一種改進(jìn)的BLP模型

宋法根，劉振海，梅江林

SONG Fa-gen,LIU Zhen-hai,MEI Jiang-lin

（鹽城工學(xué)院 繼續(xù)教育學(xué)院，鹽城 224000）

0 引言

安全的模型是安全策略的形式化表達(dá)，是建立安全系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，也是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全評(píng)估的重要參考，故而人們對(duì)安全模型的研究一直沒有停止過。經(jīng)過多年的研究人們提出了很多經(jīng)典的模型，包括BLP模型、Biba模型、CW模型、中國墻模型、基于角色的訪問控制模型和基于任務(wù)的訪問控制模型等，但總體上這些模型可以大致劃分為兩類,第一類就是訪問控制模型,主要通過控制主體對(duì)客體的訪問來達(dá)到保護(hù)客體和客體上信息的安全；第二類是信息流模型，其主要控制信息流的方向，使其信息避免流向不安全的其他對(duì)象，從而保證信息的安全可控。BLP模型就是一種比較經(jīng)典的信息流模型，本文首先對(duì)BLP模型進(jìn)行了簡單介紹，接著對(duì)BLP模型進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)其還存在一定的缺點(diǎn)和局限，最后本文給出了一種解決BLP模型存在問題的方案，并對(duì)本方案進(jìn)行了詳細(xì)的探討。

1 BLP模型

BLP模型是由MITRE公司的Bell和LaPadula在文獻(xiàn)[1,2]中提出的，他是實(shí)現(xiàn)多級(jí)安全機(jī)密性策略的經(jīng)典模型。BLP模型通過“下讀上寫”的原則保證信息只能從低密級(jí)主體流向高密級(jí)主體，從而保證機(jī)密信息不會(huì)被泄露。

BLP模型是一個(gè)狀態(tài)機(jī)模型，表1為其基本元素[3]。

表1 BLP模型中的符號(hào)

BLP模型中，定義了兩個(gè)安全屬性，簡單安全屬性和星號(hào)安全屬性。

1）簡單安全屬性：allow (s,o,r)為真，當(dāng)且僅當(dāng)s支配o。（其中r表示讀操作）。

2）星號(hào)安全屬性：allow (s,o,w)為真，當(dāng)且僅當(dāng)o支配s。（其中w表示寫操作）。

安全屬性又叫RD，即主體只能讀取比自己安全等級(jí)低的客體信息；星號(hào)安全屬性又叫WU，即主體只能向比自己安全等級(jí)高的客體進(jìn)行寫操作。兩條規(guī)則一起保證系統(tǒng)的讀和寫操作不會(huì)引起信息從高安全級(jí)向低安全級(jí)的流動(dòng)。通過限制信息的流動(dòng)方向，在理論上很好的保證了信息的私密性，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，要求高安全等級(jí)的主體不向低安全等級(jí)的主體傳達(dá)任何信息，這種要求是過于苛刻的，或者說完全按照這兩條規(guī)則設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是不能夠很好的實(shí)現(xiàn)需求的,例如，在BLP模型比較適合的軍事領(lǐng)域，上級(jí)部門總要給下級(jí)部門傳達(dá)指令，而這種信息的傳達(dá)，顯然是違背BLP模型的WU原則；在計(jì)算機(jī)進(jìn)程之間通信時(shí)，低安全級(jí)別的進(jìn)程向高安全級(jí)別的進(jìn)程傳遞信息，而高安全級(jí)別的進(jìn)程甚至不能向低安全級(jí)別的進(jìn)程傳遞確認(rèn)信息，這顯然是不合理的。也就是說BLP模型理論上可以很好的保證敏感信息不被泄露，但是他對(duì)于主客體的要求過于苛刻，應(yīng)用中很難完全實(shí)現(xiàn)。因此在實(shí)現(xiàn)BLP模型的系統(tǒng)中都或多或少的存在違反BLP原則的操作，如實(shí)現(xiàn)BLP的操作系統(tǒng)Multics,ASOS和SXOMP均定義了可以繞過*-安全屬性規(guī)則檢查的可信主體，這樣更好的實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能，大大增加了系統(tǒng)的靈活性，但是卻為系統(tǒng)的安全埋下了一定隱患。另一方面BLP模型中對(duì)于滿足BLP規(guī)則的主體限制過少，如果某個(gè)客體被特洛伊木馬感染，那么敏感信息就會(huì)不斷的被泄露。

在以后的研究中，人們提出了很多種改進(jìn)的BLP模型，文獻(xiàn)[4,5]分別提出了兩種不同的改進(jìn)的BLP模型、ABLP模型和SLCF模型，他們從不同的方面對(duì)BLP模型進(jìn)行了改進(jìn)，增加了系統(tǒng)的靈活性，但卻在文獻(xiàn)[6]中被證明為不安全的。以往對(duì)BLP模型的改進(jìn)主要有兩類，第一類就是通過動(dòng)態(tài)的調(diào)整主體的敏感級(jí)使其滿足BLP模型的準(zhǔn)則；第二類主要是通過限制讀和寫的安全級(jí)范圍來限制可信主體的權(quán)限。第一類可能產(chǎn)生隱通道的問題，第二類主要是通過限制可信主體的權(quán)限來保證即使某些主體違反BLP安全模型的安全規(guī)則進(jìn)行了惡意的操作，對(duì)系統(tǒng)造成的危害也不會(huì)太大。無論哪種改進(jìn)的BLP模型均未能在保證模型安全的前提下解決高安全級(jí)別主體向低安全級(jí)主體發(fā)送信息進(jìn)行通信的問題。本文在最大限度的保證模型安全性的前提下，對(duì)BLP模型進(jìn)行改進(jìn)，使得BLP模型更具有靈活性和實(shí)用性。

2 對(duì)BLP模型的改進(jìn)

BLP模型的下讀上寫的原則最大限度的保證信息的安全性，但也極大的限制了模型的實(shí)用性和靈活性，因而在實(shí)際實(shí)現(xiàn)了BLP模型的系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能或增加系統(tǒng)的靈活性，一般都存在違反BLP模型規(guī)則的操作，這種不受BLP模型控制的操作極大的破壞了系統(tǒng)的安全性。本文正是在一定程度上允許“下寫”的存在，把那些違反BLP模型安全規(guī)則的操作都納入BLP模型的控制范圍內(nèi)，從而增加了系統(tǒng)的實(shí)用性，安全性，靈活性。

2.1 模型中的約定

1）滿足經(jīng)典BLP模型規(guī)則的操作仍是允許的。

2）主體自身不能進(jìn)行“下寫”的操作。

3）主體若要執(zhí)行“下寫”的操作，必須得到比自己安全級(jí)高的多個(gè)主體的允許。

4）主體執(zhí)行一次被允許的對(duì)某個(gè)客體的“下寫”操作，主體下寫的權(quán)限被取消。

對(duì)于經(jīng)典的BLP模型的安全性前人已經(jīng)給出了形勢(shì)化的證明。這里重點(diǎn)討論對(duì)BLP模型改進(jìn)的部分。

2.2 模型的設(shè)計(jì)

這里把上級(jí)主體的一次“下寫”的操作稱為一個(gè)事務(wù)。低安全級(jí)的主體需要得到高安全級(jí)的主體的信息時(shí)，首先向?qū)?yīng)的高安全級(jí)主體發(fā)出請(qǐng)求，高安全級(jí)別的主體收到請(qǐng)求后自身不能決定是否進(jìn)行下寫的操作，必須向多個(gè)更高安全級(jí)主體發(fā)出授權(quán)請(qǐng)求，若一定數(shù)量的更高安全級(jí)的主體拒絕授權(quán)，則不能對(duì)低安全級(jí)的主體進(jìn)行下寫的操作，本次事務(wù)終止；若有相當(dāng)數(shù)量的主體同意授權(quán)，則高安全級(jí)的主體可以對(duì)低安全級(jí)的主體進(jìn)行“下寫”操作，操作完成后高安全級(jí)主體的下寫權(quán)限被收回，本次事件終止，如圖1所示。

在BLP模型中將主體定義為主動(dòng)的實(shí)體，如進(jìn)程，將客體定義為被動(dòng)的實(shí)體[7]。在本模型中各個(gè)實(shí)體既有主動(dòng)的行為也有被動(dòng)的行為，故而這里把所有實(shí)體看成主體。

2.3 模型的形式化描述

BLP模型中經(jīng)典的部分，在以往的文獻(xiàn)中已有詳細(xì)的描述，我們這里不再贅述，這里重點(diǎn)討論本文中改進(jìn)的部分。在經(jīng)典的BLP模型中請(qǐng)求集被定義為其中，S+表示集合，A+表示集合，這里把請(qǐng)求集定義為 以區(qū)別于以往的請(qǐng)求集R，這里Re，其中RT稱為請(qǐng)求種類集。RT＝{r0,r1,r2}，其中r0表示正常請(qǐng)求，r1表示強(qiáng)制求，r2稱為二次請(qǐng)求。對(duì)于正常請(qǐng)求，將按照經(jīng)典的BLP模型中的原則判斷并做出對(duì)應(yīng)的應(yīng)答。對(duì)于強(qiáng)制請(qǐng)求，如符合經(jīng)典的BLP模型中的準(zhǔn)則，自然將被允許，反之（如向低安全級(jí)主體進(jìn)行“下寫”操作），將觸發(fā)一個(gè)事務(wù)，在這個(gè)事務(wù)中被請(qǐng)求主體將向更高安全級(jí)的主體發(fā)出二次請(qǐng)求，多個(gè)更高安全級(jí)的主體將對(duì)該二次請(qǐng)求進(jìn)行判定，決定是否對(duì)發(fā)出二次請(qǐng)求的主體進(jìn)行授權(quán)，以進(jìn)行特殊的操作，如“下寫”。

圖1 模型中的下寫操作

由強(qiáng)制請(qǐng)求觸發(fā)的事務(wù)，也可以稱作一次表演。一個(gè)事務(wù)我們記為e，可以看成一個(gè)四元組(r1,r2,li,le)，r1表示觸發(fā)二次請(qǐng)求的強(qiáng)制請(qǐng)求，r2表示二次請(qǐng)求，li表示事務(wù)的生命期，le表示事務(wù)的安全級(jí)水平。當(dāng)事務(wù)被觸發(fā)后li被初始化，當(dāng)主體發(fā)出二次請(qǐng)求后，li進(jìn)入等待期，等待二次請(qǐng)求的結(jié)果，若二次請(qǐng)求的結(jié)果為拒絕，則拒絕r1，li進(jìn)入鎖定定期，事務(wù)終止；若二次請(qǐng)求結(jié)果為允許，則進(jìn)行r1請(qǐng)求的操作后li進(jìn)入鎖定期，事務(wù)終止。le表示事務(wù)的安全水平，管理員可以對(duì)具體的事務(wù)配置適當(dāng)?shù)陌踩?，這里定義三種安全水平，對(duì)于安全級(jí)別比較高的事務(wù)，我們要求二次請(qǐng)求的所有對(duì)象都給出肯定的應(yīng)答，才準(zhǔn)許r1的請(qǐng)求；對(duì)于中等安全級(jí)別的事務(wù)，我們要求要有足夠多的二次請(qǐng)求的對(duì)象給出肯定的應(yīng)答，才準(zhǔn)許r1的請(qǐng)求；而對(duì)于安全級(jí)別相對(duì)較低的事務(wù)，只要有更高安全級(jí)的主體給出肯定的應(yīng)答即可允許r1的請(qǐng)求。對(duì)于第一種和最后一種安全水平的事務(wù)，相對(duì)來說比較簡單，也比較容易實(shí)現(xiàn)，我們重點(diǎn)討論，中間一種情況，即要求有一定數(shù)量的更高安全級(jí)的主體給出肯定的應(yīng)答，主體才可允許r1的請(qǐng)求。這里我們可以使用密碼學(xué)中基于門限的秘密分享方案來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。(k,n)門限秘密分享是把一個(gè)或多個(gè)秘密分拆成若干個(gè)子秘密，分配給n個(gè)參與者，使得n個(gè)參與者中任何k個(gè)參與者合作都可恢復(fù)秘密，但對(duì)于任何少于k個(gè)的參與者得都無法獲得該秘密[8]。對(duì)于中等安全的事務(wù)，把所有二次請(qǐng)求的對(duì)象的個(gè)數(shù)定義為n，把需要得到準(zhǔn)許的數(shù)目定義為k，則當(dāng)收到準(zhǔn)許的數(shù)目達(dá)不到k個(gè)時(shí)，則可以恢復(fù)原來的秘密，允許r1的請(qǐng)求；反之則拒絕請(qǐng)求。

2.4 模型的安全性分析

對(duì)于BLP模型中常規(guī)的部分，以往的文獻(xiàn)已有詳盡的論述，這里不再重復(fù)。我們重點(diǎn)討論本文中改進(jìn)的部分。本文通過在一定程度上允許“下寫”存在，從而在盡可能不降低系統(tǒng)的安全性的情況下，增加了系統(tǒng)的靈活性。本文對(duì)BLP模型的改進(jìn)基于一個(gè)前提條件，即整個(gè)系統(tǒng)中大部分的主體是安全可信的，若系統(tǒng)中幾乎所有的主體都是敵對(duì)的，則系統(tǒng)已經(jīng)沒有存在的必要性了，故而這個(gè)前提也是合理的。本文在一定程度上允許下寫的操作，而對(duì)類似的操作更加慎重。

第一，被請(qǐng)求“下寫”操作的主體不能決定自己是否進(jìn)行此操作，從而避免了一個(gè)主體被入侵就會(huì)引起信息泄露的可能。

第二，對(duì)于二次請(qǐng)求，多個(gè)更高安全級(jí)的主體通過基于門限的秘密分享方案中秘密恢復(fù)的方法來決定是否允許對(duì)應(yīng)的請(qǐng)求，故而即使有部分高安全級(jí)的主體已成為惡意主體時(shí)也不會(huì)造成敏感信息的泄露。

第三，對(duì)于“下寫”的操作，采取基于事務(wù)的方法。強(qiáng)制請(qǐng)求觸發(fā)事務(wù)，更高安全級(jí)的主體根據(jù)請(qǐng)求的具體上下文環(huán)境及對(duì)應(yīng)的安全策略，決定是否允許本次請(qǐng)求，本次請(qǐng)求被拒絕或準(zhǔn)許并執(zhí)行后事務(wù)終止，事務(wù)終止后，主體將不能進(jìn)行“下寫”操作。這里不是通過動(dòng)態(tài)調(diào)整主體的安全級(jí)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的需求，從而避免了隱通道的問題。

本模型支持兩個(gè)著名的安全控制準(zhǔn)則：

1）最小特權(quán)原則，事務(wù)被激起后，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)具體情況對(duì)相應(yīng)主體臨時(shí)授予一定權(quán)限，當(dāng)事務(wù)結(jié)束后權(quán)限被收回。

2）職責(zé)分離原則，主體自身不能決定自己是否能夠進(jìn)行“下寫”的操作，必須向更高安全級(jí)的主體發(fā)出二次請(qǐng)求，才能決定。

3 結(jié)束語

BLP模型是比較經(jīng)典的安全模型，它的“下讀上寫”的準(zhǔn)則能夠很好的保證敏感信息不被泄露，但是，也大大限制了系統(tǒng)的靈活性。本文受基于任務(wù)的訪問控制模型的啟發(fā)，在一定程度上允許慎重的“下寫”，從而增加了系統(tǒng)的靈活性?？梢灶A(yù)見，增加了靈活性的BLP模型將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] D. E. BEL,and L. J.LaPadula. Secure Computer Systems：Mathematical Foundations. MITRE Technical Report 2647,voume I. Nationgal Technical Information Service,1973.

[2] L.J.LaPadula,and D. E. Bell. Secure Computer Systems：A Mathematical Model. MITRE Techniacl Report 2547,volume II. National Information Service,1973.

[3] Len Lapadula,secure computer system： a mathematical model[R]. MITRE Technical Report,Vol II,1996,titled secure Computer Systems：Mathematical Foundations,by Leonard J.LaPadula and D. Elliott Bell,dated 31 May 1073.

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