實時嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合以及高可信覆蓋網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得嵌入式實時操作系統(tǒng)的安全性問題日益突出。提高實時嵌入式系統(tǒng)的安全性和可靠性是未來實時嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重要方向之一。VxWorks是一個運行在目標(biāo)機上的高性能、可裁剪的嵌入式實時操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中。VxWorks系統(tǒng)在安全方面未作任何處理。針對這一問題，本文在分析現(xiàn)有嵌入式安全操作系統(tǒng)構(gòu)建原理及技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了VxWorks安全內(nèi)核，實現(xiàn)了基于多策略的強制訪問控制等安全機制。測試表明，該安全內(nèi)核不僅增強了VxWorks系統(tǒng)的安全性，而且對其實時性的影響較小。

1 安全操作系統(tǒng)構(gòu)建原理及方法
1．1 強制安全和訪問控制
    操作系統(tǒng)的安全性是整個計算機系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。操作系統(tǒng)的安全特性很多，強制安全是其一個側(cè)面。是不是強制安全，要視其安全策略邏輯定義與安全屬性分配是不是由系統(tǒng)安全性策略管理員控制。如果是，則是強制安全；反之，如果是由普通用戶控制的，則是自主安全。一個操作系統(tǒng)的強制安全策略可以分解為若干種類的策略，如訪問控制策略，認證、加密策略等。
    在本系統(tǒng)中實現(xiàn)了基于多策路的強制訪問控制，即規(guī)定主體在操作系統(tǒng)的控制下依據(jù)一定的策略對客體進行訪問。為此，提供了一個定義和轉(zhuǎn)換強制安全性策略的架構(gòu)，用于定義操作系統(tǒng)的強制安全策略，并把它轉(zhuǎn)化成底層的操作系統(tǒng)強制安全機制能夠解釋的形式

1．2 增強嵌入式操作系統(tǒng)安全性的方法
    在一個現(xiàn)有的較成熟的嵌入式操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加安全核來增強現(xiàn)有系統(tǒng)安全性，是一個很好的開發(fā)安全嵌入式系統(tǒng)的思路。安全內(nèi)核負責(zé)實現(xiàn)整個操作系統(tǒng)的安全機制，在硬件、操作系統(tǒng)、計算系統(tǒng)的其他部分之間提供安全接口，將安全功能隔離在安全核內(nèi)。

2 VxWorks安全核框架
2．1 安全核體系結(jié)構(gòu)
    本文提出一種如圖1所示的VxWorks安全核框架結(jié)構(gòu)?；舅枷胧牵簯?yīng)用程序?qū)ind內(nèi)核的訪問都是受控的，即應(yīng)用程序(主體)對任務(wù)、信號量、共享內(nèi)存、消息隊列、管道、信號和文件等(客體)的訪問及操作都受到強制的控制，安全核依據(jù)一定的策略判定是否允許主題對客體訪問。應(yīng)用程序?qū)ind內(nèi)核的所有調(diào)用都被監(jiān)控器攔截。首先通過查詢策略緩存判定該調(diào)用的合法性，如果合法則允許進行該調(diào)用；如果沒有找到相關(guān)策略則將該請求交由安全服務(wù)器進行判定，合法則允許進行該調(diào)用并將該策略寫入策略緩存以便下次調(diào)用時直接判定，非法則拒絕此次調(diào)用。每次調(diào)用及結(jié)果反饋給審計模塊以備查詢。監(jiān)視器、安全服務(wù)器、審計模塊的配置工作由主機端配置工具進行。
    該安全核的強制訪問控制模塊主要由監(jiān)控器、策略緩存和安全服務(wù)器三大組件組成。其中，監(jiān)控器負責(zé)攔截主體對客體的所有訪問，將攔截到的訪問交由判定機構(gòu)判定，并負責(zé)依據(jù)接收到的判定結(jié)果對訪問進行控制；策略緩存(Access Vector Cache，AVC)組件緩存安全服務(wù)器提供的訪問控制決策供監(jiān)控器使用，以減少檢查對象訪問權(quán)限耗時，從而提高整體性能；安全服務(wù)器是內(nèi)核的一個子系統(tǒng)，將安全策略與通用接口封裝在一起的一個組件，通用接口用于獲取安全策略決策。針對不同對象的管理器負責(zé)向安全服務(wù)器申請SID標(biāo)簽以及向監(jiān)控器提供服務(wù)。

2．2 安全服務(wù)器
    安全服務(wù)器是本系統(tǒng)的核心組件，是訪問合法性的判定部分。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    安全上下文是表示安全屬性的變長字符串，是安全服務(wù)器私有的數(shù)據(jù)類型，由安全服務(wù)器依據(jù)一定的策略邏輯負責(zé)解釋。安全上下文不直接與主客體綁定，而是在運行時由安全服務(wù)器依據(jù)標(biāo)簽規(guī)則進行其與安全標(biāo)識符SID的映射。多策略驗證器是安全服務(wù)器的核心模塊，它包含系統(tǒng)設(shè)定的所有安全策略的判定邏輯。本安全核對多安全策略的支持由這一模塊實現(xiàn)。按照不同的策略，對訪問有不同的判定結(jié)果，安全服務(wù)器依據(jù)這些判定結(jié)果的交集做出最終的判定結(jié)論。
    策略數(shù)據(jù)庫是策略數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)，通過主機端配置工具配置其中相關(guān)信息。
    本安全核的實現(xiàn)采用了一種結(jié)合類型實施(TE)、基于角色的訪問控制(RBAC)和多級安全(MLS)的多安全策略。安全服務(wù)器定義的安全性上下文由用戶身份、角色、類型及可選的安全級別和范圍組成，其中角色只與任務(wù)(task)相關(guān)。只有合法的用戶、角色、類別及安全級別或范圍的組合才會被安全服務(wù)器賦予SID。
2．3 客體管理器及強制訪問控制
    客體管理器是負責(zé)安全策略實施的部分。Wind內(nèi)核中任務(wù)、信號量、共享內(nèi)存、消息隊列、管道、信號、文件等的管理系統(tǒng)是不同的對象管理器。本系統(tǒng)實行強制訪問控制，系統(tǒng)中每個任務(wù)、信號量、文件等都被賦予一定的安全屬性，這些屬性由客體管理器負責(zé)維護。
    強制訪問控制的具體過程為：監(jiān)控器截獲訪問請求格式為主體SID、客體SID以及許可權(quán)限三元組，即。監(jiān)控器將三元組交與AVC進行匹配，如果有相應(yīng)條目，則允許該訪問請求；如果沒有相應(yīng)條目，則將該三元組交由安全服務(wù)器進行判定。安全服務(wù)器首先進行SID與安全上下文的映射，依據(jù)策略邏輯將映射后的該條訪問信息交與策略驗證器進行驗證。如果驗證通過則將該三元組寫入AVC，同時運行此次訪問，反之則不允許訪問。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及測試
3．1 安全系統(tǒng)的實現(xiàn)方式
    在分析VxWorks系統(tǒng)內(nèi)核Wind結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合上述提出的安全核設(shè)計，本系統(tǒng)實現(xiàn)了安全標(biāo)記和強制訪問控制，即實現(xiàn)了對Wind任務(wù)、信號量(二進制／互斥／計數(shù)信號量)、消息隊列、管道、事件等的安全標(biāo)記和強制訪問控制。實現(xiàn)了監(jiān)控器部分來支持對系統(tǒng)調(diào)用的控制；實現(xiàn)了策略服務(wù)器使之初步支持MLS、TE、RB