謝小賦,吳成波,龐 飛,武丹丹
(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所,四川 成都 610041;2.中國(guó)人民解放軍93114 部隊(duì),北京 100195)
由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算設(shè)施組成的信息環(huán)境,作為一種保障網(wǎng)絡(luò)空間中信息高效處理和數(shù)據(jù)可靠通信的信息基礎(chǔ)設(shè)施,近年來(lái)已經(jīng)取得了較快的發(fā)展。由于信息環(huán)境在網(wǎng)絡(luò)空間中的作用越來(lái)越重要,特別是對(duì)高度信息化武器裝備效果發(fā)揮的作用越來(lái)越關(guān)鍵,信息環(huán)境已經(jīng)成為敵手網(wǎng)絡(luò)攻擊的主要目標(biāo)之一。此外,隨著網(wǎng)絡(luò)空間對(duì)抗博弈的不斷加劇,網(wǎng)絡(luò)攻擊方式逐漸由病毒感染、漏洞入侵、非授權(quán)篡改等一般網(wǎng)絡(luò)攻擊方式,向更具隱蔽性、復(fù)合性的強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)攻擊方式發(fā)展,例如系統(tǒng)完整性破壞、惡意代碼植入、系統(tǒng)漏洞利用、社會(huì)工程學(xué)入侵等,使得信息環(huán)境面臨更加嚴(yán)峻的網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅。
信息環(huán)境在防火墻、防病毒軟件和入侵檢測(cè)等傳統(tǒng)安全防護(hù)措施下,僅能有效應(yīng)對(duì)一般性網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅,面對(duì)強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅卻束手無(wú)策。為了解決信息環(huán)境所面臨的防御困局,國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)可信計(jì)算下信息環(huán)境的安全增強(qiáng)作用進(jìn)行了深入研究。沈昌祥院士等人[1]提出了基于可信計(jì)算技術(shù)構(gòu)建縱深防御信息安全保障體系的理念,以防范未知漏洞或威脅。黃強(qiáng)等人[2]從終端安全角度,提出了利用可信計(jì)算技術(shù)解決主機(jī)程序被篡改、系統(tǒng)完整性被破壞、惡意代碼被植入與運(yùn)行、系統(tǒng)漏洞被利用、用戶權(quán)限被篡改、秘密信息被竊取等強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)攻擊問(wèn)題的新思路。金剛[3]從安全體系結(jié)構(gòu)角度,剖析了可信計(jì)算對(duì)艦艇計(jì)算環(huán)境的安全防護(hù)作用。近年來(lái),可信計(jì)算技術(shù)的安全增強(qiáng)作用研究,主要側(cè)重于計(jì)算終端安全增強(qiáng)方面,對(duì)于其在由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算設(shè)施等組成的信息環(huán)境中的安全增強(qiáng)作用研究還有待突破。
針對(duì)信息環(huán)境在強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅下所面臨的安全防護(hù)難點(diǎn),本文首先在已有傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施的條件下,分析了信息環(huán)境面臨的網(wǎng)絡(luò)攻擊威脅,進(jìn)而研究可信計(jì)算對(duì)信息環(huán)境的安全增強(qiáng)作用。
本文在信息環(huán)境采用了接入認(rèn)證、入侵檢測(cè)、訪問(wèn)控制、隔離交換、鏈路加密、主機(jī)防護(hù)和安全審計(jì)等傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施的條件下,對(duì)信息環(huán)境的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算設(shè)施所面臨的安全威脅進(jìn)行分析。
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為信息傳輸?shù)臉屑~,采用甚高頻(Very High Frequency,VHF)、高 頻(High Frequency,HF)等無(wú)線電信號(hào)運(yùn)行在一個(gè)傳播開(kāi)放、干擾嚴(yán)重的無(wú)線環(huán)境中,面臨的威脅有環(huán)境干擾、竊聽(tīng)、物理攻擊、非法篡改等[3]。特別是無(wú)線通信協(xié)議面臨關(guān)鍵字段被截獲、敏感內(nèi)容被篡改、協(xié)議通信被重放等攻擊威脅。采用傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施對(duì)無(wú)線通信協(xié)議的關(guān)鍵字段、敏感內(nèi)容等進(jìn)行機(jī)密性保護(hù),對(duì)通信協(xié)議格式進(jìn)行抗重放、防篡改等安全加固設(shè)計(jì),能夠?qū)o(wú)線通信提供機(jī)密性和抗截獲等安全保護(hù)。
基于可信計(jì)算的視角,采用上述安全防護(hù)措施的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,存在傳輸不可信數(shù)據(jù)的漏洞。由于重點(diǎn)關(guān)注通信雙方身份安全和信息傳輸安全的無(wú)線通信系統(tǒng)缺乏與傳輸數(shù)據(jù)的終端可信狀態(tài)的綁定,缺乏對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生終端的可信狀態(tài)進(jìn)行基于可信計(jì)算的度量手段,無(wú)法確保數(shù)據(jù)產(chǎn)生終端是否存在變異的風(fēng)險(xiǎn),從而無(wú)法確保通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否可信。一旦數(shù)據(jù)產(chǎn)生終端遭受滲透攻擊,使得終端機(jī)體變異,則會(huì)致使終端存在產(chǎn)生不可信數(shù)據(jù)的漏洞。這種安全漏洞將導(dǎo)致無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將發(fā)送端產(chǎn)生的不可信數(shù)據(jù)毫無(wú)戒備地傳輸?shù)酵ㄐ沤邮斩说陌踩L(fēng)險(xiǎn)。相比于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境面臨的信息被監(jiān)聽(tīng)、身份被假冒、數(shù)據(jù)被篡改等安全風(fēng)險(xiǎn),這種安全風(fēng)險(xiǎn)更為隱蔽且極具破壞力。
在信息環(huán)境中,有線網(wǎng)絡(luò)主要由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、信息局域網(wǎng)等組成。有線網(wǎng)絡(luò)面臨的攻擊威脅包括供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)可能帶來(lái)的病毒/木馬注入攻擊威脅,以及有線網(wǎng)絡(luò)不可控成員或終端非法接入威脅。在有線網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)設(shè)計(jì)中,主要采用防火墻、接入控制、病毒查殺和身份認(rèn)證等安全手段對(duì)其網(wǎng)絡(luò)關(guān)口、內(nèi)網(wǎng)終端的接入進(jìn)行安全防護(hù)[4],具有網(wǎng)絡(luò)邊界防護(hù)的安全功效。
有線網(wǎng)絡(luò)存在對(duì)未知病毒或木馬不能免疫的隱患。有線網(wǎng)絡(luò)的出口部署防火墻或接入控制等設(shè)備僅能對(duì)已知的病毒和木馬進(jìn)行查殺,對(duì)于未知病毒和木馬則缺乏相應(yīng)的處置能力。有線網(wǎng)絡(luò)只有在未知病毒或木馬對(duì)其造成了不良后果,方能事后發(fā)現(xiàn),顯然這種安全防護(hù)機(jī)制難以對(duì)未知病毒和木馬進(jìn)行免疫。
有線網(wǎng)絡(luò)存在難以防止變異終端接入內(nèi)網(wǎng)的漏洞。有線網(wǎng)絡(luò)采用數(shù)字證書(shū)技術(shù)對(duì)接入終端身份合法性進(jìn)行判斷,可有效防止非法節(jié)點(diǎn)接入內(nèi)網(wǎng)。這種技術(shù)僅對(duì)數(shù)字證書(shū)的有效性和合法性進(jìn)行檢驗(yàn),只要具有表征合法性身份證書(shū)的終端均能合法接入內(nèi)網(wǎng)。這種機(jī)制忽視了對(duì)接入終端健康度的檢查,一旦具有合法證書(shū)或Key 的終端機(jī)體發(fā)生變異,則無(wú)法避免“合法”終端接入內(nèi)網(wǎng)。
終端、服務(wù)器等計(jì)算設(shè)施主要面臨硬件被惡意置換、病毒/木馬侵入、系統(tǒng)應(yīng)用軟件被篡改、硬件平臺(tái)被事前植入“后門(mén)”等安全威脅。計(jì)算設(shè)施雖然采用登錄認(rèn)證、準(zhǔn)入控制、病毒防護(hù)、補(bǔ)丁加固和安全審計(jì)等技術(shù)手段,對(duì)其進(jìn)行較為全面的安全防護(hù),但面臨計(jì)算設(shè)施的物理硬件被惡意替換,應(yīng)用軟件被隱蔽篡改的安全威脅時(shí),卻無(wú)能為力。在計(jì)算設(shè)施中,軟硬件的任何一個(gè)漏洞被敵手所用,都會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間的信息環(huán)境造成難以估計(jì)的威脅。
此外,雖然計(jì)算設(shè)施使用的硬件平臺(tái)與應(yīng)用軟件都有相應(yīng)的國(guó)產(chǎn)化要求,但其仍然難以完全杜絕預(yù)置“后門(mén)”的存在。硬件平臺(tái)中被預(yù)置“后門(mén)”很可能在關(guān)鍵時(shí)刻被激活,從內(nèi)部直接獲得CPU 的運(yùn)行權(quán),并發(fā)起對(duì)信息環(huán)境的攻擊。顯然被預(yù)置的“后門(mén)”能繞過(guò)計(jì)算設(shè)施所采取的登錄認(rèn)證、準(zhǔn)入控制、病毒防護(hù)、補(bǔ)丁加固等傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施的圍堵與查殺,并能輕松地獲取計(jì)算設(shè)施的關(guān)鍵信息。嚴(yán)重的是,攻擊者通過(guò)對(duì)計(jì)算設(shè)施實(shí)施干擾,植入惡意代碼,進(jìn)而控制網(wǎng)絡(luò)和關(guān)鍵系統(tǒng),最終達(dá)到癱網(wǎng)和控網(wǎng)的目的[5]。
可信計(jì)算作為一種基于密碼的運(yùn)算與防護(hù)并存的安全計(jì)算模式,具有助力信息環(huán)境建立計(jì)算環(huán)境可信、網(wǎng)絡(luò)可信和接入可信的安全能力。本文在已采取傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施的基礎(chǔ)上,聚焦分析可信計(jì)算在信息環(huán)境的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、有線網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算設(shè)施中的安全增強(qiáng)作用。
采用可信計(jì)算技術(shù),可在無(wú)線通信系統(tǒng)的收發(fā)兩端對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行有效的完整性驗(yàn)證,防止數(shù)據(jù)報(bào)文被篡改而帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
(1)發(fā)送端可杜絕不可信數(shù)據(jù)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)線通信發(fā)送端具備數(shù)據(jù)加密能力,對(duì)發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作,并將加密的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信協(xié)議發(fā)送出去。一旦發(fā)送端遭到病毒、木馬等惡意程序的入侵,則會(huì)使其上的硬件、操作系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用面臨被惡意篡改的風(fēng)險(xiǎn),從而引發(fā)無(wú)線通信發(fā)送端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是否可信的安全問(wèn)題。
為解決上述問(wèn)題,可在對(duì)數(shù)據(jù)加密前,采用可信度量方法對(duì)發(fā)送端的軟硬件進(jìn)行完整性度量,產(chǎn)生度量值,并對(duì)度量值進(jìn)行簽名,再將簽名后的度量值與數(shù)據(jù)一起發(fā)送,這樣既保障了發(fā)送端數(shù)據(jù)加密操作是建立在數(shù)據(jù)可信的基礎(chǔ)之上,又保障了接收端接收到的加密數(shù)據(jù)是安全可信的。因此,在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中,可信計(jì)算可以防止因硬件、操作系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用等被惡意程序篡改所導(dǎo)致發(fā)送端產(chǎn)生不可信數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn),也能防止接收端接收到不可信數(shù)據(jù)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
(2)接收端可以杜絕數(shù)據(jù)被竊取的風(fēng)險(xiǎn)。一旦無(wú)線通信接收端具有相應(yīng)的解密能力,便能對(duì)無(wú)線鏈路中傳輸?shù)募用軘?shù)據(jù)包進(jìn)行解密操作,從而獲取無(wú)線鏈路傳輸?shù)娜魏螖?shù)據(jù)。若接收端硬件、操作系統(tǒng)、業(yè)務(wù)軟件的任意一個(gè)部件被惡意攻擊,使得程序被篡改,都將導(dǎo)致接收端數(shù)據(jù)存在被竊取的安全風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)接收到的無(wú)線通信協(xié)議進(jìn)行解密之前,都必須對(duì)接收端進(jìn)行可信度量檢查,在確保其可信度量合規(guī)的情況下,允許其對(duì)接收到的無(wú)線通信協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行解密操作??尚哦攘繖z查可以從技術(shù)上保障,只有未遭受篡改的接收端(可信)才能執(zhí)行解密操作,遭受過(guò)篡改的接收端(不可信)不能進(jìn)行解密操作,從而杜絕從接收端將數(shù)據(jù)竊取的風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò),可信計(jì)算主要具有兩方面的安全作用:一是對(duì)所有獲取處理器(Central Processing Unit,CPU)運(yùn)行權(quán)限的進(jìn)程進(jìn)行可信度量,可防止有線網(wǎng)絡(luò)中病毒/木馬運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn);二是對(duì)所有接入終端實(shí)施可信接入控制機(jī)制,可防止變異終端非法接入網(wǎng)絡(luò)的安全風(fēng)險(xiǎn)。
(1)可對(duì)未知病毒/木馬免疫。當(dāng)前,有線網(wǎng)絡(luò)在防無(wú)線入侵攻擊方面,主要是設(shè)計(jì)統(tǒng)一無(wú)線通信關(guān)口并在其上部署相應(yīng)的防火墻、入侵檢測(cè)、接入控制等設(shè)備,對(duì)病毒/木馬等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)攔截、過(guò)濾篩選和入侵檢測(cè)。由于防火墻、入侵檢測(cè)、接入控制等安全設(shè)備主要依靠既定的安全策略(如特征碼)進(jìn)行工作,僅能對(duì)安全策略限定的病毒/木馬等起到較好的防護(hù)作用,在其他未知病毒或木馬的滲透面前,則顯得力不從心,往往只能采取事后處置、策略調(diào)整的方式加以應(yīng)對(duì),其安全防御效果也難以達(dá)到最佳。
可信計(jì)算采用基于密碼的可信運(yùn)行控制機(jī)制,在獲取CPU 運(yùn)行權(quán)限前,對(duì)所有進(jìn)程進(jìn)行可信度量的安全檢查,只有符合可信度量安全檢查要求的進(jìn)程才能獲得CPU 的運(yùn)行權(quán)限。部署在有線網(wǎng)絡(luò)關(guān)口的防火墻、入侵檢測(cè)等安全設(shè)備能夠阻止安全策略設(shè)定內(nèi)的已知病毒/木馬進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,對(duì)于安全策略設(shè)定范圍外的已知或未知的病毒/木馬則難以有效攔截。對(duì)于繞過(guò)上述安全防護(hù)設(shè)備的病毒/木馬,即使其進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,也會(huì)因?yàn)闊o(wú)法通過(guò)可信運(yùn)行控制機(jī)制的嚴(yán)格檢查,而得不到運(yùn)行。因此,可信計(jì)算安全防護(hù)機(jī)制,在不需要做任何安全策略調(diào)整的情況下,可對(duì)已知或未知的病毒/木馬都具有免疫的功效。
(2)可杜絕非法終端的接入。有線網(wǎng)絡(luò)處于相對(duì)封閉的空間,與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比,其受到外部非法接入攻擊的可能性較小。有線網(wǎng)絡(luò)主要采用身份認(rèn)證、網(wǎng)絡(luò)接入控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)接入終端的身份合法性與設(shè)備地址屬性進(jìn)行管控,以防止非法節(jié)點(diǎn)接入有線網(wǎng)絡(luò)。上述的安全防護(hù)機(jī)制能對(duì)接入網(wǎng)絡(luò)終端的用戶身份進(jìn)行安全性確認(rèn),也能確保地址合規(guī)的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò),但無(wú)法防止設(shè)備狀態(tài)或軟件系統(tǒng)變異的終端接入有線網(wǎng)絡(luò)。
可信計(jì)算在身份認(rèn)證技術(shù)的基礎(chǔ)上,對(duì)終端設(shè)備狀態(tài)(包括其上運(yùn)行的應(yīng)用軟件)進(jìn)行可信驗(yàn)證,并將終端設(shè)備的信任鏈擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò),得到第三方認(rèn)證系統(tǒng)的確認(rèn)后,才允許接入有線網(wǎng)絡(luò)。上述的可信網(wǎng)絡(luò)接入控制機(jī)制,既確定了終端身份的合法性,又驗(yàn)證了設(shè)備狀態(tài)合法性,只有在二者均合規(guī)的條件下才允許接入有線網(wǎng)絡(luò)。因此,可信計(jì)算不僅能夠阻止非法終端接入有線網(wǎng)絡(luò),也能阻止身份合法但狀態(tài)被篡改的終端接入有線網(wǎng)絡(luò)。
可信計(jì)算對(duì)于計(jì)算設(shè)施的安全防護(hù)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是對(duì)端口進(jìn)行可信管控,防止物理部件被非法替換的安全風(fēng)險(xiǎn);二是對(duì)計(jì)算設(shè)施的軟件運(yùn)行進(jìn)行可信運(yùn)行控制,防止被篡改軟件和被植入“后門(mén)”程序運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。
(1)可杜絕物理部件被非法替換的風(fēng)險(xiǎn)。 計(jì)算設(shè)施的空間相對(duì)封閉,通常采用設(shè)備機(jī)箱加鎖、部件加固、專用接口等物理方法防止硬件被替換,但其防御效果較差,無(wú)法絕對(duì)保障其部件不被替換。
可信計(jì)算基于完整性度量機(jī)制[6],可以直接對(duì)物理部件屬性進(jìn)行可信度量(如讀取磁盤(pán)物理序列號(hào)、光驅(qū)序列號(hào)、顯卡OPROM、網(wǎng)卡設(shè)備ID 等硬件特征),并與存儲(chǔ)在可信硬件里的預(yù)期值進(jìn)行比對(duì),從而保障計(jì)算設(shè)施中物理部件的唯一性。采用該防范措施的好處是可以從技術(shù)層面防止物理部件被更換,即使其物理替換攻擊行為發(fā)生,也能被系統(tǒng)快速檢測(cè)到,并終止該部件的運(yùn)行,從而保障整個(gè)系統(tǒng)的安全。
(2)可禁止被惡意篡改的軟件、系統(tǒng)運(yùn)行。一方面,可信計(jì)算可以禁止計(jì)算設(shè)施中病毒/木馬等程序的運(yùn)行,防止計(jì)算設(shè)施中軟件、系統(tǒng)被病毒/木馬等惡意軟件篡改;另一方面,即使計(jì)算設(shè)施中軟件、系統(tǒng)被惡意篡改,在這些軟件、系統(tǒng)執(zhí)行前,都需要經(jīng)過(guò)可信計(jì)算的運(yùn)行控制檢查,一旦其可信度量值不符合系統(tǒng)設(shè)定的安全值,則會(huì)被拒絕執(zhí)行,從而達(dá)到保護(hù)計(jì)算設(shè)施中軟件、系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。
(3)可禁止被植入“后門(mén)”的運(yùn)行。如果“后門(mén)”程序通過(guò)不可預(yù)知的渠道避開(kāi)了層層檢查,進(jìn)入計(jì)算設(shè)施中隱蔽躲藏,病毒掃描也難以發(fā)現(xiàn)其蹤跡。此外,“后門(mén)”程序喚醒或激活的方式多樣、毫無(wú)規(guī)律可言,防火墻、入侵檢測(cè)等安全防護(hù)設(shè)備對(duì)其攔截的效率也難以準(zhǔn)確評(píng)估。“后門(mén)”程序易被喚醒或激活,從而對(duì)計(jì)算設(shè)施發(fā)起攻擊,進(jìn)而給整個(gè)信息環(huán)境帶來(lái)致命的打擊。
在可信計(jì)算的防護(hù)下,即使進(jìn)入計(jì)算設(shè)施的“后門(mén)”程序,并被喚醒或激活,但其在獲取CPU 的運(yùn)行權(quán)限時(shí),若沒(méi)有運(yùn)行控制策略的授權(quán),則無(wú)法通過(guò)運(yùn)行控制的可信度量檢查,會(huì)被拒絕執(zhí)行。因此,可信計(jì)算可在上述兩道防線都失效的情況下,能夠起到禁止計(jì)算設(shè)施中被植入“后門(mén)”程序運(yùn)行的作用,從而達(dá)到保護(hù)信息環(huán)境的目的。
信息環(huán)境作為網(wǎng)絡(luò)空間的信息基礎(chǔ)保障平臺(tái),其安全性受到了越來(lái)越多的關(guān)注。本文在傳統(tǒng)的安全防護(hù)措施的條件下對(duì)信息環(huán)境所存在的安全漏洞、面臨的安全威脅,以及對(duì)可信計(jì)算在信息環(huán)境中的作用進(jìn)行深入分析,這對(duì)信息環(huán)境安全增強(qiáng)方法的研究和安全防護(hù)方案的建立具有較強(qiáng)的支撐作用。本文的研究工作雖然能夠有效提升信息環(huán)境的安全防御能力,但尚不能全面解決信息環(huán)境的安全防御問(wèn)題。信息環(huán)境安全防御問(wèn)題的全面解決,需要業(yè)界一起從不同角度,不斷挖掘存在的漏洞和探索新的防御方法。