南京大学 操作系统 (JYY) 学习笔记：系统安全、访问控制与惊心动魄的侧信道攻击

写在前面这是本系列的第二十六篇。在操作系统 API 上我们可以构建命令行工具、编译器、数据库、浏览器等丰富的应用。当越来越多用户开始共享计算机、越来越多的应用出现在操作系统中隔离用户的权限就成为了非常重要的需求“黑客” 也随之登上了历史的舞台。本讲内容我们将探讨现代操作系统中的访问控制机制以及在“绝对安全”的系统设计之外黑客是如何利用幽灵般的硬件侧信道漏洞如 Meltdown完成降维打击的。计算机系统安全简介从“裸奔”到现代防护PC“裸奔”时代8086, Real-Mode (实模式)16-bit CS, 16-bit IP, 物理地址PC (CS 4) IP(只有 1 MB 的寻址能力)。固件代码 (Firmware code) 直接映射到地址空间中。int $x \rightarrow ((void(*)())(x \times 4))();这就是 16-bit 时代简陋的“系统调用”。完全没有任何安全可言任何程序都可以访问任何硬件。这造就了早期病毒的狂欢病毒可以随意复制自己然后感染更多的计算机“加壳”技术。例子著名的 CIH 病毒甚至能直接破坏主板的 BIOS 硬件芯片安全不裸奔的三大基石 (CIA Triad)现代信息安全建立在三个核心支柱之上1. Confidentiality (机密性)不想给别人看的别人就看不到。(比如快速格式化后如何保证数据不被恢复)2. Integrity (完整性)不想让别人改的别人就改不了。(你们的师兄“如何通过入侵老师邮箱拿到期末考卷和修改成绩…”)3. Availability (可用性)属于我的别人不能让我用不了。“Denial-of-service” (DoS) 拒绝服务攻击发送海量请求堵死服务器带宽导致正常用户无法服务。使用fork恶意拉起无数个线程耗尽系统内存和 PID 空间使得正常功能不能运行。经典 Fork bomb (Bash 炸弹)::(){ :|: };:Algorithmic complexity attack; 例子Hash table 碰撞攻击。Distributed DoS (DDoS) 分布式拒绝服务。安全是个巨大的主题软件 硬件协同设计参阅顶会 IEEE SP (Oakland) 2025分页机制和进程隔离系统调用和访问控制鉴权与授权加密审计与日志机密计算 (TEE)……今天我们只问一个问题操作系统的设计者如何在基础“功能”之上优雅地实现 Confidentiality, Integrity, Availability访问控制 (Access Control)访问控制的本质进程 虚拟内存已经实现了隔离。进程只能以 ELF 规定的权限访问自己的虚拟地址空间。系统调用是唯一访问操作系统对象的途径假设内核没有被漏洞攻破。操作系统还有更高维度的虚拟化机制虚拟机、容器 (cgroups, namespaces…)。访问控制的核心限制程序对操作系统对象的访问。拒绝越权访问 $ \rightarrow $ 保证机密性 (Confidentiality)拒绝越权修改 $ \rightarrow $ 保证完整性 (Integrity)(再加上公平的资源调度机制 $ \rightarrow $ 保证可用性 Availability)访问控制原理一张表从上帝视角看系统只需要维护一张巨大的权限控制表“谁能怎么访问什么”。进程对象访问权限1/etc/passwdread√1/etc/passwdwrite√4132/etc/passwdwrite×4132/tmp/hello.txtwrite√越权访问操作系统直接返回EACCESS(Permission denied)。缺点如果在内核里真维护这么一张表它将变得极其庞大而且极难维护。我们需要一个更简单、更低成本的机制。UNIX 的绝妙抽象用整数表示身份为了避免维护一张庞大的字符串表UNIX 引入了极简的uid,gid,mode机制uid 0$ \rightarrow $root其他都是“普通用户”。root是真神可以访问所有对象也可以使用setuid任意切换身份。子进程完美继承父进程的uid。gid“完全自由”虽然一般0是root组。一个用户可以属于多个不同的组。mode: 即r,w,x(读、写、执行) 权限位。例子owner 只写不可读audit 组可以读的日志文件。操作系统底层其实完全看不到用户名它只认识冷冰冰的数字uid。所有的权限隔离纯粹通过setuid,setgid,chmod系统调用实现。/etc/passwd每行一个用户username:password:uid:gid:comment:home:shell现代系统通常使用/etc/shadow文件存储密码的 hash 值极大地提高了安全性。chsh,passwd命令本质上只是具有特权的小程序直接去修改了这些文本文件而已。UID没有那么简单 (Spicy ️)没有一个软件系统 (Abstraction) 能逃脱成为“山”的宿命。随着业务的复杂化UNIX 被迫把纯粹的uid拆分成了极其变态的体系Real uid (ruid):真实的用户 ID。Saved uid (suid):为了实现“临时提权后恢复权限”而设计的备份 ID。Effective uid (euid):这是操作系统实际进行访问控制检查时真正看的 UIDFilesystem uid (fsuid):(Since Linux 1.2现在几乎没人用了)。chmod s(Set-UID 标志比如ls -l /bin/passwd里的s允许普通用户在执行该程序时瞬间化身为文件所有者的 euid)。深入阅读Setuid demystified回到访问控制现代扩展 (Spicy ️)uid,gid,mode已经无法满足现代云原生安全的需求了于是诞生了更多花活Access Control List (ACL):基于文件系统的扩展属性xattr实现支持为任意数量的特定用户和组设置极其精细的权限。SELinux / AppArmor:强制访问控制 (MAC)。可以试试sudo apparmor_status | ag --gpt -q Explain。Capabilities:把原本无所不能的root权限大卸八块。你可以给一个普通程序赋予“只允许发 Ping 包”的特权而不给它任何其他root能力。capsh --dropcap_net_raw -- -c ping 127.0.0.1(注意这是 fail on execve; 可用getcap查看 capabilities)。意料之外之外之外…… (Spicy ️)攻破一个进程Undefined behavior (未定义行为) 不是在和大家开玩笑的一个看似不起眼的缓冲区溢出 (Buffer Overflow) 或者悬空指针。内存错误 (Memory error) 贡献了巨量的现代内核提权漏洞。进阶教程Tutorial: 64-bit Overflow防御一个进程减少攻击面黑客很强但防守方也在不断进化疯狂拉高攻击的门槛降权:永远以www-root等最低权限运行对外服务。ASLR (地址空间布局随机化):每次启动mmap把栈、堆、库映射到完全随机的地址让黑客找不到跳转的目标。Canary (金丝雀/栈保护):在函数返回地址前埋一颗“地雷”一旦发生溢出覆盖地雷立刻引爆程序自杀。NX-bit (不可执行位):栈区和数据区被标记为永远不可执行代码。CFI (控制流完整性):硬件级别的跳转地址合法性校验 (如 Intel 的endbr64)。访问控制没能完全解决问题 (侧信道攻击)“单次”看起来绝对合法的访问如果在时间、功耗上存在差异也可能被提炼出极其致命的机密信息。经典的 Tenex 密码验证系统漏洞intcheck_password(__userchar*given_pass){...for(i0;istrlen(correct_pass);i)if(correct_pass[i]!given_pass[i]){sleep(3);returnEACCESS;// access denied}return0;}极客黑魔法上面的代码看起来没问题一旦第一个字符错了就立刻返回错误。但黑客可以故意把given_pass字符串放在一个内存分页边界 (Page Boundary)上如果第一个字符猜对了内核会去读第二个字符此时会触发一个极度耗时的缺页中断 (Page Fault)。黑客通过精确测量程序返回EACCESS的微秒级时间差就能在 $ O(N) $ 的常数时间内一个字符一个字符地把正确密码完全“试”出来Meltdown硬件芯片底层的崩塌软件没问题硬件也可以有漏洞这就大名鼎鼎的“熔断”漏洞 (Meltdown)。raise_exception();// 第一步故意触发一个异常比如非法读取高权限的内核内存uint8_tvolatilexprobe_array[data*4096];// 第二步利用非法拿到的 data 去访问数组漏洞原理拆解 (Timing side channel):推测执行 (Speculative Execution):现代处理器为了提高性能在等待异常处理完成时会提前“偷跑”后续的指令。缓存侧信道攻击:虽然 CPU 最后发现你越权了撤销了这些推测执行的寄存器结果但它没有撤销 CPU 高速缓存 (L1/L2 Cache) 里留下的痕迹用户虽然读不了内核数据但可以通过遍历探测probe_array的访问速度瞬间识别出哪一块内存被缓存了从而反向逆推出那个被非法读取的data是什么天道好轮回:现代硬件的精妙性能设计反而成了安全的地狱。目前的惨痛补丁: KPTI (Page Table Isolation)。直接改写了教科书强行在内核态和用户态切换时清空页表代价是巨大的性能损耗。你甚至看不到你的对手在哪硬件侧信道攻击的脑洞是没有极限的1. 电磁辐射窃听 (Electromagnetic eavesdropping)超视距攻击天线和显示器相距 10m中间隔着三层石膏板黑客竟然能通过截获显示器排线发出的微弱高频电磁辐射在自己电脑上完美复原你屏幕上的画面Electromagnetic eavesdropping risks of flat-panel displays2. 物理声学窃听只要录下你敲击键盘的声音每个按键在键盘不同位置产生的高频声纹有微小差异经过 AI 降噪分析就能在隔壁房间把你输入的密码完整记录下来。Physical key extraction attacks on PCs总结Take-away messages:在计算机系统设计的初期一切为了功能真的没有丝毫安全可言。但随着商业需求的暴涨和黑客的步步紧逼今天我们已经建立起了极其庞大、成熟的安全隔离机制从软件层的 UID/进程隔离到硬件层的 ASLR/NX 保护层层设卡。然而“攻与防”的艺术永远没有尽头。对于极客而言用出其不意的方法例如时间差、电磁辐射、CPU 分支预测漏洞去攻破这些看似坚不可摧的系统既是最高级的心智挑战也是推动计算机底层架构不断向前进化的核心动力。