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，負責為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境和訪問硬件的接口，它的安全性是信息安全的基礎(chǔ)。現(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)，可以對信息進行安全的保護。

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)本身和運行的平臺進行標識，可以對用戶身份、進程的合法性進行嚴格的控制。

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制，在系統(tǒng)主體對客體進行訪問時，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）強制存取控制

在自主存取控制當中，由于管理不當或者操作失誤，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，當且僅當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，當且僅當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，當全僅當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，對安全模型進行分析，并且給出數(shù)學證明。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。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，便可認為系統(tǒng)處于安全狀態(tài)并可在狀態(tài)之間進行轉(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前安全級。

人們習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在多年的研究當中被認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）都是有可信進程來實現(xiàn)的，但是BLP模型并沒有對可信進程進行說明，可信進程也不受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制的安全操作系統(tǒng)。