客體的安全級(jí)不會(huì)比主體的當(dāng)前安全級(jí)高。
主體對(duì)客體有“讀寫”權(quán)限，則客體安全級(jí)等于主體的當(dāng)前安全級(jí)。
人們習(xí)慣上將簡(jiǎn)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(gè)問題：①系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)的信息處理（例如主體的安全級(jí)的變化）都是有可信進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)的，但是BLP模型并沒有對(duì)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(shí)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(shí)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(duì)操作系統(tǒng)本身、進(jìn)程合法性和運(yùn)行權(quán)利進(jìn)行驗(yàn)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(jì)模塊?？傮w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(jì)模塊負(fù)責(zé)對(duì)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(shí)抽象主體和客體，提交訪問請(qǐng)求并執(zhí)行訪問結(jié)果。下面主要介紹各個(gè)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(dòng)時(shí)，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(yàn)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(shí)間、操作系統(tǒng)身份ID。這個(gè)ID號(hào)相當(dāng)規(guī)模識(shí)了一個(gè)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(huì)討論）。安全模塊通過智能卡的驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，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(shí)現(xiàn)了策略的獨(dú)立性，所以安全模塊可以在實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)接口、安全策略的管理接口。通過這些接口函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)安全策略的配置，系統(tǒng)安全特性針對(duì)不同的工作環(huán)境，可以動(dòng)態(tài)變化。安全模塊的固化設(shè)計(jì)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(gè)：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(qǐng)求并返回判定結(jié)果；同時(shí)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(jì)漏洞，或者用戶的誤操作來取得高級(jí)權(quán)限。在我們研究這類安全問題時(shí)，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(duì)每一個(gè)進(jìn)程進(jìn)行控制，確保用戶所啟動(dòng)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(duì)文件系統(tǒng)的操作和對(duì)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(shí)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(diǎn)之一。隨通道是指按照常規(guī)不會(huì)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(chǔ)隱通道和時(shí)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(hào)量、消息隊(duì)列和共享內(nèi)存等進(jìn)程通信方式，在關(guān)鍵點(diǎn)處加入控制點(diǎn)，例如msg_msg代表單個(gè)的消息，kern_ipc_perm代表信號(hào)，共享內(nèi)存段，或者消息隊(duì)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(jì)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(gè)模塊負(fù)責(zé)對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)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(jì)的一種安全操作系統(tǒng)。相對(duì)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(shí)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(diǎn)，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(shí)
在wolf-Linux系統(tǒng)當(dāng)中，身份標(biāo)識(shí)包括系統(tǒng)身份標(biāo)識(shí)和用戶身份標(biāo)識(shí)。
系統(tǒng)身份標(biāo)識(shí)是指在系統(tǒng)啟動(dòng)過程當(dāng)中，對(duì)運(yùn)行的平臺(tái)和運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行身份驗(yàn)證。智能卡中和操作系統(tǒng)中，在系統(tǒng)生成態(tài)時(shí)均被賦予了的特定數(shù)字ID，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)操作系統(tǒng)讀取智能卡中的ID號(hào)，進(jìn)行驗(yàn)證。如果不合法，則轉(zhuǎn)入U(xiǎn)SSPEND態(tài)，不能正常啟動(dòng)。通過智能卡可以有效地對(duì)系統(tǒng)的生命周期進(jìn)行監(jiān)控。
用戶身份標(biāo)識(shí)是指通常的用戶身份標(biāo)識(shí)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(duì)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(yàn)證才可以運(yùn)行，對(duì)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(gè)部分，wolf-Linux實(shí)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(shí)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(duì)系統(tǒng)運(yùn)營平臺(tái)，對(duì)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(yàn)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(diǎn)建立在軟硬件結(jié)合的技術(shù)之上，從而可對(duì)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(duì)比。
表1 系統(tǒng)安全特性對(duì)比
|
系 統(tǒng) |
本質(zhì)安全型操作系統(tǒng) | 一般的安全操作系統(tǒng) |
| 控制粒度 | 以進(jìn)程為單位 | 以用戶為單位 |
| TCB的設(shè)計(jì)方式 | 采用智能卡固化設(shè)計(jì) | 純軟件設(shè)計(jì) |
| 控制方式 | 集中式管理 | 分散式管理 |
| 控制環(huán)節(jié) | 多環(huán)節(jié)支持 | 存儲(chǔ)和訪問環(huán)節(jié) |
| 身份標(biāo)識(shí)與鑒定 | 基于智能卡的增強(qiáng)型 | 基于普通密碼機(jī)制 |
| 存取控制方式 | 強(qiáng)制存取控制和自主存取控制 | 自主存取控制 |
結(jié)語
后PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)成為發(fā)展主流，它的安全性是將來整個(gè)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(shí)現(xiàn)安全操作系統(tǒng)已經(jīng)不太現(xiàn)實(shí)，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(diǎn)，提供了一個(gè)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(shí)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(shí)，安全機(jī)制對(duì)系統(tǒng)性能的影響是一個(gè)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(huì)下降10%～20%，因此需要衡量控制范圍和性能影響，同時(shí)要提供完善的緩存機(jī)制。
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