Механізм обслуговування системних викликів

Введення

Рішення деяких задач комп'ютерної безпеки засноване на обмеженні доступу програмного коду до різного роду ресурсів, зокрема, мережевих ресурсів і файлової системи. Надавши доступ до цих ресурсів лише окремим довіреною програмами, можна гарантувати (при додатковому контролі цілісності цих програм) виконання важливих вимог з безпеки, серед яких слід зазначити запобігання витоку критично важливої інформації через різні канали передачі даних: мережеве з'єднання, переносні (USB) накопичувачі та ін.

Сучасні операційні системи (ОС) надають широкі можливості з управління доступом процесів до ресурсів комп'ютера. Однак недостатня надійність масових ОС (таких як Windows, Linux та ін.) [1] робить актуальним завдання розробки незалежних від ОС (ортогональних до неї) програмних засобів захисту інформації. Такі засоби захисту можуть бути реалізовані з використанням технології апаратної віртуалізації, коли захищається система виконується в апаратній віртуальній машині (ВМ), а система захисту розміщується в тілі монітора віртуальних машин (також званого гіпервізор) [2,4]. Функціонування гіпервізора на більш високому апаратному рівні привілеїв дозволяє повністю контролювати виконання як коду ОС, так і призначених для користувача програм, залишаючись при цьому апаратно захищеним від шкідливого впливу з боку коду в ВМ, у тому числі, коду, що виконується в привілейованому режимі.

Користувальницький процес в сучасних ОС не має прямого доступу до апаратних ресурсів; операційна система являє процесу деяку абстрактну модель апаратного забезпечення, взаємодія з якою здійснюється за допомогою набору операцій – системних викликів (СВ). Зокрема, для встановлення мережевого з'єднання з віддаленим комп'ютером і передачі йому даних процесу необхідно виконати в заданому порядку кілька цілком певних системних викликів (socket, connect, send і т. п.).

У наших роботах [2,3] було показано, як за допомогою поділу повноважень з обслуговування ресурсів між віртуальними машинами і делегування обслуговування системних викликів від однієї віртуальної машини іншої можуть бути вирішені деякі задачі комп'ютерної безпеки. Запропоновані рішення в цілому базуються на схемі, зображеній на рисунку 1. Гіпервізор забезпечує одночасне виконання двох ізольованих один від одного віртуальних машин. Обидві ВМ працюють під управлінням однієї і тієї ж операційної системи. Перша ВМ – обчислювальна – є основною. Користувач може працювати з нею в діалоговому режимі.

Обладнання, через яке здійснюється доступ до контрольованих ресурсів (ресурси мережі Інтернет на рис. 1), фізично відключається гіпервізор від обчислювальної ВМ. Це обладнання управляється другий – сервісної – віртуальною машиною, яка, взагалі кажучи, може виконуватися прихованим для користувача чином у фоновому режимі. Системні виклики окремих (довірених) процесів перехоплюються гіпервізор, і ті з них, які відносяться до контрольованих ресурсів, передаються на обслуговування (обслуговуються віддалено) в сервісну ВМ. Зауважимо, що обслуговування цих викликів всередині обчислювальної ВМ неминуче призведе до помилки через відсутність у неї можливостей (обладнання) здійснити доступ до відповідних ресурсів. Решта системні виклики довірених процесів, а також всі системні виклики інших процесів, обслуговуються засобами ОС в обчислювальній ВМ.

Рисунок 1. Делегування системних викликів другий віртуальній машині

При перехопленні системного виклику гіпервізор може проконтролювати допустимість контексту, з якого виконується запит на системний виклик, тобто чи дозволений даному процесу доступ до такої категорії ресурсів, і виконувати віддалене обслуговування виклику тільки у випадку успішного проходження перевірки. Аналізуючи параметри виклику, гіпервізор може також здійснювати більш тонкий контроль доступу до ресурсу, наприклад, дозволяти мережевий доступ тільки до обмеженого числа комп'ютерів в мережі, що мають задані адреси.

У даній роботі описується архітектура і деталі реалізації механізму віддаленого виконання системних викликів, що використовується в системі безпеки, яка представлена в роботі [3]. У ній контрольованими ресурсами є виключно ресурси мережі Інтернет. Як наслідок, реалізація, що розглядається в даній роботі, допускає віддалене обслуговування тільки тих системних викликів, які можуть бути використані при мережевому взаємодії через сокети. Однак, враховуючи спільність подання сокетів і файлів для користувацького процесу у вигляді дескрипторів файлів і, як наслідок, спільність багатьох системних викликів, аналізований механізм в цілому придатний також для тих сценаріїв, коли контрольованим ресурсом є файлова система.

Окремі компоненти системи, що розглядається у даній роботі, можуть також використовуватися для ефективного вирішення тих завдань, в яких потрібно виконувати трасування системних викликів. Справа в тому, що штатні механізми трасування в ОС Linux (ptrace) базуються на сигналах, що посилаються ядром ОС процесу-монітора (відладчик) при виконанні відлагоджує процесом системного виклику, що призводить до частого перемикання контексту процесів (монітора і трасуванню процесу). Крім того, читання даних з адресного простору трасуванню процесу можливе тільки порціями по 4 байти. Розміщення монітора процесів на рівні гіпервізора дозволяє усунути вказані обмеження.

Завдання віддаленого виконання системних викликів розглядається також в рамках проекту VirtualSquare [6]. Відмінність запро