基于VMM虛擬技術(shù)內(nèi)核完整性保護研究

任昭緒

【摘要】本文設(shè)計一種內(nèi)核完整性保護方法TWPos，同時具備探測和防護能力，即便內(nèi)核受到攻擊也能進行恢復(fù)。實驗表明TWPos系統(tǒng)既能全面有效的防護，而且又不犧牲系統(tǒng)性能為代價，并且兼容多種OS系統(tǒng)、同時防零日攻擊。

【關(guān)鍵字】rootkits，VMM，TWPos，SAPW，DRW，GOS，HOS

1 介紹

rootkits是攻擊者向計算機系統(tǒng)植入的，能夠隱藏自身蹤跡并保留超級用戶訪問權(quán)限的惡意程序。僅僅采用探測方式是無法保護內(nèi)核完整性，即便阻止rootkits注入保證內(nèi)核完整性這種方式，也存在諸多弊端，因而無法有效的保護內(nèi)核完整性。鑒于此，本文采用了一種將安全防護及探測安全漏洞并進行恢復(fù)結(jié)合起來確保內(nèi)核完整性的方案，稱為TWPos（Two-Way Protection OS），TWPos基于VMM管理，將TWPos保護的內(nèi)核劃分為兩種保護措施：一部分內(nèi)核采用安全認證保護方式（Safe Authentication Protection Way縮寫SAPW）；另一部分內(nèi)核采用探測恢復(fù)方式（先探測內(nèi)核完整性如果被攻擊則進行恢復(fù)，Detection Recovery Way縮寫DRW）。TWPos將保護的內(nèi)核邏輯上劃分為兩個部分，采用SAPW方式保護的內(nèi)核部分稱為SAPW-K，采用DRW方式探測保護的內(nèi)核部分稱為DRW-K。對于內(nèi)核完整性保護，用戶既可以同時選擇這兩種方式，也可以選擇兩者之一。

2 TWPos設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

TWPos設(shè)計不僅需要內(nèi)核全面安全防護措施，而且在滿足安全防護的同時，考慮系統(tǒng)性能、多操作系統(tǒng)的兼容，開發(fā)成本等。本篇論文從多個角度防護展開，并且設(shè)計時兼顧性能因素。

保護角度：內(nèi)存及DMA完整性，擴展模塊完整性，系統(tǒng)調(diào)用完整性等，也就是除CPU、內(nèi)存控制器、系統(tǒng)內(nèi)存芯片之外內(nèi)核所有其他部分。

性能：內(nèi)核作為一個載體，它運行的效率直接決定了這個系統(tǒng)的性能，因此在確保OS不被攻擊的同時盡量降低對系統(tǒng)性能的影響。

兼容性：TWPos支持多系統(tǒng)，這些系統(tǒng)無論是開源OS系統(tǒng)還是商用OS系統(tǒng)，都不需要對GOS系統(tǒng)進行修改或者插入TWPos模塊，就能進行防護。

我們引入VMM（Virtual Machine Monitoring）技術(shù)來實現(xiàn)完整性保護，將TWPos開發(fā)成為一個輕量級模塊或者任務(wù)嵌入VMM系統(tǒng)中，也就是TWPos作為VMM中的一個安全部件，充分利用VMM一些功能特性，這樣大大降低了開發(fā)成本。

2.2 設(shè)計原理

GOS訪存： GOS任務(wù)訪問物理內(nèi)存的過程：GOS虛擬地址→GOS物理地址→VMM→物理內(nèi)存，這過程需要通過VMM進行內(nèi)存隱射至真正的物理內(nèi)存?；谶@種機制將TWPos作為VMM針對GOS的一個安全部件，被保護的GOS運行在VMM之上，那么GOS任務(wù)訪問物理內(nèi)存的過程：GOS虛擬地址→GOS物理地址→TWPos→VMM→物理內(nèi)存。GOS任務(wù)訪問物理內(nèi)存時，必須通過TWPos，才能訪問真正物理內(nèi)存，TWPos作為安全保護的重要部件，通過保護GOS物理內(nèi)存達到保護GOS內(nèi)核的完整性。

內(nèi)存管理：將TWPos加載VMM中，TWPos從HOS（Host OS）分配大塊內(nèi)存，并將分配的內(nèi)存劃分為三大部分：第一部分內(nèi)存用作安全映射表（Safety Mapping Table縮寫SMT）；第二部分內(nèi)存用作映射內(nèi)存塊（Mapping Memory Block縮寫MMB）；第三部分用作備份內(nèi)存塊（Backing Memory Block縮寫B(tài)MB）。這三部分內(nèi)存分別作為三種不同功能的用途：SMT安全映射表建立原始內(nèi)存塊（Original Memory Block縮寫OMB）和MMB之間映射關(guān)系，當GOS任務(wù)訪問OMB內(nèi)存時，通過SMT映射至MMB內(nèi)存，進行訪問；MMB存放的內(nèi)存都是從OMB通過安全認證之后的內(nèi)存，確保內(nèi)核完整性，任務(wù)可以安全的訪問。BMB保存?zhèn)浞輧?nèi)存，當內(nèi)核完整性受到破壞時，通過BMB對內(nèi)核進行恢復(fù)，確保內(nèi)核代碼及數(shù)據(jù)的完整性。

加載、卸載模塊：根據(jù)內(nèi)核模塊選擇保護機制不同，加載和卸載內(nèi)核模塊操作方式也不同。如果加載模塊選擇SAPW方式：內(nèi)核運行過程中需要插入或卸載認證的內(nèi)核模塊， TWPos對內(nèi)核模塊進行加載和卸載分別建立映射和解除映射關(guān)系。如果采用DRW方式：加載內(nèi)核模塊，TWPos將加載的內(nèi)核模塊備份至BMB內(nèi)存，并將加載模塊的內(nèi)存塊HASH，同時將HASH值存入BMB中；卸載內(nèi)核模塊，TWPos首先清除內(nèi)核模塊存入BMB內(nèi)存的HASH值，再次將內(nèi)核模塊備份至BMB部分的內(nèi)存清除。

保護機制：被保護內(nèi)核加載至內(nèi)存之后，但還未執(zhí)行任務(wù)之前，TWPos根據(jù)用戶不同需求，采用不同策略。

SAPW機制：根據(jù)用戶認證將GOS的SAPW-K內(nèi)核塊映射至MMB內(nèi)存中，同時在SMT映射表中建立它們之間的映射關(guān)系，并且將MMB訪問置為只讀模式（只允許讀操作，不允許寫操作）。當GOS任務(wù)訪問SAPW-K內(nèi)核物理內(nèi)存時，查找SMT映射表關(guān)系，如果找到映射關(guān)系，則訪問MMB對應(yīng)的內(nèi)存，如果找不到對應(yīng)的映射關(guān)系則訪問OMB內(nèi)存。

DRW機制：如果用戶采用DRW機制，將GOS的DRW-K內(nèi)核塊備份至BMB內(nèi)存中，并將DRW-K內(nèi)核塊的每塊進行HASH，同時HASH值存入BMB內(nèi)存中。DRW啟動ChkPrecess內(nèi)核線程周期檢查OMB是否被篡改或注入，如果被篡改或注入則通過BMB進行恢復(fù)。

4 TWPos實現(xiàn)

TWPos實現(xiàn)我們從三個方面著手：一方面內(nèi)核啟動過程中，根據(jù)用戶保護策略，如果選擇SAPW保護機制，將需要保護的SAPW-K內(nèi)核建立安全保護的映射關(guān)系，并且兼容SAPW保護機制的內(nèi)核模塊的加載和卸載，加載過程需要建立安全保護的映射關(guān)系，卸載過程需要解除安全保護的映射關(guān)系；如果選擇DRW機制，將DRW-K內(nèi)核進行備份和HASH，加載和卸載內(nèi)核模塊如果采用DRW機制也需要進行同樣處理。另一方面在建立SAPW保護之后，我們需要實現(xiàn)SAPW保護方法，對安全認證內(nèi)核的訪問首先訪問SMT，獲取對應(yīng)的映射地址，然后再訪問映射地址內(nèi)存。最后，DRW-K內(nèi)核，不安全因素的存在可能被利用（被篡改或注入或修改控制流程等）給系統(tǒng)帶來無法估量的后果，因此DRW機制對DRW-K進行備份和HASH，一旦出現(xiàn)惡意攻擊，通過備份進行恢復(fù)確保內(nèi)核完整性。

5 評估

對TWPos評估分為兩種方式：1）防護能力；2）性能影響。

實驗環(huán)境：Dell PowerEdge T310、2.4G主頻、Intel Xeon X3430、4GB內(nèi)存，Xen hypervisor基于3.4.2版本，dom0系統(tǒng)為Fedora 12，使用64位Ubuntu、內(nèi)核為2.6.24作為客戶機OS。

防護能力：我們建立了保護評估模型，采用現(xiàn)有針對內(nèi)核的rootkits攻擊工具，攻擊分為如下幾種，攻擊主要通過插入模塊修改控制流程、通過修改物理內(nèi)存及其調(diào)用表或者中斷表進入注入或者修改。從而達到隱藏或者篡改操作系統(tǒng)目的。

性能評估：使用Lmbench作為測試性能工具，可以測試TWPos對應(yīng)用的影響，這些影響主要由于應(yīng)用訪問內(nèi)核內(nèi)存導(dǎo)致性能有所下降，當然這些變化只對系統(tǒng)性能產(chǎn)生輕微的影響，不會導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴重下降。那充分說明TWPos這種方式不僅能夠內(nèi)核系統(tǒng)進行有效防護、而且對系統(tǒng)性能也不構(gòu)成影響。因此這種對內(nèi)核rootkits的防護及其防護過程中出現(xiàn)的遺留進行有效恢復(fù)都是非常有效的。

6 結(jié)論

通過上述評估TWPos能夠避免rootkits攻擊，并且對內(nèi)核性能也未構(gòu)成大的影響，是一種比較完善高效的保護機制，并且兼容多種OS系統(tǒng)。但是MPOS也存在不足，體現(xiàn)如下一些缺陷：

VM啟動過程中，還未構(gòu)建或者還未構(gòu)建完TWPos時，系統(tǒng)已經(jīng)受到了rootkits攻擊，導(dǎo)致TWPos備份內(nèi)存也被篡改或者注入了rootkits就算后期探測到rootkits攻擊，利用備份內(nèi)存進行恢復(fù)系統(tǒng)，系統(tǒng)還是存在rootkits無法被清除。

TWPos基于VMM系統(tǒng)的支撐，如果CPU不具有或者不支持VMM功能，那么TWPos不僅無法對系統(tǒng)形成保護，并且反而減低了系統(tǒng)性能。

盡管TWPos有上述一些缺陷，但是不影響TWPos對內(nèi)核安全防護。既能保護內(nèi)核代碼、數(shù)據(jù)等完整性，又對系統(tǒng)性能不帶來大的影響。

參考文獻

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