基于移動存儲設(shè)備的主機安全保護系統(tǒng)

劉意先　吳限　羅康健　張巍耀

【摘要】 為解決計算機主機系統(tǒng)存在的安全漏洞，增強全性，開發(fā)出一款基于移動存儲設(shè)備的主機安全保護系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。系統(tǒng)針對當前個人主機的安全性問題，通過修改主機MBR引導(dǎo)，以及主機喚醒后的Hook函數(shù)的訪問控制，提出了一種新式的、操作簡單，同時具有拓展性的主機安全保護措施，保證非專業(yè)行的普通用戶的主機不受威脅。系統(tǒng)具有唯一性和不可否認性，防止偽造驗證信息.同時驗證設(shè)備與方式具有可更改和可拓展性，由移動存儲設(shè)備進行動態(tài)加密，使以后每次解密的密鑰都是不一樣的，即使丟失移動存儲設(shè)備，MBR很難被破解。經(jīng)過測試，系統(tǒng)可以有效的解決主機的安全問題，實現(xiàn)主機安全保護。

【關(guān)鍵詞】 訪問控制 附加硬件 隨機密鑰

隨著科技的不斷發(fā)展，計算機已經(jīng)成為人們的必需品，但是計算機的安全問題一直困擾著廣大用戶。近年來，計算機丟失后資料被輕松竊取的情況頻頻發(fā)生。反映出目前的計算機應(yīng)用中存在著以下不足[1]：易于泄漏[2]、易于猜測、易于攻擊，無法提供足夠的訪問安全性。針對以上問題開發(fā)出一款基于移動存儲設(shè)備的主機安全保護系統(tǒng)。系統(tǒng)提出了一種新式的、操作簡單，同時具有拓展性的主機安全保護措施[3]。以此來保證非專業(yè)行的普通用戶也能確保自己的主機不受威脅。系統(tǒng)包含上位機程序模塊以實現(xiàn)基于windows操作系統(tǒng)的主機鎖定和對訪問權(quán)限的控制。底層匯編程序模塊以實現(xiàn)對主機喚醒之前的引導(dǎo)區(qū)域程序的控制，使主機操作系統(tǒng)的跳轉(zhuǎn)在移動存儲設(shè)備模塊實現(xiàn)。移動存儲設(shè)備模塊實現(xiàn)計算機使用過程中如果拔出移動存儲設(shè)備，實現(xiàn)整個系統(tǒng)輸入鎖死。操作者需要再次刷入驗證信息，驗證正確后，操作者方可對主機進行操作。系統(tǒng)的主要特點是移動存儲設(shè)備在經(jīng)過軟件安裝后具有唯一性與不可否認性，防止偽造驗證信息。驗證設(shè)備與方式具有可更改和可拓展性，移動存儲設(shè)備模塊可由智能手機替換，通過手機的屏幕滑動解鎖方式，操作方便快捷。同時由移動存儲設(shè)備進行動態(tài)加密，使以后每次解密的密鑰都是不一樣的，即使丟失移動存儲設(shè)備，我們的MBR很難被破解。

在測試中，針對BIOS讀取引導(dǎo)扇區(qū)將匯編信息顯示在屏幕上和Hook API自動鎖死鍵鼠等功能進行了測試，還針對客戶機掉電或強行關(guān)機后重啟機器，不丟失數(shù)據(jù)等可靠性，安全性，兼容性進行了測試。測試的結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以有效的解決主機的安全問題，實現(xiàn)基于移動存儲設(shè)備的主機安全保護。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)針對當前個人主機的安全性問題，通過修改主機MBR引導(dǎo)，以及主機喚醒后的Hook函數(shù)的訪問控制，提出了一種新式的、操作簡單，同時具有拓展性的主機安全保護措施。以此來保證非專業(yè)行的普通用戶也能確保自己的主機不受威脅。

系統(tǒng)如圖1包括兩部分：1.基于主機的軟件程序中包含了上位機程序：基于windows操作系統(tǒng)，利用Hook API對喚醒后的主機進行鎖定，直到接受到移動存儲設(shè)備板傳遞來的操作指令。并根據(jù)操作指令對訪問權(quán)限進行控制。底層匯編程序：軟件面向cpu編程。主機喚醒之前的引導(dǎo)區(qū)域程序，通過修改硬盤1磁道0扇區(qū)的整個64字節(jié)匯編代碼，使主機操作系統(tǒng)的跳轉(zhuǎn)在移動存儲設(shè)備模塊實現(xiàn)。 2.安全終端載體移動存儲設(shè)備。

二、核心技術(shù)

2.1 移動存儲設(shè)備驗證模塊

移動存儲設(shè)備模塊實現(xiàn)動態(tài)加密和問題。首先將MBR放到ARM的扇區(qū)中，然后進行每一位的按位加密，寫好簡單加密算法對MBR進行加密。然后調(diào)用隨機函數(shù)生成一個512B的字符串，與原來字符串進行按位加密運算，解密的時候用原來的字符串與加密MBR進行按位解密運算，然后再與原來第一步實現(xiàn)的加密算法進行解密，得到真正的MBR。在進入計算機之前，只有BIOS，而BIOS有著非常簡單的計算和處理能力，那么移動存儲設(shè)備和計算機BIOS的通信只能通過字符串傳遞，而不能通過文件的形式傳遞，那么用512個字符當成文件，將512個字符傳送到MBR指定的位置上，然后由固化在硬盤扇區(qū)中的程序?qū)⒄嬲腗BR加載到指定扇區(qū)，就能夠開機啟動。

2.2 計算機引導(dǎo)匯編部分

（1）分析計算機啟動的引導(dǎo)過程：按下開機電源→固化在計算機主板上的BIOS進行開機自檢→如果自檢成功→檢測第一存儲外設(shè)的第一塊扇區(qū)標志位是否是55AA→是則BIOS將第一外設(shè)存儲的第一個扇區(qū)（也就是MBR）加載到計算機內(nèi)存0000：7C00H處，不是則檢測第二存儲外設(shè)…… →然后將計算機的控制權(quán)力給了第一外設(shè)的第一快硬盤分區(qū)→計算機開始執(zhí)行該扇區(qū)上的代碼 →代碼將執(zhí)行一系列代碼引導(dǎo)計算機啟動。

（2）由于系統(tǒng)主要在重寫MBR，所以下面來分析下MBR：MBR一共512B，是446B+64B+2B的結(jié)構(gòu)：446B是功能性引導(dǎo)代碼部分，這一部分是寫功能代碼的區(qū)域，代碼的長度不能超過446B，如果超過就要跨扇區(qū)寫代碼，對于程序的穩(wěn)定性和可移植性都有一定的影響，所以將代碼控制在446B；64B是計算機分區(qū)表，分區(qū)表的功能是為電腦的磁盤劃分多個分區(qū)便于用戶管理，最多四個表項每個表項16B，如果這一部分丟失，那么計算機識別的硬盤就是一整硬盤，毫無意義，如果加密該64B的內(nèi)容，那么對于磁盤的信息保護有了極大的保障。

2B是MBR標識符，常為55AA，如果不是這個數(shù)值，那么則該扇區(qū)不會當做MBR。

（3）匯編程序大體思路

第一步將計算機真正的MBR備份，以防丟失，把MBR存儲到移動存儲設(shè)備的存儲器中，然后將MBR進行按位加密，這樣即使以后有人得到移動存儲設(shè)備外設(shè)，也很難能夠分析出來MBR在什么地方；

第二步向計算機磁盤的第一扇區(qū)寫上代碼，代碼功能是在屏幕上顯示如圖2。

第三步是將移動存儲設(shè)備的代碼寫入到移動存儲設(shè)備指定扇區(qū)，代碼功能是在屏幕上顯示，如圖3。

ENTER THE SYSTEM然后等待驗證識別，如果成功將MBR解密寫入扇區(qū)，如果失敗將虛擬MBR寫入扇區(qū)，最后都會把計算機的引導(dǎo)權(quán)給計算機。

2.3 上位機程序模塊

模塊如圖4所示。

2.3.1 開機自啟原理

在上位機程序代碼中使用RegCreateKey等注冊表函數(shù)在注冊表HKEY_LOCAL_MACHINE＼Software＼Microsoft＼Windows＼CurrentVersion＼Run下新建一個字符串，值為所要自動執(zhí)行的程序名，將數(shù)據(jù)設(shè)置為程序所在的目錄，即可將該程序設(shè)置自動執(zhí)行。當程序第一次執(zhí)行時，寫入注冊表行為同時得到執(zhí)行，由此實現(xiàn)了上位機程序的開機自啟動。主機喚醒后，由于Hook程序的自啟動，因此，主機屏蔽所有鍵盤鼠標消息。

2.3.2 程序相關(guān)源代碼

Hook模塊定義文件

1 LIBRATY Hook

2 EXPORTS

3 SetHook @2

4 SEGMENTS

5 MySec READ WRITE SHARED

由于單一程序調(diào)用的HOOK API是僅在當前程序下的線程消息，所以需要設(shè)置動態(tài)鏈接庫（DLL）實現(xiàn)Hook對系統(tǒng)全局消息的屏蔽。由于DLL由模塊定義文件及Hook函數(shù)設(shè)置編譯得到，所以此處無法附上DLL代碼

加載全局定義

5 #pragma data_seg（“MySec”）

6 HWND g_hWnd=NULL；

7 #pragma data_seg（）

8 //#pragma comment （lib，”Hook.lib”）

9 #pragma comment（linker，”/section：MySec，RWS”）

Hook函數(shù)定義

調(diào)用聲明

_declspec（dllimport） void SetHook（HWND hwnd）；

DLL及客戶端程序聯(lián)調(diào)

int cxScreen，cyScreen；

cxScreen=GetSystemMetrics（SM_CXSCREEN）；

cyScreen=GetSystemMetrics（SM_CXSCREEN）；

SetwindowPos（&wndTopMost，0，0，cxScreen，cy

Screen，SWP_SHOWWINDOW）；

SetHook（m_hWnd）；

直到接收到ARM嵌入式板傳遞來的指紋特征信息碼。

三、創(chuàng)新性、可拓展性

（1）獨立于主機的移動存儲設(shè)備：通過外置的移動存儲設(shè)備，將個人安全信息識別提取傳遞的實現(xiàn)在主機系統(tǒng)之外，避免由于主機系統(tǒng)可能存在的漏洞或者其他可以繞過系統(tǒng)安全設(shè)置的工具，突破針對個人主機設(shè)置的安全環(huán)境。（2）對系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)的轉(zhuǎn)移與重寫：仍然通過外置移動存儲設(shè)備，將系統(tǒng)1磁道0扇區(qū)的系統(tǒng)引導(dǎo)轉(zhuǎn)移至移動存儲設(shè)備閃存，在主機喚醒之前就已經(jīng)設(shè)置了安全屏障。將提示信息寫入0扇區(qū)，為用戶提供操作指南。（3）啟動后的主機訪問控制：以HOOK API對系統(tǒng)全局消息進行屏蔽，同時寫入注冊表運行，避免非法用戶對喚醒后主機進行重啟、注銷等操作的以此突破訪問控制。（4）驗證方式的可拓展性與多樣性：智能手機的使用已經(jīng)普遍化、大眾化，手機用戶的滑屏、手勢解鎖可用以對系統(tǒng)個人信息驗證進行替代，再根據(jù)鍵鼠無線輸入輸出的原理，手機用戶即可方便快捷地對主機進行喚醒前后的安全控制。省去了外置生物模塊設(shè)備對大眾的陌生感與操作困難。

四、結(jié)論

針對當前主機訪問控制所面臨的嚴重安全問題，系統(tǒng)從移動存儲設(shè)備與密碼體制結(jié)合的角度實現(xiàn)了對主機系統(tǒng)的安全訪問，實現(xiàn)了對計算機加解密，訪問唯一性，開關(guān)機驗證等安全認證功能。與現(xiàn)有的主機身份認證方式相比，系統(tǒng)實現(xiàn)了主機安全的自主防護，以移動存儲設(shè)備為硬件載體，結(jié)合上層軟件形成了多層次、立體化的安全防御體系，賦予了多層權(quán)限訪問控制策略，極大地保證了主機訪問控制安全?；谝苿哟鎯υO(shè)備的主機安全保護系統(tǒng)應(yīng)用前景極其廣闊，根據(jù)生物特征識別技術(shù)的拓展性與多樣性，可廣泛應(yīng)用于個人、企事業(yè)單位、政府、軍隊等用戶存儲隱私或機密數(shù)據(jù)，也可以擴展應(yīng)用到銀行業(yè)務(wù)、電子商務(wù)、數(shù)字版權(quán)、專利等更廣泛的領(lǐng)域。

參 考 文 獻

[1] 尤一名. 主機安全檢測系統(tǒng)的研究和實現(xiàn)[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2010

[2] 單國棟. 計算機電磁信息泄露與防護研究[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2002，（04）：3-6

[3] 侯興超. 基于移動存儲設(shè)備管理的主機防信息泄露系統(tǒng)研究[D]. 北京：解放軍信息工程大學(xué)，2007