关键词:
微内核架构
操作系统
安全机制
访问控制
权能
摘要:
嵌入式系统在处理和存储敏感信息的应用场景中变得日益重要,对安全性的要求高。然而,计算机系统的绝对安全是一个无法完全实现的理想状态,只能通过制定和实施安全策略来尽可能降低安全风险和损失。微内核架构通过最小化核心功能,将基本服务(如内存管理、文件系统等)与核心功能分离,从而降低了内核的复杂性并提高了系统的安全性和隔离性。相比之下,宏内核将这些服务集成在一个庞大且复杂的内核中,增加了漏洞的可能。然而尽管微内核在系统安全方面比宏内核具有显著优势,但这仅仅体现在宏观和内核层面,如何基于微内核的安全特性构建功能强大的安全操作系统仍缺乏研究,所以需要进一步研究来面对不断出现的安全挑战。
本文针对微内核已有的安全机制的挑战和不足进行改进。权能机制提供了一个独特的思路。权能(Capability)是一种表达持有者对资源的访问权限的对象。权能机制通过对权限的精细管理来限制和控制对资源的访问。本文基于权能体系设计并改进了一套更加完善的微内核安全机制,使其成为一种更加通用的、可塑性良好的方法。分析了其机密性和完整性保证,并分别从用户态和内核态讲述了其设计和实现,接着进一步改进其性能。本文的主要创新点如下:
1.对权能机制的扩展:本文提出了一种新的权能组织形式,支持对访问权限的即时撤销,包括访问缓存向量中的权能以及派生权能。支持多策略访问控制,提高系统的的安全性和可靠性。同时,设计的安全架构具有良好的可扩展性。
2.安全机制的性能优化:对资源的访问都需要通过访问控制机制决策,而这个决策可能成为影响系统性能的因素。本文设计并加入一种策略访问缓存向量机制来加快资源的访问,以提高系统的性能。
3.用户态组件访问控制:将基于权能的安全机制从内核扩展到用户空间的系统服务,有效防止恶意组件破坏内核及扩大对用户空间服务的影响。
综上,本文针对微内核架构的安全机制进行了研究并取得了一定成果,为了验证本文提出的安全机制,本文在ROC-RK3566平台上进行了安全功能验证和性能测试实验,实验体现了所提出的安全架构设计和实现的正确性以及性能基准,并进行了压力测试。本文所进行的安全机制研究为自研微内核提供了新的机制,提高了系统的安全性和通用性。