基于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)

劉意先 吳限 羅康健 張巍耀

【摘要】 為解決計(jì)算機(jī)主機(jī)系統(tǒng)存在的安全漏洞，增強(qiáng)全性，開發(fā)出一款基于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）。系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)前個(gè)人主機(jī)的安全性問題，通過修改主機(jī)MBR引導(dǎo)，以及主機(jī)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(shí)具有拓展性的主機(jī)安全保護(hù)措施，保證非專業(yè)行的普通用戶的主機(jī)不受威脅。系統(tǒng)具有唯一性和不可否認(rèn)性，防止偽造驗(yàn)證信息.同時(shí)驗(yàn)證設(shè)備與方式具有可更改和可拓展性，由移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)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(dòng)存儲(chǔ)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(jī)的安全問題，實(shí)現(xiàn)主機(jī)安全保護(hù)。

【關(guān)鍵詞】 訪問控制 附加硬件 隨機(jī)密鑰

隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為人們的必需品，但是計(jì)算機(jī)的安全問題一直困擾著廣大用戶。近年來，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(duì)以上問題開發(fā)出一款基于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)。系統(tǒng)提出了一種新式的、操作簡單，同時(shí)具有拓展性的主機(jī)安全保護(hù)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(jī)不受威脅。系統(tǒng)包含上位機(jī)程序模塊以實(shí)現(xiàn)基于windows操作系統(tǒng)的主機(jī)鎖定和對(duì)訪問權(quán)限的控制。底層匯編程序模塊以實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)喚醒之前的引導(dǎo)區(qū)域程序的控制，使主機(jī)操作系統(tǒng)的跳轉(zhuǎn)在移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)使用過程中如果拔出移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)輸入鎖死。操作者需要再次刷入驗(yàn)證信息，驗(yàn)證正確后，操作者方可對(duì)主機(jī)進(jìn)行操作。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備在經(jīng)過軟件安裝后具有唯一性與不可否認(rèn)性，防止偽造驗(yàn)證信息。驗(yàn)證設(shè)備與方式具有可更改和可拓展性，移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備模塊可由智能手機(jī)替換，通過手機(jī)的屏幕滑動(dòng)解鎖方式，操作方便快捷。同時(shí)由移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)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(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，我們的MBR很難被破解。

在測試中，針對(duì)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(dòng)鎖死鍵鼠等功能進(jìn)行了測試，還針對(duì)客戶機(jī)掉電或強(qiáng)行關(guān)機(jī)后重啟機(jī)器，不丟失數(shù)據(jù)等可靠性，安全性，兼容性進(jìn)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(jī)的安全問題，實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的主機(jī)安全保護(hù)。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)針對(duì)當(dāng)前個(gè)人主機(jī)的安全性問題，通過修改主機(jī)MBR引導(dǎo)，以及主機(jī)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(shí)具有拓展性的主機(jī)安全保護(hù)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(jī)不受威脅。

系統(tǒng)如圖1包括兩部分：1.基于主機(jī)的軟件程序中包含了上位機(jī)程序：基于windows操作系統(tǒng)，利用Hook API對(duì)喚醒后的主機(jī)進(jìn)行鎖定，直到接受到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備板傳遞來的操作指令。并根據(jù)操作指令對(duì)訪問權(quán)限進(jìn)行控制。底層匯編程序：軟件面向cpu編程。主機(jī)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(gè)64字節(jié)匯編代碼，使主機(jī)操作系統(tǒng)的跳轉(zhuǎn)在移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)。 2.安全終端載體移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。

二、核心技術(shù)

2.1 移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備驗(yàn)證模塊

移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備模塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加密和問題。首先將MBR放到ARM的扇區(qū)中，然后進(jìn)行每一位的按位加密，寫好簡單加密算法對(duì)MBR進(jìn)行加密。然后調(diào)用隨機(jī)函數(shù)生成一個(gè)512B的字符串，與原來字符串進(jìn)行按位加密運(yùn)算，解密的時(shí)候用原來的字符串與加密MBR進(jìn)行按位解密運(yùn)算，然后再與原來第一步實(shí)現(xiàn)的加密算法進(jìn)行解密，得到真正的MBR。在進(jìn)入計(jì)算機(jī)之前，只有BIOS，而BIOS有著非常簡單的計(jì)算和處理能力，那么移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(gè)字符當(dāng)成文件，將512個(gè)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(jī)啟動(dòng)。

2.2 計(jì)算機(jī)引導(dǎo)匯編部分

（1）分析計(jì)算機(jī)啟動(dòng)的引導(dǎo)過程：按下開機(jī)電源→固化在計(jì)算機(jī)主板上的BIOS進(jìn)行開機(jī)自檢→如果自檢成功→檢測第一存儲(chǔ)外設(shè)的第一塊扇區(qū)標(biāo)志位是否是55AA→是則BIOS將第一外設(shè)存儲(chǔ)的第一個(gè)扇區(qū)（也就是MBR）加載到計(jì)算機(jī)內(nèi)存0000：7C00H處，不是則檢測第二存儲(chǔ)外設(shè)…… →然后將計(jì)算機(jī)的控制權(quán)力給了第一外設(shè)的第一快硬盤分區(qū)→計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)啟動(dòng)。

（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(duì)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(jì)算機(jī)分區(qū)表，分區(qū)表的功能是為電腦的磁盤劃分多個(gè)分區(qū)便于用戶管理，最多四個(gè)表項(xiàng)每個(gè)表項(xiàng)16B，如果這一部分丟失，那么計(jì)算機(jī)識(shí)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(duì)于磁盤的信息保護(hù)有了極大的保障。

2B是MBR標(biāo)識(shí)符，常為55AA，如果不是這個(gè)數(shù)值，那么則該扇區(qū)不會(huì)當(dāng)做MBR。

（3）匯編程序大體思路

第一步將計(jì)算機(jī)真正的MBR備份，以防丟失，把MBR存儲(chǔ)到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的存儲(chǔ)器中，然后將MBR進(jìn)行按位加密，這樣即使以后有人得到移動(dòng)存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的代碼寫入到移動(dòng)存儲(chǔ)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(yàn)證識(shí)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(huì)把計(jì)算機(jī)的引導(dǎo)權(quán)給計(jì)算機(jī)。

2.3 上位機(jī)程序模塊

模塊如圖4所示。

2.3.1 開機(jī)自啟原理

在上位機(jī)程序代碼中使用RegCreateKey等注冊(cè)表函數(shù)在注冊(cè)表HKEY_LOCAL_MACHINE＼Software＼Microsoft＼Windows＼CurrentVersion＼Run下新建一個(gè)字符串，值為所要自動(dòng)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(dòng)執(zhí)行。當(dāng)程序第一次執(zhí)行時(shí)，寫入注冊(cè)表行為同時(shí)得到執(zhí)行，由此實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)程序的開機(jī)自啟動(dòng)。主機(jī)喚醒后，由于Hook程序的自啟動(dòng)，因此，主機(jī)屏蔽所有鍵盤鼠標(biāo)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(dāng)前程序下的線程消息，所以需要設(shè)置動(dòng)態(tài)鏈接庫（DLL）實(shí)現(xiàn)Hook對(duì)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(dú)立于主機(jī)的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備：通過外置的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備，將個(gè)人安全信息識(shí)別提取傳遞的實(shí)現(xiàn)在主機(jī)系統(tǒng)之外，避免由于主機(jī)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(duì)個(gè)人主機(jī)設(shè)置的安全環(huán)境。（2）對(duì)系統(tǒng)引導(dǎo)扇區(qū)的轉(zhuǎn)移與重寫：仍然通過外置移動(dòng)存儲(chǔ)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(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備閃存，在主機(jī)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(dòng)后的主機(jī)訪問控制：以HOOK API對(duì)系統(tǒng)全局消息進(jìn)行屏蔽，同時(shí)寫入注冊(cè)表運(yùn)行，避免非法用戶對(duì)喚醒后主機(jī)進(jìn)行重啟、注銷等操作的以此突破訪問控制。（4）驗(yàn)證方式的可拓展性與多樣性：智能手機(jī)的使用已經(jīng)普遍化、大眾化，手機(jī)用戶的滑屏、手勢解鎖可用以對(duì)系統(tǒng)個(gè)人信息驗(yàn)證進(jìn)行替代，再根據(jù)鍵鼠無線輸入輸出的原理，手機(jī)用戶即可方便快捷地對(duì)主機(jī)進(jìn)行喚醒前后的安全控制。省去了外置生物模塊設(shè)備對(duì)大眾的陌生感與操作困難。

四、結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前主機(jī)訪問控制所面臨的嚴(yán)重安全問題，系統(tǒng)從移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備與密碼體制結(jié)合的角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)主機(jī)系統(tǒng)的安全訪問，實(shí)現(xiàn)了對(duì)計(jì)算機(jī)加解密，訪問唯一性，開關(guān)機(jī)驗(yàn)證等安全認(rèn)證功能。與現(xiàn)有的主機(jī)身份認(rèn)證方式相比，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了主機(jī)安全的自主防護(hù)，以移動(dòng)存儲(chǔ)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(jī)訪問控制安全?；谝苿?dòng)存儲(chǔ)設(shè)備的主機(jī)安全保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用前景極其廣闊，根據(jù)生物特征識(shí)別技術(shù)的拓展性與多樣性，可廣泛應(yīng)用于個(gè)人、企事業(yè)單位、政府、軍隊(duì)等用戶存儲(chǔ)隱私或機(jī)密數(shù)據(jù)，也可以擴(kuò)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(xiàn)

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

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

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