基于RT-Linux防危保障機制的實驗模型

關鍵詞：防危核 安全核 實時系統(tǒng) 防危策略

早在19世紀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，由可信賴信號負責對不可信部分進行審核，以保證不可信部分不會對敏感數(shù)據(jù)進行非法和錯誤的訪問。安全核的技術(shù)在信息安全領域中取得了成功并得到廣泛的應用。在安全核基礎上，Rushby等人又進一步提出了防危核（safety kernel）的概念，用于防止軟件對安全關鍵設備的非法訪問，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鍵?，F(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)

防危核關心的是如何保護設備不被非法訪問，以避免因?qū)υO備的誤操作引起的重大生命財產(chǎn)損失和環(huán)境破壞。防危核把受保護設備與系統(tǒng)中的其它部分隔離，通過實施防危策略（safety policy）對這些設備的訪問進行特殊控制。凡是對受保護設備的訪問，都必須經(jīng)過危核的審查，合法者予以支持；反之，則采取相應的出錯處理措施，維護系統(tǒng)的防危特性，這樣就能很好地避免軟件故障造成的災難后果。從應用軟件的角度來看，防危核的原理如圖1所示。在工程應用中，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行任何訪問操作。它表明對設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)和設備，只需要操作系統(tǒng)和設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用到任何操作系統(tǒng)和設備中。

2 開發(fā)平臺RT-Linux OS構(gòu)架與特征

通常，安全關鍵系統(tǒng)對實時性有嚴格要求，我們選擇RT-Linux操作系統(tǒng)為安全實驗模型的開發(fā)平臺。

RT-Linux是美國NMT大學對標準Linux的一個實時擴展版本，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它實際上是給原Linux內(nèi)核打了實時補丁，打了補丁的Linux內(nèi)核由兩部分組成：RT-Linux和Linux。在RT-Linux內(nèi)核實時應用（任務）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，之后才由標準的內(nèi)核來處理。非實時任務通過RT-Linux提供的FIFO（一種透明的管道）與實時任務通信。

RT-Linux可以提供應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格，通常硬實時的系統(tǒng)響應時間在ms或μs級，而軟實時對其響應時間的要求沒有那么嚴格。硬實時工作通常指超過時限要求就會造成嚴重損害的工作，而軟實時即使超過時限也不會帶來嚴重后果。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致嚴重的損害，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，又能充分利用標準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的應用程序由兩部分組成：一部分運行在Real-Time下，另一部分運行在標準的Linux下。運行在Real-Time下的任務是實時任務，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運行于Linux內(nèi)核態(tài)，而十字路口交通燈控制設備運行于標準Linux下。控制設備任務采用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，請求守護進程（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。

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”的擴展，它提供各種標準的GUL接口，以利于迅速進行高級應用程序開發(fā)。

TCL/TK是一種解釋執(zhí)行的腳本語言，應用中通常將嵌入到C程序中?！靶∏?、易學、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)小的應用程序上有其快速、可維護性強等優(yōu)勢，在大型應用系統(tǒng)方面，如操作系統(tǒng)及網(wǎng)絡管理、測試系統(tǒng)、自控、仿真、可視化應用及計算機輔助設計等方面都有豐富的應用成果。

4 防危核實驗原型的設計與實現(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、模擬設備、設備控制器、命令文件。防危核作為RT-Linux的實時任務，與模擬設備、設備控制器間的通信采用RT-Linux提供的實時FIFO；而模擬設備和設備控制器間的通信使用Linux提供的非實時命名管道。下面仔細分析各模擬所提供的功能。2⑤⑥⑦sΔδΛΔωωαγ∈βθθθ→→→→ττ 防危核模塊的設計和實現(xiàn)

系統(tǒng)在運行時先通過命令insmod將防危核動態(tài)加載到Linux內(nèi)核中，于是它便一直運行內(nèi)核態(tài)。當不需要時再用命令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。主模塊負責接收設備控制器傳來的設備命令和模擬設備發(fā)送的設備狀態(tài)，然后根據(jù)命令參數(shù)的不同情況進行相應的處理。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。如果驗證設備命令合法，則主模塊將設備命令及返回值一起發(fā)送到模擬設備，模擬設備據(jù)此改變設備狀態(tài)；如果驗證設備操作命令非法，則主模塊向設備控制器返回命令檢測模塊的返回值，設備當前的狀態(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，當防危核需要防危處理時，便到訪問策略庫中調(diào)用此相關函數(shù)。若設備改變，則只需向策略庫中添加或修改相應設備的防危策略。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備而未經(jīng)過安全檢測模塊驗證，模擬設備狀態(tài)根據(jù)此值改變*/

返回值=2；

/*當前設備狀態(tài)驗證失敗，失敗原因不明。

措施：模擬設備保持當前狀態(tài)不變*/

返回值=3；

/*同一個方向有多個信號燈同時開啟。

措施：所有交通燈都關閉，然后在收到新的命令前設備執(zhí)行缺省命令序列，此處由模擬設備接到“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)恢復到初始狀態(tài)。在收到新的命令前設備執(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：模擬設備保持當前狀態(tài)不變*/

返回值=6；

/*信號燈保持當前狀態(tài)的時間短于最短時間（2s），

措施：模擬設備自動延遲（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 模擬設備模塊

防危核系統(tǒng)中以十字路口交通燈模擬外部設備。當經(jīng)防危驗證設備命令合法時，此模擬接受防危核傳入的真實設備命令int RealCmd（），并向防危核返回設備當前最新狀態(tài)。用圖形方式形象、直觀地顯示設備本身的實時狀態(tài)（交通燈顏色的變化）、模擬設備當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）。

該進程中設有三個線程，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)送的設備控制命令，第三個線程用TCL/TK腳本語言實現(xiàn)模擬設備形象、美觀的圖形顯示功能。當模擬設備啟動后，自動進行初始化并調(diào)用缺省的交通燈控制命令序列完成基本操作，直以有來自設備控制和防危核的設備控制命令為止。若交通燈的顯示時間超過一定時間，則強制設備執(zhí)行缺省的設備狀態(tài)。

4.3 設備控制器模塊

模擬設備控制器作為一個進程獨立運行，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備和防危核發(fā)送設備操作命令（包括正常的和不正常的操作命令）。命令中設置了時間控制參數(shù)，控制器按此時間間隔值發(fā)送設備命令。

4.4 設備命令文件

設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，操作命令直接由設備控制器發(fā)送到模擬設備；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防危策略驗證命令，然后將驗證結(jié)果發(fā)送到模擬設備；第三種，通過防危核但不驗證設備操作的命令，命令被防危核直接送到模擬設備。設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行命令驗證在系統(tǒng)性能和防危性上的差異。

設備的命令格式為：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)進行測試。

①防危核大?。悍牢：怂幾g后的目標文件為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計要求，防危核機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)的測試進一步證明防危保障機制在實時操作系統(tǒng)中完全可行