OS筆記-Chapter 15: Security

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目錄

• 總論
  Chapter 1: Introduction
  Chapter 2: Operating-System Structures
• 行程管理
  Chapter 3: Processes
  Chapter 4: Threads
  Chapter 5: CPU Scheduling
  Chapter 6: Process Synchronization
  Chapter 7: Deadlocks
• 記憶體管理
  Chapter 8: Main Memory
  Chapter 9: Virtual Memory
• 儲存裝置
  Chapter 10: File-System Interface
  Chapter 11: File System Implementation
  Chapter 12: Mass-Storage Systems
  Chapter 13: I/O Systems
• 保護和安全
  Chapter 14: Protection
  Chapter 15: Security

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安全性問題

• 入侵者(intruder)/破壞者(cracker):嘗試突破安全性的人

• 威脅(threat):違反安全的潛在

• 攻擊(attach)嘗試破壞安全性

• 攻擊藉由偽裝(masquerading)突破認證(authentication)

  • 重送攻擊(replay attack):有效資料重複的傳輸，例如:重複轉移錢
  • 中間人攻擊(man-in-the-middle attack):藉由連線劫持(session hijacking)攔截通訊
    

• 為了保護系統，我們在四個層次採取安全措施

  • 硬體:保護能存取機器的機房
  • 人:只有適當的使用者可以存取
    • 人可能經由社交工程(social engineering)被欺騙
    • 網路釣魚(phishing)
    • 垃圾箱潛水(dumpster diving)
  • 作業系統:系統必須自我保護
  • 網路:大部分資料會經由網路傳輸

程式威脅(Program Threats)

• 後門(back-door):能提供訊息或讓攻擊者容易存取的一個缺口

• 木馬(Trojan horse):偽裝成無害程式，騙使用者開啟，例如:安裝無害軟體，利用隱密通道(covert channel)安裝間諜軟體

  • 模擬登入頁面，竊取帳密
  • 間諜軟體(spyware):監控系統、後門、廣告

• 陷阱之門(trap door):迴避正常的安全檢查程序，例如:銀行的程式中加入錯誤的四捨五入以偷取小數點後的金額，積少成多

• 邏輯炸彈(logic bomb):符合預先設定的參數，就會觸發的安全漏洞

• 堆疊和緩衝區的溢位(Stack and Buffer Overflow)

  • 執行結果將產生一個root的殼(shell)，或是其它特權指令的執行
  • 利用溢位置換堆疊中的返回位置，使程式返回攻擊者注入的程式碼區段
    
  • 因溢位而覆蓋掉原先的返回位置
    

• 病毒(virus)

  • 自身複製，感染其它程式
  • 不會自己散播至其它機器
  • 病毒注射器(virus dropper):在系統中插入病毒
    
  • 按鍵側錄程式(keystroke logger)

系統和網路威脅(System and Network Threats)

• 作業系統越開放就越有可能有錯誤讓人利用

  • 預設是安全(secure by default):降低系統的攻擊表面(attack surface)

• 蠕蟲(worm)

  • 自身複製(spawn)，感染其它程式
  • 會自己散播至其它機器
  • 掛勾(grappling hook/bootstrap/vector):連接原先已感染的機器，並載入主程式到上鉤的系統
    

• 連接阜掃描(Port scanning):不算是攻擊，是用來偵測弱點

• 拒絕服務(DOS,denial of service)

  • 擾亂系統或設備的合法使用
  • 兩種類型
    • 使用許多設備的資源造成沒有工作可以執行
    • 混亂設備的網路
  • 分散式拒絕服務(DDOA,distributed denial-of-service):多個被操控的殭屍設備向同一個目標攻擊

以密碼學為安全性工具

• 電腦送出位元到網路上，卻不知道誰可能接收這些位元

• 密碼學(cryptography)被用來限制訊息的潛在傳送者和接收者

• 加密(encryption)

  • 加密演算法由以下元件組成
    • 鑰匙K
    • 訊息M
    • 祕文C
    • 加密函數E(k):M->C
    • 解密函數D(k):C->M
      
  • 對稱加密(symmetric encryption)
    • 使用相同的鑰匙加密和解密
    • 鑰匙的安全必須被保護
    • DES(data-encryption standard):64-bit，區段加密，不夠安全
    • AES(advanced encryption standard):128-bit
    • RC4:串流加密(stream cipher)
  • 非對稱加密(asymmetric encryption)
    • 加密與解密使用不同鑰匙
    • RSA加密
      1. N=pq
      2. r=(p-1)(q-1)
      3. e<q，gcd(e,q)=1
      4. ed ≡ 1 (mod r)
      5. (N,e)公鑰，加密:c ≡ mᵉ (mod N)
      6. (N,d)私鑰，解密:m ≡ cᵈ (mod N)
    • 大家用公鑰加密，擁有私鑰者才能知道內容
      

• 認證(authentication)

  • 限制訊息可能傳送者(知道是誰傳來的)
  • 認證演算法由以下元件組成
    • 鑰匙K
    • 訊息M
    • 認證因子A
    • 產生認證函數S(k):M->A
    • 對訊息驗證函數V(k):M✖A->{True,False}
  • 雜湊函數(hash function)
    • H(M)產生固定大小的資料區塊，稱為訊息摘要(messege digest)或雜湊值(hash value)
    • H(M)=H(M')，只有當M=M'
    • H必須被保護，否則H(M)的內容可以被偽造
  • 對稱加密法
    • 訊息認證碼(MAC,messeage-authentication code)
    • 使用安全的鑰匙認證訊息
  • 數位簽名演算法(digital-sifnature algorithm)
    • 認證因子在此稱為數位簽名
    • 與RSA相似，只是鑰匙的使用是反過來的
    • 使用私鑰加密，公鑰持有者能認證
    • 不可否認性(nonrepudiation)

• 鑰匙分配

  • 公開鑰匙不需要保密，簡單的儲存可以用來儲存鑰匙環
    • 但攻擊者也可能偽造公開鑰匙
      
  • 數位憑證(digital certificate):由信任的第三方數位簽署的公開鑰匙

• 密碼學的製作

  • 通常網路協定以階層(layer)的方式組織
    
  • 密碼學幾乎能插入OSI中任何階層
    

• 範例:SSL

  • SSL 3.0是一種讓兩台電腦安全地通信的密碼協定
  • 進化成TLS協定
  • 客戶與伺服器可以建立一個安全的會議層鑰匙(session key)，避免中間人攻擊及重送攻擊
  • 步驟
    1. 伺服器由憑證機構得到憑證，憑證內容
       • 伺服器屬性
       • 公鑰
       • 憑證有效期間
       • 非對稱加密演算法E()的識別
    2. 客戶從憑證機構取得驗證演算法
    3. 客戶連線至伺服器，傳送隨機值
    4. 伺服器回應，並加上憑證
    5. 客戶驗證(包含有效期間)

使用者認證(User Authentication)

• 作業系統的主要安全問題

• 密碼

  • 最普通的方法
  • 但可能被猜出或意外的暴露
    • 猜密碼可能從一般人常使用的資料(如:生日、電話等等)或是暴力破解
    • 若密碼寫在能夠被讀出的地方，則可能暴露
  • 一些系統使用老化，強迫使用者在固定期間內要去改變密碼
  • 密碼安全
    • 使用雜湊(hash)
    • 希望有一個不可逆轉的函數，這樣就算存起來的密碼被看到也無法去解碼而知道真正的密碼
    • 但若是取得整份密碼檔，還是可能被解碼還原

• 單次密碼(One-time passwords)

  • 系統使用一個配對密碼(paired password)的集合，系統隨機選擇並顯示密碼對的一部分，使用者接受盤問(challenged)且須回應(respond)出正確答案
  • 可以用不同的方式製作(如:USB裝置、信用卡)

• 生物識別技術

  • 指紋讀取

安全性防禦的製作(Implementing Security Defenses)

• 大多數專業安全性贊成縱深防禦(defense in depth)，敘述多層的防禦比較少層為佳

• 安全性策略(security policy)

  • 包含要保密什麼的敘述
  • 有了策略，才知道什麼是需要的，什麼是不被允許的
  • 週期檢討和更新

• 弱點評估

  • 涵蓋很廣，從社交工程到危險評估(risk assessment)到阜掃描
  • 大部分弱點評估的核心動作是侵入測試(penetration)
  • 隱藏式保全(security through obscurity):主張工具餔應該寫來測試安全性，這樣安全性漏洞將會很難被發現

• 侵入偵測(intrusion detection)

  • 包括
    • 即時/事實發生後
    • 侵入的型態
    • 反應
      1. 簡單:停止侵入活動的行程
      2. 複雜:虛擬攻防系統(honeypot)，暴露給侵入者假資源
  • 侵入偵測系統(IDS,intrusion-detection system):偵測侵入，發出警告
    • 識別標誌的偵測(signature-based detection):
      1. 檢查特定行為樣式
      2. 非預期的新公及無法偵測
    • 異常偵測(anomaly detection):檢查異常行為
      1. 侵入活動可能被包含在正常的標準中
      2. 避免假警報與遺漏的侵入數目過多
  • 侵入預防系統(IDP,intrusion-prevention system):除非偵測到侵入，否則流量通過

• 病毒保護

  • 當防毒軟體發現一個已知樣式，進行程式消毒(disinfection)
  • 有些病毒當感染時，自我修改以避免與防毒程式的樣式相符
  • 行程於sandbox中執行，防毒軟體分析行程的表現

• 記錄及記帳

  • 系統呼叫可以被記錄以作為對程式行為的分析
  • 記帳用來發現程式效能改變

保護系統和網路的防火牆(Firewalling to Protect Systems and Networks)

• 防火牆(firewall)用來分隔信任或不可信任的系統

• 從網際網路到非軍事領域(DMZ,demilitarized zone)以及從公司到網際網路的連結式允許的，但網際網路或DMZ到公司則是不允許的
  

  

• 防火牆不能防止穿透(tunnel)的攻擊

• 防火牆可能被欺騙(spoofing)

電腦安全等級(Computer Security Classifications)

• 4個等級:A、B、C、D
  • D:最低標準
  • C:透過審核，提供保護
    • C1:識別具有相同保護級別的合作用戶
    • C2:允許用戶級別的存取控制
  • B:C的所有屬性，但是每個對象可能具有唯一的敏感度標籤
    • B1、B2、B3
  • A:使用正式的設計和驗證技術來確保安全性