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Windows Vista操作系統(tǒng)最新安全特性分析：改進和局限 （上）
沒有十全十美的安全系統(tǒng)。
——安全領(lǐng)域第一定律
申明。文章僅代表個人觀點，與所在公司無任何聯(lián)系。
1.
概述
微軟最新發(fā)行的Windows Vista操作系統(tǒng)，特別強調(diào)了對安全特性的支持。可以毫不夸張地說，安全特性的提高是Windows Vista操作系統(tǒng)同以往發(fā)布的Windows操作系統(tǒng)相比，改進最大的地方之一，也是促使用戶升級到Windows Vista操作系統(tǒng)的重要考慮因素。
Windows Vista操作系統(tǒng)提供的各類最新的安全特性，涵蓋以下四個大部分：
·
基礎(chǔ)平臺
。包括安全軟件開發(fā)周期（SDL），系統(tǒng)服務(wù)保護（Service Hardening），防止緩存溢出，64位平臺安全改進。
·
權(quán)限保護
。包括用戶帳戶控制（UAC），智能卡/登陸體系，網(wǎng)絡(luò)權(quán)限保護（NAP）。
·
防止有害軟件和惡意入侵
。包括安全中心，反間諜軟件（Windows Defender）和有害軟件刪除工具，防火墻，IE安全改進。
·
數(shù)據(jù)保護
。包括BitLocker，加密文件系統(tǒng)，版權(quán)保護，USB設(shè)備控制。
本文會逐一分析每一個安全特性的開發(fā)背景，Windows Vista中做出的改進，及應(yīng)用范圍。并且特別強調(diào)了每一個安全特性的局限性。因為在安全領(lǐng)域中有一句話：比沒有安全更糟糕的是虛假的安全。
通過對每一個安全特性的分析，希望讀者能得到以下兩個關(guān)鍵信息:
·
Windows Vista 提供了許多非常好的安全特性
·
Windows Vista 不能解決你所有的安全問題。在某種程度上，意識這一點更為重要。
2.
安全是什么？
安全是一個整體的，系統(tǒng)的概念。安全的范圍包括硬件安全，軟件安全，員工培訓等等。其主要目的，就是為了保證被保護的核心數(shù)據(jù)不被損害，這意味著：
·
權(quán)限控制：合法用戶擁有權(quán)限，而非法用戶則無法訪問。
·
可靠性：合法用戶可以成功執(zhí)行數(shù)據(jù)操作。
·
完整性：合法用戶所得到的數(shù)據(jù)是正確的，未經(jīng)篡改的。
無論是計算機病毒，間諜軟件，或黑客等，其行為都是針對數(shù)據(jù)的正常訪問。例如：刪除數(shù)據(jù)，竊取數(shù)據(jù)，篡改數(shù)據(jù)，DDOS攻擊等等。
圖
1：Windows Vista在可用性和安全的取舍
在這個世界上，沒有十全十美的安全系統(tǒng)。任何一個操作系統(tǒng)必須在不同特性中作出取舍。以Windows 95舉例，它的可用性好，但安全性差。 而Windows Vista中，針對安全特性的提高，有時候則不得不犧牲部分可用性。例如，用戶帳戶控制這個Windows Vista中新增安全特性就是一個典型的例子。
3. 基礎(chǔ)平臺
3.1安全軟件開發(fā)周期
背景：沖擊波病毒。眾所周知，當年Blaster病毒給微軟及其用戶帶來了巨大的損失。安全軟件開發(fā)周期（SDL - Security Development Lifecycle）可以說是一個微軟痛定思痛后，決心加強產(chǎn)品安全的產(chǎn)物。
SDL的中心思想就是將安全特性的考慮滲透到產(chǎn)品生命周期的每一個階段。
·
設(shè)計
。每一個功能模塊均需要制定其相應(yīng)的風險模型（threat model），來預測可能的攻擊方式，相應(yīng)反制措施等等。
·
開發(fā)
。遵循嚴格的代碼規(guī)范。對禁止使用那些容易誤用的API調(diào)用。使用靜態(tài)程序分析工具查尋可疑的代碼片斷。
·
測試
。特別嚴格測試風險模型指出的高風險代碼。并廣泛采用“FUZZ”測試。“FUZZ”測試指通過模擬錯誤的，不合規(guī)范的輸入數(shù)據(jù)，來測試軟件代碼針對錯誤處理的響應(yīng)。它被證明是一個有效的發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品漏洞的測試手段。
·
審查
。產(chǎn)品代碼在正式發(fā)布前要經(jīng)過嚴格的安全審查，
·
維護/
響應(yīng)
。一旦正式發(fā)布的產(chǎn)品代碼中發(fā)現(xiàn)安全漏洞，需要有一套嚴格的安全響應(yīng)程序，以迅速，正確地提供安全補丁。
我們用對筷子的設(shè)計來舉例SDL對產(chǎn)品安全的影響。在普通設(shè)計下，考慮的因素也許是筷子的易用，結(jié)實，好看。加入SDL安全考慮，就需要考慮：如何不讓別人搶走我的筷子？如何不讓別人的筷子伸到我的碗里？如何不讓別人偽造我的筷子等等在普通設(shè)計中忽視考慮的因素。
Windows Vista是第一個從頭至尾采用SDL進行開發(fā)的操作系統(tǒng)。通過SDL嚴格的開發(fā)規(guī)程，微軟期望，Windows Vista安全水準較先前Windows操作系統(tǒng)有顯著提高。
但是，任何開發(fā)人員都是無法完全預知未來攻擊的所有模式。換句話說，就是開發(fā)者是不可能預測到攻擊者是怎么想，會怎么用操作系統(tǒng)的。所以說，SDL并不能保證操作系統(tǒng)杜絕所有的安全漏洞。Windows Vista操作系統(tǒng)會有自身的安全漏洞。而我們希望的是，SDL可以減少這些安全漏洞的數(shù)目和嚴重程度。
3.2系統(tǒng)服務(wù)保護（Service Hardening）
背景：系統(tǒng)服務(wù)程序（System Service）被惡意軟件攻擊的次數(shù)日益增多。原因有以下兩點：
·
系統(tǒng)服務(wù)無需用戶交互，即可自動運行。
·
系統(tǒng)服務(wù)運行于“LocalSystem”賬號下，擁有對系統(tǒng)的完全控制權(quán)。一旦被成功攻擊，惡意程序就可以在系統(tǒng)上為所欲為。
最著名的例子就是沖擊波病毒。它就是攻擊DCOM的遠程調(diào)用（RPC）系統(tǒng)服務(wù)。
在Windows Vista操作系統(tǒng)提供了系統(tǒng)服務(wù)保護功能。包括：
·
許多系統(tǒng)服務(wù)程序運行在較低權(quán)限的用戶帳號下，如LocalService or NetworkService。
·
系統(tǒng)服務(wù)程序有相應(yīng)的配置文件，用以指定該服務(wù)可以執(zhí)行的文件，注冊表和網(wǎng)絡(luò)行為。例如，遠程調(diào)用（RPC）系統(tǒng)服務(wù)被限制為不能更改系統(tǒng)文件和注冊表。通過和防火墻配置的結(jié)合，可以限制系統(tǒng)服務(wù)的異常網(wǎng)絡(luò)行為。這樣，即使一個系統(tǒng)程序被攻擊，由于不能修改重要的系統(tǒng)文件和注冊信息，或者連接網(wǎng)絡(luò)，它所造成的危害也會得到限制。
局限性。Service Hardening是不可能限制所有的系統(tǒng)服務(wù)的。關(guān)鍵的系統(tǒng)服務(wù)還是需要在系統(tǒng)核心權(quán)限下運行。一旦這些服務(wù)出現(xiàn)安全漏洞，還是會導致嚴重的安全問題。
3.3防止緩存溢出
背景：緩存溢出是操作系統(tǒng)最為嚴重的安全漏洞。幾個有名的例子是：
·
Code Red: IIS緩存溢出
·
Blaster: DCOM RPC緩存溢出
·
Zotob: PnP緩存溢出
其原因在于，緩存溢出的安全漏洞往往導致惡意代碼可被遠程執(zhí)行。以下是一個堆棧緩存溢出的例子：
/*以下UnSafeNetRecv代碼*/
void UnSafeNetRecv(char* payload)
{
char localBuffer[128];
… …
strcpy (localBuffer, payload);
}
在編譯過程中，堆棧空間是自高向低分配的。函數(shù)UnSafeNetRecv的堆棧分配如下：
圖
2：緩存溢出的安全漏洞
在執(zhí)行到strcpy (localBuffer, payload) 時，如果從網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膒ayload長度超過128個字節(jié)，函數(shù)的返回地址就被覆蓋。重新寫入的地址會指向傳入的惡意數(shù)據(jù)（代碼）。這樣，當函數(shù)返回時，IP寄存器不是指向上一層調(diào)用，而是從惡意數(shù)據(jù)（代碼）處開始執(zhí)行。
3.3.1 NX保護
NX的含義是“No Execution”。在以上的緩存溢出的例子中，惡意代碼在堆棧上被執(zhí)行。NX保護可以指定特定的頁面（如堆棧所在頁面）是數(shù)據(jù)頁面，不允許在上運行指令。這樣，一旦IP寄存器指向了堆棧所在頁面，會導致硬件異常，而不是執(zhí)行惡意數(shù)據(jù)（代碼）。
圖
3：NX保護
Windows Vista相對Windows XP SP2，提供了更多NX保護支持。在32位平臺上，Windows Vista的缺省設(shè)置是系統(tǒng)代碼設(shè)置滿足NX標準（NX-compliant）。同時，還可以指定某個特定的應(yīng)用程序是否滿足NX標準。這樣，在確保向前兼容性的前提下，可以最大可能的提高系統(tǒng)中被NX保護的比例。在64位平臺上，NX保護缺省設(shè)置為應(yīng)用于所有代碼。
3.3.2尋址空間隨機分布(ASLR)
同樣從上個堆棧溢出的例子說起。如果寫入的新的返回地址不是指回堆棧頁面，而是指向了一個系統(tǒng)函數(shù)的入口地址，那樣NX保護就不起作用。這類攻擊有一個前提，即特定系統(tǒng)函數(shù)的入口地址是可以事先確定的。
尋址空間隨機分布(ASLR: Address Space Layout Randomization)就是針對此類攻擊手段。在Windows Vista啟動時，操作系統(tǒng)隨機從256個地址空間中選出一個載入DLL/EXE。這樣攻擊方就難以事先確定系統(tǒng)函數(shù)的入口地址。
尋址空間隨機分布和
NX
保護結(jié)合在一起，可以有效限制緩存溢出危害程度。
圖
4：尋址空間隨機分布
局限性。盡管緩存溢出是操作系統(tǒng)最為嚴重的安全漏洞，并不是所有嚴重的安全漏洞都是由緩存溢出導致的。例如，2006年Windows系統(tǒng)最嚴重的安全漏洞之一，MS06-001 WMF安全漏洞，就和緩存溢出沒有關(guān)系。在這種情況下，NX保護，或是尋址空間隨機分布，都是不起作用的。
3.4 64位平臺安全改進
背景：有缺陷或惡意的驅(qū)動程序?qū)е孪到y(tǒng)崩潰，不穩(wěn)定，和極為嚴重的安全問題。
這里需要簡單介紹“Rootkit”這個概念。這個術(shù)語來自于Unix系統(tǒng)。最早的一個版本是出現(xiàn)在SunOS 4。它特指那些用于修改操作系統(tǒng)，以改變操作系統(tǒng)的表現(xiàn)行為的工具軟件 。而這種改變，往往不是操作系統(tǒng)設(shè)計時所期望的。
Rootkit最典型的目的就是“隱藏”。隱藏的對象可以是文件，特定的注冊表，特定進程，打開的網(wǎng)絡(luò)端口等等。這個“隱藏”是通過修改操作系統(tǒng)本身來實現(xiàn)的。下面是Win32 API的調(diào)用過程：
圖
5：Win32 API的調(diào)用過程
Rootkit可以將自身代碼插入到每一個箭頭連接處，以控制函數(shù)的返回結(jié)果。舉個例子，一個應(yīng)用程序（如反病毒軟件）需要查詢系統(tǒng)中運行的當前進程，Rootkit只需要將所想隱藏的進程從返回的進程列表中刪除，那么上層的應(yīng)用程序就根本不知道有這樣一個進程正在系統(tǒng)中運行。
為什么說Rootkit會導致嚴重的安全問題？試想一下，如果一個惡意程序把自身文件和運行進程從系統(tǒng)中隱藏起來，那么如何指望反病毒軟件/反間諜軟件能成功的檢測/清除這個程序？！
在64位平臺Windows Vista，特別增加了下面兩個重要的安全特性。
·
設(shè)備驅(qū)動程序數(shù)字認證。
在64位平臺Windows Vista中，所有工作在核心模式下的設(shè)備驅(qū)動程序都必須提供數(shù)字認證，才能被系統(tǒng)加載。由于需要修改操作系統(tǒng)行為，Rootkit往往是一個工作在核心模式下的設(shè)備驅(qū)動程序。那么，數(shù)字認證首先可以指明一個驅(qū)動程序是由哪個廠商發(fā)布的。其次，數(shù)字認證可以驗證這個驅(qū)動程序的代碼完整性，也就是否被篡改過。這樣，就可以防止系統(tǒng)加載Rootkit驅(qū)動程序。
·
核心模式保護（Kernel Patch Protection
）。
這個技術(shù)也被稱為PatchGuard。它用來防止未經(jīng)認證的代碼自由修改操作系統(tǒng)的核心狀態(tài)（Kernel State）。最為危險的Rootkit往往直接修改核心模式的重要數(shù)據(jù)，例如系統(tǒng)的進程控制表，中斷控制表等等。通過對核心狀態(tài)的保護，可以有效阻止這類攻擊。
局限性。由于向前兼容的原因，設(shè)備驅(qū)動程序的數(shù)字認證，和核心模式保護只在64位平臺上有效。也就是說，32位平臺Windows Vista上的Rootkit威脅并沒有得到有效控制。
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