Windows下文件過濾驅(qū)動技術

徐國棟，朱亮

Windows下文件過濾驅(qū)動技術

徐國棟，朱亮

Windows文件過濾驅(qū)動在不改變復雜的文件系統(tǒng)基礎上，可方便地擴展I/O子系統(tǒng)的功能。在深入研究了文件過濾驅(qū)動技術基礎上，結合安全加密技術與權限控制技術，實現(xiàn)了一個安全、易用、管理方便的安全文件系統(tǒng)。

文件過濾驅(qū)動；I/O請求包；基于角色的訪問控制

0 引言

隨著企事業(yè)單位的快速發(fā)展，電子文檔為企事業(yè)單位承載了越來越多的重要信息。而由于電子文檔的容易散播性，導致企事業(yè)單位的重要資料很容易被非法獲取、篡改、乃至無序傳播等，這使得企事業(yè)單位所做的大量工作付之東流，嚴重危害了自身的利益。特別是棱鏡門事件后，文檔安全的重要性也日益受到重視。文件安全管理就是為了提高電子文檔數(shù)據(jù)的安全性和保密性、防止秘密數(shù)據(jù)被意外、或非法獲取所采用的技術手段。

密碼學是信息系統(tǒng)安全的核心，它是研究密碼系統(tǒng)和通信安全的一門學科[1]。密碼學的基本功能是提供保密性，使非授權者無法獲悉消息的內(nèi)容。

1 文件過濾驅(qū)動

Windows的I/O管理器是一個可擴展的結構，通過開發(fā)過濾驅(qū)動程序可以擴展I/O子系統(tǒng)的功能。 I/O管理器支持分層驅(qū)動程序模型，每個I/O請求包（IRP，I/O request package）的處理分別經(jīng)過各層驅(qū)動程序，直到某層驅(qū)動程序完成這個請求[2]。

1.1 過濾驅(qū)動程序

過濾驅(qū)動工作在系統(tǒng)驅(qū)動層和應用層之間，透明地截取發(fā)往低級驅(qū)動程序設備對象的請求，低級驅(qū)動程序的用戶完全不知道它們的請求被過濾器驅(qū)動程序預處理和截取了。使用過濾器驅(qū)動程序可以實現(xiàn)以下幾種主要功能：

允許修改已有驅(qū)動程序在某些方面的行為，而不必重寫整個驅(qū)動程序。

可以更加容易地隱藏低級驅(qū)動程序的限制。

允許把諸如壓縮、加密等新特征添加到設備上，而不必修改基本的設備驅(qū)動程序或者使用設備的程序。

1.2 文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動

文件系統(tǒng)是負責為用戶建立、存入、讀出、修改、轉(zhuǎn)儲文件，控制文件的存取與撤銷。文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動工作模式如圖1所示：

圖1 文件過濾驅(qū)動工作模型

作為一種內(nèi)核態(tài)中間層驅(qū)動，只需對下層的文件系統(tǒng)驅(qū)動作相應的功能擴展，加密粒度靈活、可靠性強、效率高、易于擴展。

2 文件安全保護

借助于Windows的可安裝文件系統(tǒng)IFS，Installable File System設備驅(qū)動程序開發(fā)工具DDK，Device Development Kit），即可以對Windows I/O 的子系統(tǒng)進行方便的擴展，實現(xiàn)一個文件加密過濾驅(qū)動程序。此程序有如下特點：

不改變現(xiàn)有Windows的操作習慣。

攔截所有用戶寫請求：在加密文檔寫入磁盤前加密數(shù)據(jù)，保證存儲在磁盤的都是加密數(shù)據(jù)。

攔截所有用戶讀請求：在加密文檔數(shù)據(jù)返回給用戶前解密數(shù)據(jù)，保證應用程序看到的是明文數(shù)據(jù)。

2.1 Create例程中判斷是否需要加解密

Windows文件系統(tǒng)通過Create（IRP_MJ_CREATE）例程來創(chuàng)建或打開文件。文件創(chuàng)建/打開時，Windows系統(tǒng)會創(chuàng)建一個FILE_OBJECT對象來表示此文件，根據(jù)此FILE_OBJECT來獲取文件相關的信息并判斷是否需要加密。

所有需要加/解密的文件都通過一個加密集合來維護[3]，當前打開的文件如果已在集合中，則肯定需要對其加/解密；否則：

新建的文件（打開標記為FILE_CREATED、FILE_OVERWRITTEN或FILE_SUPERSEDED者，都認定為新建），則根據(jù)設定的規(guī)則判斷是否需要對其加/解密。

打開的文件，則先獲取其加/解密標志（與文件關聯(lián)的加/解密相關信息）；如果有，則對其加/解密。

2.2 Write例程中加密

Windows的寫操作在Write（IRP_MJ_WRITE）例程中捕獲。當寫請求（IRP）到達時，先獲取FILE_OBJECT對象，來判斷是否為加密文件。非加密文件直接放行（Pass Through）即可；即使是加密文件，也不是所有的寫操作都需要加密，只有在真實數(shù)據(jù)要寫入到磁盤時（標記位為IRP_NOCACHE，且數(shù)據(jù)長度大于零）才需要加密。

對于要加密數(shù)據(jù)的寫請求，在IRP傳遞到下一層前以及完成后，都需要進行處理：

在IRP傳遞到下層前，需要對數(shù)據(jù)進行加密：

申請非分頁內(nèi)存（設為緩沖區(qū)N），用于存放加密后的數(shù)據(jù)。

用緩沖區(qū)N來替換IRP中原來的UserBuff（設為緩沖區(qū)O）。

在IRP完成后，要做清理：

把IRP中的UserBuff設回為緩沖區(qū)O。

釋放前面申請的緩沖區(qū)N。

加密數(shù)據(jù)一定要存放在新申請的緩沖區(qū)中去，不能對原有緩沖區(qū)中的內(nèi)容進行修改。

2.3 Read例程中解密

Windows的讀操作可在Read（IRP_MJ_READ）例程中捕獲。當寫讀請求（IRP）到達時，先獲取FILE_OBJECT對象，來判斷是否為加密文件。非加密文件直接放行（Pass Through）即可；即使是加密文件，也不是所有的讀操作都需要解密，只有在真實從磁盤中讀取數(shù)據(jù)時（標記位為IRP_NOCACHE，且數(shù)據(jù)長度大于零）才需要解密。

對于要解密數(shù)據(jù)的讀請求，在IRP傳遞到下一層前以及完成后，都需要進行處理：

在IRP傳遞到下層前，需要重設緩沖區(qū)：

申請非分頁內(nèi)存（設為緩沖區(qū)N），用于存放讀取到的加密數(shù)據(jù)。

用緩沖區(qū)N來替換IRP中原來的UserBuff（設為緩沖區(qū)O）。

在IRP完成后，對數(shù)據(jù)進行解密：

把讀取到的加密數(shù)據(jù)解密到緩沖區(qū)O中。

把IRP中的UserBuff設回為緩沖區(qū)O。

釋放前面申請的緩沖區(qū)N。

2.4 其他例程操作

除了上面與加解密直接相關的例程外，還有其他一些例程需要處理，本文就不詳述了：

在Close例程（IRP_MJ_CLOSE）處理與文件關閉相關操作。

在SetInformation例程（IRP_MJ_SET_INFORMA -TION）處理重命名、刪除等相關操作。

在QueryInformation例程（IRP_MJ_QUERY_IN -FORMATION）中處理各種與獲取文件信息相關的操作

2.5 文件密鑰管理

為保證安全并方便管理，筆者使用對稱算法來加密文件內(nèi)容，使用非對稱算法來保護對稱算法的密鑰[4]，此方案有如下優(yōu)勢：

使用對稱加密算法對文件內(nèi)容進行加密，來提高效率與安全性。

每個文件使用獨立的密鑰，進一步提升其安全性。

使用非對稱算法對文件密鑰進行加密保護，在保證安全的同時簡化了密鑰管理。

3 文件權限管理

企業(yè)電子文檔數(shù)量巨大且有不同程度的信息敏感度每個用戶有不同的訪問需求，使得其安全管理非常復雜。

基于角色的訪問控制將權限與角色聯(lián)系起來，在系統(tǒng)中根據(jù)應用的需要為不同的工作崗位創(chuàng)建相應的角色同時根據(jù)用戶職責指派合適的角色，用戶通過所指派的角色獲得相應的權限[5]，實現(xiàn)對文件的訪問如圖2所示：

圖2 訪問控制模型

這樣，整個訪問控制過程就分成兩個部分，即訪問權限與角色相關聯(lián)，角色再與用戶關聯(lián)，從而實現(xiàn)了用戶與訪問權限的邏輯分離。

角色/權限之間的變化比角色/用戶關系之間的變化相對要少的多，但是也復雜的多。所以：分配權限到角色對技術要求較高，由專門的技術管理人員（文件安全管理人員）來承擔。

委派用戶到角色不需要很多技術，由行政管理人員來執(zhí)行。

通過用戶與訪問權限的邏輯分離，基于角色的訪問控制極大的方便了權限管理，實現(xiàn)最少權限原則和職責分離的原則。

4 總結

筆者應用此方案已成功實現(xiàn)了多個系統(tǒng)，并取得了良好的效果。要構建一個完善的安全系統(tǒng)，除了透明文件加密、權限管理外，還需要終端外設管理[6]、網(wǎng)絡安全管理等各種技術。只有融合多種技術才能實現(xiàn)一個安全、易用的安全系統(tǒng)，來保護我們的數(shù)據(jù)。

[1] William Stallings著，王張宜, 楊敏, 杜瑞穎,等譯. 密碼編碼學與網(wǎng)絡安全——原理與實踐[M]. 電子工業(yè)出版社，2012.

[2] Rajeev Nagar. Windows NT File System Internals. O’REILLY. 1997.

[3] 徐國棟, 白英彩. 加密文件系統(tǒng)在Windows下的實現(xiàn)[J]. 微型電腦應用, 2006, 22(5):56-58.

[4] Bruce Schneier著，吳世忠, 祝世雄, 張文政,等譯. 應用密碼學——協(xié)議、算法與C源程序[M]. 機械工業(yè)出版社，2014.

[5] Xuan H L, Doll T, Barbosu M, et al. An enhancement of the Role-Based Access Control model to facilitate information access management in context of team collaboration and workflow. Journal of Biomedical Informatics, 2012, 45(6):1084-1107.

[6] Beckley K, Sikora P, Allos B. File transfer system and method for monitoring and management of remote devices, US8880653[P]. 2014.

File Filter Diver On Windows

Xu Guodong, Zhu Liang
(Shaanxi Defence Vocational and Technical College, Xi’An 710300, China)

Via file filter driver, the I/O subsystem can be extended easily without changing the complex file system. Combined with cryptography and access control technology, a security file system is realized.

File Filter Driver; I/O request package; Role-Based Access Control.

TP183

A

1007-757X(2016)07-0074-02

2016.01.20）

徐國棟（1981-），男，上海其祥電腦系統(tǒng)工程有限公司，工程師，碩士，研究方向：信息安全與網(wǎng)絡通訊，上海 200237

朱 亮（1983-），男，北京科瑞科技發(fā)展股份有限公司，碩士，研究方向：信息安全與系統(tǒng)應用，上海，100097