基于RT-Linux防危保障機(jī)制的實驗?zāi)Ｐ?/h1>
關(guān)鍵詞：防危核 安全核 實時系統(tǒng) 防危策略
早在19世紀(jì)70年代，為保證系統(tǒng)中的敏感信息不被非法用戶惡意破壞和非法訪問，Roger Schell和Mitre等人提出了安全核（security kernel）的概念。安全核將系統(tǒng)中的軟件隔離為可信的和不可信的兩部分，由可信賴信號負(fù)責(zé)對不可信部分進(jìn)行審核，以保證不可信部分不會對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行非法和錯誤的訪問。安全核的技術(shù)在信息安全領(lǐng)域中取得了成功并得到廣泛的應(yīng)用。在安全核基礎(chǔ)上，Rushby等人又進(jìn)一步提出了防危核（safety kernel）的概念，用于防止軟件對安全關(guān)鍵設(shè)備的非法訪問，從而保障系統(tǒng)安全。防危核由一組防危策略和隔離組成，因此，防危策略的完備性和低開銷是防隱核可靠和高效的關(guān)鍵。現(xiàn)在，對防危核的研究還處于初級階段，本文介紹我們基于RT-Linux實現(xiàn)的隊危核。實驗結(jié)果表明了該方案的有效性和可行性。
1 防危核技術(shù)
防危核關(guān)心的是如何保護(hù)設(shè)備不被非法訪問，
以避免因?qū)υO(shè)備的誤操作引起的重大生命財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。防危核把受保護(hù)設(shè)備與系統(tǒng)中的其它部分隔離，通過實施防危策略（safety policy）對這些設(shè)備的訪問進(jìn)行特殊控制。凡是對受保護(hù)設(shè)備的訪問，都必須經(jīng)過危核的審查，合法者予以支持；反之，則采取相應(yīng)的出錯處理措施，維護(hù)系統(tǒng)的防危特性，這樣就能很好地避免軟件故障造成的災(zāi)難后果。從應(yīng)用軟件的角度來看，防危核的原理如圖1所示。在工程應(yīng)用中，要保證危核的有效性，必須遵循下列3項規(guī)則。
（1）短小精練
為了不影響系統(tǒng)的性能，防危核應(yīng)盡可能小，為此系統(tǒng)所有的防危核策略均由防危核為實施是不現(xiàn)實的。采用將防危策略放在防危核外部的防危策略庫中的方法，縮小防危核的大小主，防危核在防危處理時訪問防危策略庫，以獲取相應(yīng)防危策略。
（2）完備性
完備性要求，不通過防危核主體就不能對客體進(jìn)行任何訪問操作。它表明對設(shè)備的任何訪問請求都必須通過防危核的驗證。如果系統(tǒng)中存在其它組件可以繞開防危核訪問設(shè)備，顯然安全將無法得到保障。所以采用了防危核技術(shù)的系統(tǒng)必須要保證防危核對設(shè)備的專一控制。
（3）通用性
通用性指防危核模塊的基本結(jié)構(gòu)不依賴于任何特定的操作系統(tǒng)和設(shè)備，只需要操作系統(tǒng)和設(shè)備滿足防危核的接口要求，并修改策略庫，就可以將防危核軟件應(yīng)用到任何操作系統(tǒng)和設(shè)備中。
2 開發(fā)平臺RT-Linux OS構(gòu)架與特征
通常，安全關(guān)鍵系統(tǒng)對實時性有嚴(yán)格要求，我們選擇RT-Linux操作系統(tǒng)為安全實驗?zāi)Ｐ偷拈_發(fā)平臺。
RT-Linux是美國NMT大學(xué)對標(biāo)準(zhǔn)Linux的一個實時擴(kuò)展版本，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它實際上是給原Linux內(nèi)核打了實時補(bǔ)丁，打了補(bǔ)丁的Linux內(nèi)核由兩部分組成：RT-Linux和Linux。在RT-Linux內(nèi)核實時應(yīng)用（任務(wù)）則是一種可加載的內(nèi)核模塊，具有高的優(yōu)先級。另外，所有的中斷都先由RT-Linux來處理，之后才由標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核來處理。非實時任務(wù)通過RT-Linux提供的FIFO（一種透明的管道）與實時任務(wù)通信。
RT-Linux可以提供應(yīng)用程序的硬實時保證。所謂“硬實時”是區(qū)別“軟實時”而言的。硬實時對滿足時限的要求比軟實時嚴(yán)格，通常硬實時的系統(tǒng)響應(yīng)時間在ms或μs級，而軟實時對其響應(yīng)時間的要求沒有那么嚴(yán)格。硬實時工作通常指超過時限要求就會造成嚴(yán)重?fù)p害的工作，而軟實時即使超過時限也不會帶來嚴(yán)重后果。以核能電廠和看VCD為例，用在核能電廠的實時操作系統(tǒng)，如果超出時限可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的損害，然而VCD播放器超出時限只不過讓使用者感覺不舒服而已。所以前者是硬實時，后者是軟實時。
這樣一種Linux實時化方案，對原Linux改動最小，又能充分利用標(biāo)準(zhǔn)Linux的全部特性，從而能滿足實時系統(tǒng)防危核控制模型研究的諸多要求，因此，NMT RT-Linux是本安全模型研究的最佳實驗平臺。
3 Linux平臺的其它使用資源
通常，基于RT-Linux的應(yīng)用程序由兩部分組成：一部分運(yùn)行在Real-Time下，另一部分運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)的Linux下。運(yùn)行在Real-Time下的任務(wù)是實時任務(wù)，它作為Linux的內(nèi)核模塊（Module）被加載到Linux內(nèi)核中，也就是它運(yùn)行于Linux內(nèi)核態(tài)，因此需要使用Linux內(nèi)核態(tài)資源。本控制模型系統(tǒng)中的防危核正是作為實時任務(wù)運(yùn)行于Linux內(nèi)核態(tài)，而十字路口交通燈控制設(shè)備運(yùn)行于標(biāo)準(zhǔn)Linux下?？刂圃O(shè)備任務(wù)采用Linux的TCL/TK圖形編程語言編程，以友好、形象、直觀的界面模擬防危核對十字路口交通燈的控制。下面將分別介紹上述資源。
3.1 內(nèi)核模塊加載機(jī)制
Linux提供的可加載內(nèi)核模塊（Module）是Linux內(nèi)核支持的動態(tài)可加載模塊，它們是核心的一部分；但是并沒有編譯到核心里面去，只是一個目標(biāo)文件，可根據(jù)需要在系統(tǒng)啟動后動態(tài)地加載或卸載，Linux中大多數(shù)設(shè)備驅(qū)動程序或文件系統(tǒng)都做成這樣的模塊。超級用戶可以通過insmod和rmmod命令分別載入和卸載模塊。核心也可在需要時，請求守護(hù)進(jìn)程（kerneld）載入和卸載模塊。這種方式可以減小核心代碼的規(guī)模，使核心配置更為靈活，并且用戶不必每次修改后都重新編譯核心代碼和啟動系統(tǒng)。
一旦Linux模塊載入核心后，就成為核心代碼的一部分。它與其它核心代碼的地位是相同的。當(dāng)模塊載入系統(tǒng)核心時，系統(tǒng)修改核心中的符號表，將新裁入模塊提供的資源和符號加載核心符號表中，新載入的模塊可以訪問已載入的模塊提供的資源為自己服務(wù)。
3.2 TCL/TK圖形編程語言
本系統(tǒng)中的圖形用戶界面采用TCL/TK圖形編程語言，使界面友好、形象、直觀。TCL是Tool Control Language（工具控制語言）的縮寫。TK是TCL“圖形工具箱”的擴(kuò)展，它提供各種標(biāo)準(zhǔn)的GUL接口，以利于迅速進(jìn)行高級應(yīng)用程序開發(fā)。
TCL/TK是一種解釋執(zhí)行的腳本語言，應(yīng)用中通常將嵌入到C程序中?！靶∏?、易學(xué)、高效、跨平臺執(zhí)行”是TCL語言特點的集中體現(xiàn)。實際上，TCL不僅僅在開發(fā)小的應(yīng)用程序上有其快速、可維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)勢，在大型應(yīng)用系統(tǒng)方面，如操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理、測試系統(tǒng)、自控、仿真、可視化應(yīng)用及計算機(jī)輔助設(shè)計等方面都有豐富的應(yīng)用成果。
4 防危核實驗原型的設(shè)計與實現(xiàn)
圖3為以交通燈控制為模型的防危核系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。
由圖3可以看出，整個系統(tǒng)由四個部分組成：防危核、模擬設(shè)備、設(shè)備控制器、命令文件。防危核作為RT-Linux的實時任務(wù)，與模擬設(shè)備、設(shè)備控制器間的通信采用RT-Linux提供的實時FIFO；而模擬設(shè)備和設(shè)備控制器間的通信使用Linux提供的非實時命名管道。下面仔細(xì)分析各模擬所提供的功能。2⑤⑥⑦sΔδΛΔωω·αγ∈βθθθ→→→→ττ 防危核模塊的設(shè)計和實現(xiàn)
系統(tǒng)在運(yùn)行時先通過命令insmod將防危核動態(tài)加載到Linux內(nèi)核中，于是它便一直運(yùn)行內(nèi)核態(tài)。當(dāng)不需要時再用命令rmmod手動卸載。這種方式下會對操作系統(tǒng)內(nèi)核的基本功能產(chǎn)生任何影響，同時又可以保證demo系統(tǒng)的實時性。
防危核分為主模塊和命令檢測模塊。主模塊負(fù)責(zé)接收設(shè)備控制器傳來的設(shè)備命令和模擬設(shè)備發(fā)送的設(shè)備狀態(tài)，然后根據(jù)命令參數(shù)的不同情況進(jìn)行相應(yīng)的處理。如果用戶要求命令不需要通過防危核驗證，則直接將命令發(fā)送到模擬設(shè)備；如果用戶要求命令通過防危核驗證，則主模塊將調(diào)用命令檢測模塊進(jìn)行命令的合法性檢測，命令檢測模塊以函數(shù)形式存在并且按照交通燈的防危策略而設(shè)計。函數(shù)名為int SafetyDetect（DevState CurrentState,SourceCmdNewCom），函數(shù)返回值為命令判斷結(jié)果。如果驗證設(shè)備命令合法，則主模塊將設(shè)備命令及返回值一起發(fā)送到模擬設(shè)備，模擬設(shè)備據(jù)此改變設(shè)備狀態(tài)；如果驗證設(shè)備操作命令非法，則主模塊向設(shè)備控制器返回命令檢測模塊的返回值，設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)不改變。
為使防危核盡可能小并具有通用性和擴(kuò)展性，將含有防危策略的命令檢測模塊以函數(shù)的形式存在于防危策略庫中，當(dāng)防危核需要防危處理時，便到訪問策略庫中調(diào)用此相關(guān)函數(shù)。若設(shè)備改變，則只需向策略庫中添加或修改相應(yīng)設(shè)備的防危策略。另外，防危核作為內(nèi)核模塊，采用內(nèi)核模塊的編寫方式編寫，模塊中只能使用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。
下面定義以交通燈為模型的防危系統(tǒng)的防危策略。
返回值=0；
/*表明經(jīng)防危核驗證為正確命令*/
返回值=1；
/*命令經(jīng)防危核直接傳送到模擬設(shè)備而未經(jīng)過安全檢測模塊驗證，模擬設(shè)備狀態(tài)根據(jù)此值改變*/
返回值=2；
/*當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)驗證失敗，失敗原因不明。
措施：模擬設(shè)備保持當(dāng)前狀態(tài)不變*/
返回值=3；
/*同一個方向有多個信號燈同時開啟。
措施：所有交通燈都關(guān)閉，然后在收到新的命令前設(shè)備執(zhí)行缺省命令序列，此處由模擬設(shè)備接到“3”時直接處理*/
返回值=4；
/*四個方向同時為黃燈或綠燈。
措施：系統(tǒng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。在收到新的命令前設(shè)備執(zhí)行缺省狀態(tài)*/
反回值=5；
/*命令驗證失敗，失敗原因不明，
措施：模擬設(shè)備保持當(dāng)前狀態(tài)不變*/
返回值=6；
/*信號燈保持當(dāng)前狀態(tài)的時間短于最短時間（<2s），
措施：模擬設(shè)備自動延遲（Sleep(Time)）顯示此命令*/
返回值=7；
/*使同一個方向有多個信號燈同時開啟的信號燈命令錯誤。
措施：不執(zhí)行此命令，保持當(dāng)前信號燈狀態(tài)*/
返回值=8；
/*命令的執(zhí)行將會使信號燈變化的順序不正確。
措施：不執(zhí)行此命令，保持當(dāng)前信號燈狀態(tài)*/
返回值=9；
/*四個方面同時為黃燈或綠燈的命令。
措施：不執(zhí)行此命令，保持不前信號燈狀態(tài)*/
4.2 模擬設(shè)備模塊
防危核系統(tǒng)中以十字路口交通燈模擬外部設(shè)備。當(dāng)經(jīng)防危驗證設(shè)備命令合法時，此模擬接受防危核傳入的真實設(shè)備命令int RealCmd（），并向防危核返回設(shè)備當(dāng)前最新狀態(tài)。用圖形方式形象、直觀地顯示設(shè)備本身的實時狀態(tài)（交通燈顏色的變化）、模擬設(shè)備當(dāng)前接收的命令和命令驗證結(jié)果（合法或非法命令，對非法命令顯示出錯原因）。
該進(jìn)程中設(shè)有三個線程，其中第一個線程專門用于讀管道FIFO6（實時管道）獲取防危核發(fā)送的控制命令，第二個線程讀管道m(xù)yfifo（非實時管道）獲取命令控制器發(fā)送的設(shè)備控制命令，第三個線程用TCL/TK腳本語言實現(xiàn)模擬設(shè)備形象、美觀的圖形顯示功能。當(dāng)模擬設(shè)備啟動后，自動進(jìn)行初始化并調(diào)用缺省的交通燈控制命令序列完成基本操作，直以有來自設(shè)備控制和防危核的設(shè)備控制命令為止。若交通燈的顯示時間超過一定時間，則強(qiáng)制設(shè)備執(zhí)行缺省的設(shè)備狀態(tài)。
4.3 設(shè)備控制器模塊
模擬設(shè)備控制器作為一個進(jìn)程獨立運(yùn)行，控制器先從命令文件中獲取命令參數(shù)，然后根據(jù)命令的防危等級分別向模擬設(shè)備和防危核發(fā)送設(shè)備操作命令（包括正常的和不正常的操作命令）。命令中設(shè)置了時間控制參數(shù)，控制器按此時間間隔值發(fā)送設(shè)備命令。
4.4 設(shè)備命令文件
設(shè)備命令文件中存放了各種對交通燈的操作命令，包括正常和不正確命令。命令執(zhí)行有三種防危等級可供選擇：第一種，不通過防危核的命令，操作命令直接由設(shè)備控制器發(fā)送到模擬設(shè)備；第二種，通過防危核并驗證其正確性的命令，此時防危核將調(diào)用防危策略庫的相應(yīng)防危策略驗證命令，然后將驗證結(jié)果發(fā)送到模擬設(shè)備；第三種，通過防危核但不驗證設(shè)備操作的命令，命令被防危核直接送到模擬設(shè)備。設(shè)計三種等級命令的目的在于，比較是否使用防危核或是否進(jìn)行命令驗證在系統(tǒng)性能和防危性上的差異。
設(shè)備的命令格式為：char SourceCmd="Cmd east-light,Cmd north-light,Cmd west-light,Cmd south-light,int Time,bool Verifiedl,bool Verfied2"。操作命令要對十字路口的12盞交通燈進(jìn)行操作控制。參數(shù)Time指本命令相對于前一條命令延遲多長時間發(fā)送。參數(shù)Verified1=0表示不經(jīng)過防危核驗證直接傳送到設(shè)備的命令；Verified1=1表示要經(jīng)過防危核驗證。Verified2=0表示該命令直接發(fā)送到模擬設(shè)備不經(jīng)過防危核的任何處理；Verified2=1表示該命令要通過防危核。
Struct Cmd
{
char first-light-color;
char second-light-color;
char third-light-color;
}
first-light-color,second-light-color,third-light-color表示每個方向三盞燈的顏色插入相應(yīng)的顏色的圖片。整個圖形界面形象、美觀。
5 實驗系統(tǒng)的測試評價
根據(jù)防危核設(shè)計要求，從防危核的大小、對系統(tǒng)實時性的影響以及完備性三方面對本實驗系統(tǒng)進(jìn)行測試。
①防危核大小：防危核所編譯后的目標(biāo)文件為5KB，相對于RT-Linux內(nèi)核源碼是非常小的。
②時間開銷：將防危核對控制命令驗證所需時間進(jìn)行了200次測試，得出其平均時間僅10μs左右，說明防危核對系統(tǒng)實時性影響非常小。
③完備性：將防危核對第二種控制命令各種情況的防危處理結(jié)果表明，防危核的驗證結(jié)果完全正確。說明滿足防危核完備性要求。
以上對防危核的測試結(jié)果表明，本控制模型完全滿足防危核設(shè)計要求，防危核機(jī)制完全可以在實時操作系統(tǒng)中使用。
結(jié)語
根據(jù)防危核等相關(guān)理論并結(jié)合RT-Linux操作系統(tǒng)本身的特色，本文先從理論上分析了在RT-Linux中實現(xiàn)防危核的可行性，然后通過實際例子實現(xiàn)了基于RT-Linux的防危核，為防危核探索了一種新的實現(xiàn)途徑。最后，通過對實驗系統(tǒng)的測試進(jìn)一步證明防危保障機(jī)制在實時操作系統(tǒng)中完全可行
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