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(duì)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。        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)特性是簡單安全特性和*特性。（1）簡單安全特性（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。