嵌入式系統安全性(中) 對攻擊狀況和防衛策略的概述和分析

借助虛擬化實(shí)現安全性

　　虛擬技術(shù)已從企業(yè)計算空間轉向嵌入式世界。虛擬技術(shù)包括在虛擬計算機監控器的控制下提取系統資源，有時(shí)稱(chēng)為系統管理程序。系統管理程序使運行同時(shí)執行環(huán)境具有可能性，每個(gè)環(huán)境孤立存在，分別運行在基礎硬件平臺的一個(gè)虛擬代表上。

　　從器件整合和資源最優(yōu)化的角度來(lái)說(shuō)，虛擬計算機有很多優(yōu)點(diǎn)。它們可以采用不同設計方法，從“純粹”的或“完全”的虛擬到“部分虛擬(Paravirtualization)”，部分虛擬是嵌入式應用中最常用的方法。在部分虛擬中，進(jìn)行進(jìn)一步的細分，包括微內核、微調度程序和輕薄的產(chǎn)品，這種輕薄產(chǎn)品實(shí)際上擴大了硬件抽象層，使之包括了虛擬特性。

　　從安全的角度來(lái)看，虛擬技術(shù)的使用，允許設計者通過(guò)執行特權分離和最小權限原則7，8，來(lái)減輕計算機安全攻擊的潛在危害。

　　特權分離要求應用程序被分為有特權部分和無(wú)特權部分，有特權的部分應保存得越小越好，來(lái)減小攻擊的表面。因此，一個(gè)成功的、針對對更大的、不安全的組件的攻擊，只會(huì )獲得對敏感數據的極低的訪(fǎng)問(wèn)能力。

　　最小權限要求，每個(gè)軟件模塊僅能獲得合理用途所需的信息和資源。

　　各種各樣不同的虛擬技術(shù)的一個(gè)共同點(diǎn)就是整齊。對于純粹虛擬和完全虛擬，VMM負責捕捉和處理所有由客戶(hù)操作系統執行的指令。這種方法的好處是客戶(hù)操作系統可以不更改地運行。另外，由于操作系統是與硬件完全脫鉤的，才有可能創(chuàng )造更高的便攜式應用，其應用平臺多樣化且在應用程序中。這種方法的缺點(diǎn)是在系統功耗方面是一個(gè)重大的支出，特別是當硬件平臺沒(méi)有配置軟件虛擬支持的情況下。

　　純粹虛擬技術(shù)依靠具有重要硬件支持的底層硬件平臺來(lái)實(shí)現，如Intel公司的VT體系機構和AMD的Pacifica。在這些系統中，虛擬計算機資源的狀態(tài)在硬件中維持，而且VMM的性能消耗大幅度減小。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它類(lèi)似于全虛擬，表現在客戶(hù)操作系統可以無(wú)修改地運行。缺點(diǎn)是那些運用這一技術(shù)的產(chǎn)品占用的裸片面積稍大一些，而且現有可用的嵌入式裝置中納入這種水平的支持能力者并不多。

　　部分虛擬技術(shù)(Paravirtualization)是這樣一種技術(shù)，其特定操作系統的指示，一般具有“特權”和內核模式指示，被“hypercalls”或API對管理程序的調用所代替。這減輕了處理所有客戶(hù)指示的負擔，降低了系統的開(kāi)銷(xiāo)，明顯地提高了執行績(jì)效。缺點(diǎn)是客戶(hù)操作系統必須被“觸及”，但是，實(shí)際上這種影響是很小的。

　　例如，分析Linux時(shí)，發(fā)現/dev/arch中具有優(yōu)先權的指令僅存在15個(gè)文件中。

　　在普通的部分虛擬技術(shù)種類(lèi)中，存在一些系統管理程序的子程序。

　　微調度器(如圖2)，正如其名稱(chēng)所暗示的那樣，是按照一個(gè)固定的進(jìn)度表來(lái)分配系統資源的程序。商業(yè)上典型的具體實(shí)施方法是在內核模式下運行微調度程序，并且作為主控來(lái)控制一個(gè)客戶(hù)操作系統，該OS也在類(lèi)似的內核模式下進(jìn)行操作。從安全的角度來(lái)說(shuō)，這意味著(zhù)客戶(hù)操作系統一定得是一個(gè)“良好的市民”，因為客戶(hù)完全可能繞過(guò)微調度程序。這使得整個(gè)空閑的存儲器易受攻擊。為了消除這個(gè)弱點(diǎn)，微調度程序的開(kāi)發(fā)者增加了一個(gè)可供選擇的安全引擎，以監測和控制硬件的訪(fǎng)問(wèn)。

圖2  使用微調度器的虛擬化

　　微內核(圖3)本質(zhì)上是一個(gè)操作系統，這個(gè)系統移去了大量的典型操作系統服務(wù)，并代之以可以在用戶(hù)級別執行服務(wù)的機制。從安全的角度來(lái)看，它的優(yōu)點(diǎn)是，用戶(hù)模式實(shí)體訪(fǎng)問(wèn)底層硬件時(shí)不具有危險性，因為內核模式指令調用已被移去。其缺點(diǎn)主要是多重處理域的維護，當執行從微核的本地處理區運行到客戶(hù)操作系統及其應用程序處理區時(shí)，這些處理域需要具體實(shí)現復雜的進(jìn)程間通信(IPS)機制和額外的環(huán)境轉換。

圖3  基于微內核的虛擬化方法

　　虛擬的另一個(gè)途徑是產(chǎn)生一個(gè)硬件抽象層(HAL)，并增加額外的服務(wù)，以照顧多重執行環(huán)境(圖4)的需求。HAL是一個(gè)硬件微薄轉換層，它可以使得軟件具有更好的可移植性。為增加對多重執行環(huán)境的支持，開(kāi)發(fā)者創(chuàng )造了超微內核，盡管這種表述不是很準確。在實(shí)踐中，這種途徑和微核型解決方案的不同之處是，雖然微核在設計時(shí)已經(jīng)考慮到要運行某種客戶(hù)操作系統，而HAL更趨向于以硬件為中心，而且并不了解操作系統的具體情況。

圖4  利用HAL或者超微內核性管理程序實(shí)現的虛擬化

　　從安全的角度來(lái)說(shuō)，最關(guān)鍵的因素是所有商業(yè)管理程序控制對硬件資源(如MMU系統)訪(fǎng)問(wèn)的能力。例如，如果一個(gè)客戶(hù)端應用程序(比如web瀏覽器)被一個(gè)流氓HTML站點(diǎn)所破壞，并試圖侵入存儲器禁區，那么系統管理程序就會(huì )向存儲器強加邊界，并適當地保護敏感數據。通過(guò)使用安全的系統管理員，根據駐留在特定的執行環(huán)境中的應用程序的已知邊界檢查可疑的重填數據，就可以實(shí)現由軟件填充的TBL不受侵擾，由此保證程序的執行處于“界限內”。在路由器或其他客戶(hù)端裝置中，系統管理程序可以用來(lái)提供一定程度的DoS保護，這可以通過(guò)使用多重VM來(lái)控制對任何特定資源的訪(fǎng)問(wèn)或是要求提供適當的通行證來(lái)實(shí)現的，這樣做可以避免VM使用“界限外”的資源。
在虛擬化架構的設計過(guò)程中，虛擬計算機之間的默認通信途徑要盡可能減少，理想的情況是，如果從VM到VM沒(méi)有公開(kāi)昭示的授權的話(huà)，最好沒(méi)有任何通信。

　　由于增加一個(gè)VM的開(kāi)銷(xiāo)是很低的，用VM自己已經(jīng)完成引導的、處于掛起狀態(tài)的“候補”操作系統來(lái)生成”候補”VM是可能的。那么，當一個(gè)處理域被DoS所危及時(shí)，一直在自己的執行環(huán)境中運行的系統健康度監督程序，可以將被危及的VM的執行掛起，將激活的程序轉移到候補的VM，并繼續執行。這種方法在受到攻擊的情況下維持更長(cháng)的計算機正常運行時(shí)間。

　　由于VM一般來(lái)說(shuō)必須從CPU時(shí)間和可用內存的角度來(lái)公開(kāi)地界定，VM所需要的資源在DoS面前僅呈現一個(gè)很小的“攻擊面”，在一些情況下，可以通過(guò)限制收到的消息數量來(lái)進(jìn)一步限制弱點(diǎn)的發(fā)展，從而避免飽和攻擊。

　　將認證機制擴展到虛擬計算機上可以使安全導入機制變得更健全。硬件引導完成后，安全引導機制標記第一個(gè)VM。第一個(gè)虛擬機可以執行第二個(gè)層次的安全引導，通過(guò)額外標記和經(jīng)過(guò)驗證的VMs來(lái)擴展“信任鏈”，直到系統飽和以及所有物理、虛擬計算機序列導入完成。

　　就所有系統的基礎部分而言，需要分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。系統管理程序提供了一個(gè)高水平的安全性和執行環(huán)境之間的隔離。但是，當數據必須在環(huán)境之間共享時(shí)，會(huì )發(fā)生什么情況呢？很多系統管理程序通過(guò)生成通信渠道或是共用執行環(huán)境中的存儲器區域來(lái)處理這個(gè)問(wèn)題。這隨之又造成了第二個(gè)層次上的弱點(diǎn)，所以應該確定這些通道不會(huì )被惡意軟件利用來(lái)將數據從安全的/可信任的區域轉移到不安全/不可信任的區域。在這些種類(lèi)的環(huán)境中，可以運用分層的方法。例如，可以納入一個(gè)激勵/響應機制，來(lái)實(shí)現數據通過(guò)共用存儲器在各執行環(huán)境之間的轉移。當這種機制就位時(shí)，不可信區域的安全就會(huì )到危脅，危險就會(huì )侵入共用存儲器區域，但它仍不能從可信區獲得數據。舉對Web瀏覽器的例子來(lái)說(shuō)，攻擊者可能會(huì )獲得進(jìn)入存儲器共享區的許可，但它們不能侵入激勵/響應機制，因此，敏感數據就不會(huì )從安全區轉移到共用存儲器區。

　　另一個(gè)系統級問(wèn)題會(huì )影響虛擬化的運用的地方，是系統管理程序的響應時(shí)間。如果響應時(shí)間使實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)不能在系統管理程序層次適當地運行，那么RTOS一般就會(huì )在微核模式下運行，并通過(guò)優(yōu)先指令直接接觸系統硬件。這就形成了，或更準確地說(shuō)，遺留了一個(gè)可通過(guò)對RTOS的破壞來(lái)?yè)羝频娜觞c(diǎn)。

　　與設計的許多其他方面一樣，少就是多。系統管理程序所占用的區域越小，需要去防范的的攻擊面積就越小，而且對超級調用(hypercall)的服務(wù)響應時(shí)間就越短。一個(gè)小的覆蓋區允許系統管理程序根映像被保存在芯片上，從而減小外界對存儲器總線(xiàn)的探測和代碼細節的暴露。(下集預告：將批露ARM、MIPS、PowerPC處理器的安全策略與系統加固。)

參考文獻：

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