基于uCOSII的MAC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘  要： 針對(duì)嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中越來越突出的信息安全問題。本文以u(píng)COSII操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在其上增加了強(qiáng)制訪問控制MAC模塊。模塊參照BLP安全模型，根據(jù)uCOSII特性設(shè)計(jì)出BLP修正模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的強(qiáng)制存取控制。
關(guān)鍵字：強(qiáng)制訪問控制 安全模型 安全操作系統(tǒng)

1   引言

    隨著嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)用的日益普及，特別是嵌入式設(shè)備不斷的網(wǎng)絡(luò)化、智能化，嵌入式計(jì)算機(jī)的安全就成為一個(gè)急待解決的問題。許多嵌入式計(jì)算機(jī)處理的信息涉及到國家政治經(jīng)濟(jì)安全，工商業(yè)情報(bào)等，不采取有效的安全防范措施，一旦受到攻擊將造成巨大的損失。

    在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，安全機(jī)制的重要內(nèi)容就是存取控制。一般存在二種存取控制形式：自主訪問控制和強(qiáng)制訪問控制。

    自主訪問控制具有很大的缺陷性。由于它的“自主”能力，從理論上講根本不可能建立對(duì)特洛伊木馬的有效防護(hù)機(jī)制。而強(qiáng)制訪問控制MAC則強(qiáng)制性嚴(yán)格規(guī)定各個(gè)客體屬性，實(shí)現(xiàn)了信息的單向流通，可以有效的抵制特洛伊木馬的攻擊。

2   MAC控制模型

2.1 強(qiáng)制訪問控制MAC簡(jiǎn)介

    在強(qiáng)制訪問控制下，系統(tǒng)中的每個(gè)進(jìn)程，每個(gè)文件和每個(gè)IPC客體(消息，信號(hào)量和共享區(qū)域)都被賦予了相應(yīng)的安全屬性，這些屬性是有安全管理員或者系統(tǒng)自動(dòng)生成的，是不能隨意改變的。主體對(duì)任何客體的訪問要求，必須經(jīng)過MAC訪問控制模塊的檢測(cè)。如圖1所示。

圖1  MAC結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 形式化安全模型BLP

    本文采用的MAC安全模型將基于改進(jìn)的BLP模型（Bell－LaPadula Module）的安全策略包括二部分：自主安全策略和強(qiáng)制安全策略。模型認(rèn)為系統(tǒng)中的活動(dòng)使系統(tǒng)狀態(tài)不斷變化，但是必須保持所有的狀態(tài)都是系統(tǒng)安全狀態(tài)。由此定義所有系統(tǒng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)則必須保持簡(jiǎn)單安全性，*特性和自主安全性。

    與BIBA模型（BIBA Module）相反，BLP模型主要注重保密性控制，控制信息從低安全級(jí)傳向高安全級(jí)，但是缺少完整性的控制，其“向上寫”規(guī)則存在潛在的危險(xiǎn)，它不能夠有效的限制隱通道。因此對(duì)其規(guī)則中所有涉及到可能對(duì)客體內(nèi)容進(jìn)行改動(dòng)的操作以更嚴(yán)格控制，修改后規(guī)則如下：

(O∈b(S:a))=>(f_o(O)=f_c(S))

(O∈b(S:w))=>(f_o(O)=f_c(s))

(O∈b(S:r))=>(f_o(S)>f_c(O))

(O∈b(S:c))=>(f_o(O)<f_c(S))

(O∈b(S:x))=>(f_o(S)>f_c(O))

其中：

S表示主體：用戶，進(jìn)程等；

O表示客體：文件，信號(hào)量等；

主體對(duì)客體的訪問屬性A分為：r（只讀），a（只寫），w（讀寫），x（執(zhí)行）和c（控制）；

b （S×O×A）表示某個(gè)特定狀態(tài)下，主體以何方式訪問客體；

f_o表示客體的安全級(jí)函數(shù)；

f_c表示主體當(dāng)前的安全級(jí)函數(shù)；

    可以看出根據(jù)修改后的規(guī)則當(dāng)進(jìn)行只寫操作時(shí)，主體必須具有與客體相同的安全屬性。

2.3 BLP模型在uCOSII中的應(yīng)用

    為了使BLP在uCOSII中運(yùn)用，必須進(jìn)行模型與uCOSII的對(duì)應(yīng)性分析。下面我們將討論模型的系統(tǒng)狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)安全狀態(tài)初始化在uCOSII中的對(duì)應(yīng)實(shí)施方式。

2.3.1 BLP模型的系統(tǒng)狀態(tài)

    系統(tǒng)狀態(tài)是集合V=(B×M×F×H)中的元素。其中B是S×O×A的集合，在uCOSII中主體S只有進(jìn)程，當(dāng)用戶登錄后，所有由用戶發(fā)起的進(jìn)程都會(huì)繼承用戶的安全級(jí)。uCOSII系統(tǒng)中客體O主要有進(jìn)程，文件，共享內(nèi)存，消息和信號(hào)量。模型的訪問權(quán)限集由r（讀），a（追加寫），w（寫），x（執(zhí)行）和－（空）組成。在uCOSII中把追加寫也認(rèn)為是寫，所以訪問權(quán)限集由四個(gè)屬性組成。

    uCOSII中存取控制矩陣M將通過每個(gè)客體屬性中16bit的保護(hù)模式實(shí)現(xiàn)。而安全級(jí)別函數(shù)F由賦予主體的當(dāng)前安全級(jí)別和賦予客體的安全級(jí)別組成。安全級(jí)別是由密級(jí)和域二部分組成的。密級(jí)共分為三級(jí)：top secret，secret和unsecret。域分為用戶空間域，系統(tǒng)管理域和安全控制域。

    uCOSII是一個(gè)嵌入式的系統(tǒng)，我們采用的文件系統(tǒng)將是一個(gè)一級(jí)目錄的文件系統(tǒng)。所以對(duì)于文件不存在客體層次結(jié)構(gòu)H。

2.3.2 BLP模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

       模型要求狀態(tài)轉(zhuǎn)換的任一規(guī)則都要保持系統(tǒng)安全狀態(tài)。uCOSII系統(tǒng)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換都是通過系統(tǒng)調(diào)用實(shí)施的。系統(tǒng)中定義了基本的調(diào)用接口。當(dāng)出現(xiàn)調(diào)用時(shí)，系統(tǒng)通過軟中斷下陷到安全控制域中完成操作，以保證狀態(tài)的安全。

2.3.3 BLP模型的安全狀態(tài)初始化

       uCOSII系統(tǒng)的安全初始化是在系統(tǒng)常規(guī)服務(wù)啟動(dòng)以前完成的。主要包括：

① MAC機(jī)制和DAC機(jī)制的初始化。

② 系統(tǒng)中客體安全屬性的配置與檢測(cè)。

③ 審計(jì)跟蹤機(jī)制的啟動(dòng)和日志數(shù)據(jù)庫的初始化。

3   MAC模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1  MAC模塊的設(shè)計(jì)

    在模塊設(shè)計(jì)中，安全策略實(shí)施代碼被集成到操作系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)中。在各個(gè)子系統(tǒng)中建立客體管理器?，F(xiàn)在主要有MAC進(jìn)程管理器，MAC文件系統(tǒng)管理器，MAC網(wǎng)絡(luò)管理器。對(duì)于進(jìn)程的訪問控制是MAC模塊的重點(diǎn)。MAC進(jìn)程管理器中不僅包括進(jìn)程的訪問控制還包括消息，信號(hào)量等IPC客體的訪問控制。只有這些IPC客體的配合才能真正做到進(jìn)程的MAC控制。

    由于安全措施是運(yùn)用在嵌入式操作系統(tǒng)上的，必須對(duì)一般的MAC控制方式進(jìn)行裁減，并作出一些規(guī)定以方便模塊的實(shí)現(xiàn)。

（1）主體只有進(jìn)程。作為主體的用戶在系統(tǒng)中表現(xiàn)為繼承用戶的安全屬性的進(jìn)程。

（2）整個(gè)系統(tǒng)中大部分客體的密級(jí)和范疇都是事先定義的，除了重新編譯系統(tǒng)外，無法作出改變。

（3）安全管理員可以更改與它同密級(jí)的安全配置文件和用戶帳戶屬性文件信息，但是不能修改其他任何信息。

（4）為了方便策略的更改，安全策略的實(shí)施代碼與安全策略的決策代碼是嚴(yán)格劃分的。

       為了保持uCOSII系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)訪問要求的判斷在保持正確性的基礎(chǔ)上要盡量快捷。當(dāng)判斷為非法訪問時(shí)，還需要進(jìn)行一系列的后續(xù)操作，如恢復(fù)進(jìn)程狀態(tài)，記錄訪問情況，審計(jì)判斷等，這些操作的實(shí)施將保持在一個(gè)較低的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)上，盡量避免影響其他進(jìn)程的運(yùn)行，減少對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的影響。

       模塊實(shí)施框架如圖2所示。

圖2 MAC模塊框架圖

3.2 MAC模塊的實(shí)現(xiàn)

3.2.1 MAC訪問控制的實(shí)現(xiàn)過程

       整個(gè)MAC模塊以模塊化方式實(shí)現(xiàn)，依據(jù)設(shè)計(jì)中的要求可以分為客體管理器、響應(yīng)處理單元和策略庫三個(gè)部分。整個(gè)控制過程如圖3所示。

圖3 MAC控制流程圖

3.2.2 MAC模塊中重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)

對(duì)于主體對(duì)象的安全屬性以如下結(jié)構(gòu)體表示：

struct label {

    int flags;   //是否已經(jīng)初始化

//主體安全屬性

    unsigned int prio; //主體安全級(jí)別

    unsigned long reg //主體范疇

    void (*dfs_handle); //默認(rèn)處理句柄   

};

    考慮到系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),所以策略不應(yīng)該很復(fù)雜.策略庫在系統(tǒng)初始化時(shí)加載到RAM中,策略庫以單向鏈表形式存在.每個(gè)結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

struct macpolicy {

  struct macpolicy *next //用于連接下一個(gè)結(jié)點(diǎn)

  char *mpc_name;  //違規(guī)操作名稱

  void (*mpc_ops);   //策略操作句柄

  void (*restore);   //恢復(fù)操作句柄

};

    目前一共有三個(gè)客體管理器，管理四個(gè)類型的客體：進(jìn)程，IPC客體，文件，網(wǎng)絡(luò)事件。針對(duì)每一類客體都有一個(gè)訪問控制函數(shù)，對(duì)該類客體的訪問作出初步判斷：

(1) mac_checkprocess(struct label *p,OS_TCB *q)

    本函數(shù)實(shí)施對(duì)進(jìn)程的訪問控制，第一個(gè)參數(shù)為訪問者的安全屬性，第二個(gè)參數(shù)為被訪問進(jìn)程的控制塊指針。

(2) mac_checkfs(struct label *p,pfile *q, INT8U optype ,int state)

    本函數(shù)實(shí)施對(duì)文件系統(tǒng)的訪問控制，第二個(gè)參數(shù)為指向文件客體的指針，第三個(gè)參數(shù)對(duì)客體的操作類型，第四個(gè)參數(shù)為文件系統(tǒng)的狀態(tài)，供審計(jì)跟蹤使用。

(3) mac_checkevent(struct label *p,EVENT *q, INT8U optype)

    本函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)ipc客體的訪問控制。參數(shù)中分別指明操作者和被操作客體，還有操作類型。

(4) mac_checknet(struct label *p,SOCKET *q, INT8U optype)

    本函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)客體的訪問控制。主體對(duì)任何一個(gè)套接字的訪問操作必須通過該函數(shù)的控制。

    通過上述四個(gè)函數(shù)的判斷，當(dāng)出現(xiàn)非法訪問請(qǐng)求時(shí)，必須對(duì)操作進(jìn)程進(jìn)行一定的控制：

(5) mac_erropt(void *pdata)

    該函數(shù)是作為一個(gè)出錯(cuò)處理的入口函數(shù)?？腕w管理器將把訪問情況通過無類型參數(shù)pdata傳遞給本函數(shù)，函數(shù)根據(jù)訪問情況分別調(diào)用各個(gè)客體的錯(cuò)誤處理函數(shù)。

    對(duì)于四個(gè)類型的客體分別有一個(gè)通用的錯(cuò)誤處理函數(shù)：

(6) mac_handlerprocesserr(void);

(7) mac_handlereventerr(void);

(8) mac_handlerfserr(void);

(9) mac_handlerneterr(void);

    它們將負(fù)責(zé)對(duì)非授權(quán)操作的初步評(píng)估，根據(jù)策略改變主體運(yùn)行狀態(tài)，反饋信息給安全管理員和提交相關(guān)信息給審計(jì)模塊。

4 結(jié)束語

    基于改進(jìn)的BLP模型，本文所提出的強(qiáng)制訪問控制模塊的設(shè)計(jì)已基本實(shí)現(xiàn)。并且，作者修改了本實(shí)驗(yàn)室已實(shí)現(xiàn)的智能脫扣器項(xiàng)目的軟件，并把它加載到修改后的嵌入式操作系統(tǒng)上進(jìn)行初步的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性均能滿足要求。在本論文的基礎(chǔ)上，作者將對(duì)MAC的安全模型進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)和擴(kuò)充，使其穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性進(jìn)一步增強(qiáng)，以使其能更適應(yīng)實(shí)際的應(yīng)用領(lǐng)域。

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