Operating System - System security

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System security

  • 提供「安全功能」與「安全服務」
  • 針對各種常用作業系統，進行相關配置，以正確對付、防禦各種入侵
  • 保證網路作業系統提供的網路服務得到安全配置

病毒（Virus）

藉由用存取控制（Access control）的機制來保護資訊的安全，防止非法使用者的入侵與蓄意破壞

  • 特徵
    • A fragment of code embedded in a legitimate program
    • 依附在別的程式上
    • 會自行複製、感染、傳播、發作
    • 「UNIX」與「Multiuser」作業系統不易受到病毒影響，因為「可執行檔」的寫入被系統保護

  1. 啟動磁區病毒

    • 早期的病毒類型，感染開機磁片中「Boot」程式或硬碟分割表以取得控制權限

  2. 檔案型病毒

    • 寄生於執行檔後，會再自主感染其他執行檔
      • 「常駐型」：會常駐在記憶體中，當其他程式執行時會進一步執行感染動作
      • 「非常駐型」：感染磁碟機中找出尚未被感染的程式加以感染

  3. 巨集病毒

    • 裡用軟體本身提供的巨集功能設計出的病毒
      • Microsoft word 的 VBA 巨集

  4. 電腦蠕蟲

    • A process that use spawn mechanism（孕育機制） to duplicate itself

    • 不須依附在別的程式內

    • 可能不用使用者操作也會自我複製執行

    • 未必破壞被感染的系統

    • 執行垃圾程式碼以發動「分散式阻斷服務攻擊」（DDos）

      • 採用垃圾郵件、漏洞傳播，如：莫里斯蠕蟲

  5. 特洛伊木馬

    • A code segment that misuses its environment

    • 病毒依附在一般程式碼

    • 滿足特定條件後便將使用者資料傳出，未達條件不進行任何動作

    • 「Spyware」：常伴隨著商業軟體，施行網頁綁架與廣告騷擾

  6. Autorun病毒

    • 利用 USB 當作媒介，會自動執行程式侵入電腦

  7. 千面人病毒

    • 每繁殖一次會以不同病毒碼傳染到別處，每一個中毒的檔案所含的病毒程式碼皆不同

攻擊手段

  1. Dumpster diving
    • 攻擊者翻找目標系統文件、檔案、垃圾資料與殘存資訊，試圖找到密碼與其他有用的資訊
  2. Trap door
    • The designer of a program or system might leave a hole in the software that only is capable of use
    • 隱藏在程式中的秘密功能
  3. Logic bomb
    • A program that initiates a security incident only under certain circumstances
    • 難以查出問題所在
    • 正常情況不發生，當發生特定條件時會發生錯誤
  4. Stack overflow / Buffer overflow
    • Attacker sends more data than the program expected
    • 溢位（Overflow）後將原本「Stack」中的「Return address」改成惡意程式的位置
    • 避免方法
      • Use static code analysis to look for memory writes that go beyond array boundaries
      • Randomize the base address of program libraries/stack in the memory
      • 使用安全的函數（strcpy()→strncpy()）
      • 使用高階程式語言
        • Java、Python
  5. Port scanning
    • Is not a attacker but rather a means for a cracker to detect a system's vulnerabilities to attacker
    • 首先搜尋目標網路上所有可以接觸到的主機，然後查出主機上開啟了哪些通訊埠，並且進一步偵測出目標主機上所執行的作業系統類型及版本（OS fingerprinting），最後刺探出目標主機上正在執行或待命的網路服務與目標主機的 IP 位址之間的關係
    • Port scanning （通訊埠端口掃描）
      • 駭客會傳送一連串的特殊訊息去測試此主機上有執行哪些網路服務，如 HTTP 使用 Port 80，透過「Port Scanning」得知哪些通訊埠是開啟的，讓駭客知道主機上目前所執行的網路服務類型
    • Network Scanning（網路架構掃描）
      • 若能得知目標網路內有哪些主機是可以接觸到、啟動（active）的，能夠縮小攻擊範圍並知道哪些主機可以成為被攻擊目標
    • Vulnerability Scanning（弱點掃描）
      • 偵測及發現目標網路內被掃描的主機上所存在的弱點與漏洞，以便未來進行入侵攻擊
  6. Denial of service（Dos）
    • Dos attacks are aimed not at gaining information or stealing resources but rather at disrupting legitimate use of a system or facility
    • DDos
      • 利用多台殭屍系統（Zombies）同時對目標伺服器發出大量請求以癱瘓服務

Symmetric encryption and asymmetric encryption

Symmetric encryption

Same key is used to encrypt and to decrypt

Data encrypt standard（DES）

  • 64 bit block cypher
    • 每次加密操作只處理 64-bit 資料，稱為「Block」
  • 56 bit key length

Triple DES

  • C：Cypher；密文
  • M：Plaintext；明文
  • 使用「金鑰包」包含三個 DES 金鑰 \(K_1、K_2、K_3\) 均為 56-bits
    • 加密：使用 \(K_1\) 的金鑰進行 DES 加密，在用 \(K_2\) 的金鑰進行 DES「解密」，最後使用 \(K_3\) 進行 DES 加密，『\(C = E_{K_3}(D_{K_2}(E_{K_1}(M)))\)』
    • 解密：使用 \(K_3\) 的金鑰進行 DES 解密，在用 \(K_2\) 的金鑰進行 DES「加密」，最後使用 \(K_1\) 進行 DES 解密，『\(M = D_{K_1}(E_{K_2}(D_{K_1}(C)))\)』
  • 金鑰選項（\(K_1、K_2、K_3\)）
    • 金鑰選項1：三個金鑰獨立
      • 強度最高，擁有 3×56 = 168 個獨立金鑰位元（Bit）
    • 金鑰選項2：\(K_1、K_2\) 獨立、\(K_3 = K_1\)
      • 安全性稍低，擁有 2×56 = 112 個獨立金鑰位元（Bit），但可以防禦「中途相遇攻擊」
    • 金鑰選項3：\(K_1 = K_2 = K_3\)
      • 等同於普通 DES（因為會互相抵銷），擁有 56 個獨立金鑰位元（Bit）

Advanced encryption standard（AES）

在密碼學中又稱「Rijndael加密法」，是美國聯邦政府採用的一種區段加密標準，用來替代原先的DES

嚴格地說，AES 和 Rijndael 加密法並不完全一樣（雖然在實際應用中兩者可以互換），因為Rijndael加密法可以支援更大範圍的區段和金鑰長度

  • AES 的區段（Block cypher）長度固定為128-bit
  • 金鑰長度（Key length）則可以是 128、192、256-bit

而Rijndael使用的金鑰和區段長度均可以是128、192、256-bit

加密過程中使用的金鑰是由「Rijndael金鑰生成法」產生

RSA 比 DES 和其它對稱演算法要慢得多；實際上「傳送方」會使用一種對稱演算法來加密他的資訊，然後用 RSA 來加密他的比較短的對稱密碼，然後將用 RSA 加密的對稱密碼和用對稱演算法加密的訊息送給「接收方」

  • C：Cypher；密文

  • M：Plaintext；明文

  • \(K_{as}\)：AES 金鑰

  • \(K_{bs}、K_{bp}\)：RSA 私鑰與公鑰（接收方）

  • 加密

    • 利用「AES 金鑰」對明文（M）加密
    • 再使用「RSA 公鑰」對「AES 金鑰」加密
    • 將上述兩者一併傳給接收方
    • \(\Rightarrow E_{K_{as}}(M)｜E_{K_{bp}}(K_{as})\)

  • 解密

    • 用「RSA 私鑰」解密出「AES 金鑰」
    • 再使用「AES 金鑰」解密出明文
    • 爾後雙方傳遞資料只需使用「AES 金鑰」加密明文即可
    • \(\Rightarrow D_{K_{bs}}(E_{K_{bp}}(K_{as})) = K_{as} \\ D_{K_{as}}(E_{K_{as}}(M)) = M\)

Rivest cypher 4（RC4）

是密鑰長度可變的一種「串流流加密算法」，也屬於對稱加密算法，RC4 是有線等效加密（WEP）中採用的加密算法，也曾經是「Transport layer security（TLS）」可採用的算法之一

  • RC4 由偽隨機數生成器（Pseudo-random bit generator）和異或運算（XOR）組成

  • RC4的密鑰長度可變

    • 40 ~ 2048 bit

  • RC4一個字節一個字節（Byte）地加解密

  • 給定一個密鑰，偽隨機數生成器接受密鑰並產生一個「S盒」

    • S盒用來加密數據，而且在加密過程中S盒會變化

  • 快速但是安全性低

Asymmetric encryption

Rivest–Shamir–Adleman（RSA）

  1. 「接收方」生成一對公鑰、私鑰
    1. 找出兩個極大質數 p、q
      • 計算 N = p×q
      • 同時算得 \(r = \phi (N) = (p-1)\times(q-1)\)
    2. 求出整數 e其滿足 gcd(e,r) = 1 且 e < r
    3. 求出整數 d其滿足 e﹡d ≡ 1 (mod r)
      • \(e\cdot d-1 = k\cdot r, k \in Z\)
    4. 最後得到公鑰：(N, e)、私鑰：(N, d)
  2. 「接收方」公開其公鑰給欲傳遞訊息的「傳遞方」
  3. 「傳遞方」使用公鑰將明文加密
    1. 將明文（M）轉換成一整數（m）
      • f：M→m
    2. \(C \equiv m^e (\mod N)\)，C 為密文
  4. 「傳遞方」將密文傳送給「接收方」使用私鑰將其密文解密
    1. \(m \equiv C^d (\mod N)\)
    2. 將整數（m）轉換明文（M）
      • f'：m→M
  • 由尤拉公式可以得知
    • 模反元素必存在
      • \(a\times?\equiv1(\mod n)\\ \Rightarrow a\times a^{\phi(n)-1} = a^{\phi(n)} \equiv 1(\mod n)\)
  • 私鑰解密證明（\(C^d \equiv M(\mod n)\)）
    • 根據加密原則 \(M^e \equiv C (\mod n)\)
      • 則 $C = M^e - kn, k Z $
    • 將 C 帶入解密規則
      • \((M^e - kn)^d \equiv M(\mod n), k \in Z \\ \Rightarrow (M^e)^d \equiv M(\mod n)\)
      • 因為 \(e \cdot d \equiv 1(\mod \phi(n))\) ，則 \(e\cdot d = h\phi(n)+1, h\in Z\)
      • 則 \(M^{h\phi(n)+1} \equiv M (\mod n)\)

Authentication

Constraining the set of potential sender of a message and is also useful for proving that a message has not been modified

Message authentication code（MAC）

特定演算法後產生的一小段資訊附加在原始訊息後傳送，以確認「某段訊息的完整性」與「傳送者的身分驗證」

MAC
  • 資訊鑑別碼（MAC）不能提供對資訊的保密，若要同時實現保密認證，同時需要對資訊進行加密

以 RSA 為一個訊息署名

  1. 「傳送者」為原始訊息計算一個雜湊值（Message digest）
    • 用「傳送者」的私鑰「加密」這個雜湊值即為一個「署名文」
    • 將原始訊息與「署名文」一併傳給「接收方」
    • 這個訊息只有用「傳送者」的公鑰才能解密
  2. 「接收者」獲得「署名文」後使用「傳送者」的公鑰「解密」得到雜湊值
    • 將雜湊值與「接受者」自己為這個訊息計算的雜湊值比較
      • 假如兩者相符，則此訊息在傳播路徑上沒有被篡改過

第三方攻擊

和其它加密過程一樣，對RSA來說分配公鑰的過程是非常重要的，分配公鑰的過程必須能夠抵擋中間人攻擊

  1. 「竊聽者」交給 A 一個公鑰使 A 相信這是 B 的公鑰，則「竊聽者」可以截下 A 傳遞給 B 的資訊
  2. 「竊聽者」亦將自己的公鑰傳給 B 使 B 以為這是 A 的公鑰，則「竊聽者」可以將所有 B 遞移給 A 的訊息截下來，將這個訊息用自己的私鑰解密，然後將這個訊息再用 A 的公鑰加密後傳給 A

理論上 A 和 B 都不會發現訊息被竊聽，所以今天一般用可靠的第三方機構簽發憑證來防止這樣的攻擊