操作系统汇编级形式化设计和验证方法

由于系统的巨大规模,操作系统设计和实现的正确性很难用传统的方法进行描述和验证.在汇编层形式化地对系统模块的功能语义进行建模,提出一种汇编级的系统状态模型,作为汇编语言层设计和验证的纽带.通过定义系统状态模型的合法状态和状态转换函数来建立系统状态模型的论域,并以此来描述汇编层的论域.通过验证汇编层的功能模块的正确性来保证汇编语言层设计的正确性,达到对系统功能实现的正确性验证.同时,使用定理证明工具Isabelle/HOL来形式化地描述这一系统状态模型,基于这一形式化模型,在Isabelle/HOL中验证系统模块的功能语义的正确性.以实现的安全可信OS（verified secure operating system,简称VSOS）为例,阐述了所提出的形式化设计和验证方法,说明了这一方法的可行性.     

BLP改进模型的形式化描述及自动化验证

在《信息安全技术操作系统安全技术要求》中,提出访问验证保护级安全操作系统的研发过程需要完全形式化的安全策略模型。针对该情况,对经典的数据机密性BLP模型进行相应改进,为系统中的主客体引入多级安全标签以及安全迁移规则,使其满足实际系统开发的需求。运用完全形式化的方法对改进模型的状态、不变量、迁移规则等进行描述,使用Isabelle定理证明器证明了迁移规则对模型的不变量保持性,从而实现对模型正确性的自动形式化验证,并保证了模型的可靠性。     

操作系统形式化设计与安全需求的一致性验证研究

采用数学形式化方法对操作系统进行设计和验证可以保证系统的高度安全性.目前已有的操作系统形式化研究工作主要是验证系统的实现在代码级的程序正确性.提出一种操作系统形式化设计和验证的方法,采用操作系统对象语义模型(OSOSM)对系统的设计进行形式化建模,使用带有时序逻辑的高阶逻辑对操作系统的安全需求进行分析和定义.对象语义模型作为系统设计和形式化验证的联系.以实现和验证过的可信微内核操作系统VTOS为实例,阐述形式化设计和安全需求分析,并使用定理证明器Isabelle/HOL①对系统的设计和安全需求的一致性进行验证,表明VTOS达到预期的安全性.     

操作系统对象语义模型(OSOSM)及形式化验证

操作系统的复杂性使得其安全性问题日益突出.有不少的研究工作采用形式化的方式对现有的操作系统进行了正确性的验证,这些工作主要是采用程序形式逻辑验证代码级的功能实现性.从系统设计的角度,以高阶逻辑和类型论为基础,提出了操作系统对象语义模型(OSOSM).OSOSM采用分层结构,包括基本功效层、实现层和优化层.OSOSM将操作系统中的行为主体和资源抽象为操作系统对象,建立操作系统的论域,利用以操作系统对象变元集合为定义域到论域的映射表示操作系统的状态,描述操作系统系统调用等行为的语义,使用逻辑系统的谓词公式表达操作系统的安全属性,给出如何验证操作系统在运行过程中保持安全策略和属性的形式化描述方法.以实现并经过形式化验证的可信操作系统(VTOS)为例,阐述OSOSM的语义正确性.使用Isabelle定理证明工具验证设计和安全需求的一致性,以说明VTOS具有预期的安全属性.     

XSM语义模型及安全需求形式化验证

Xen作为一种开源流行的虚拟化工具,使用越来越频繁。作为Xen的安全框架XSM(Xen Security Module)也受到广泛的关注。许多研究者通过形式化的方式对现有的操作系统进行正确性的验证,目前已有的形式化研究主要是验证系统实现的代码正确性。从系统功能角度提出了一种以主体行为为操作系统语义模型对系统进行形式化建模,并采用CTL时序逻辑对XSM安全需求进行分析。语义模型作为系统设计合理性和形式化验证的联系,对XSM进行形式化验证,并使用Isabelle/HOL验证功能和安全需求的一致性,以说明XSM是否符合安全需求。     

基于UML和模型检测的安全模型验证方法

安全策略的形式化分析与验证随着安全操作系统研究的不断深入已成为当前的研究热点之一.文中在总结前人工作的基础上,首次提出一种基于UML和模型检测器的安全模型验证方法.该方法采用UML将安全策略模型描述为状态机图和类图,然后利用转换工具将UML图转化为模型检测器的输入语言,最后由模型检测器来验证安全模型对于安全需求的满足性.作者使用该方法验证了DBLP和SLCF模型对机密性原则的违反.     

微内核中断机制的形式化设计与验证

操作系统的正确性和安全性很难用定量的方法进行描述。形式化方法是操作系统设计和验证领域公认的标 准方法。以操作系统对象语义模型(OSOSM)为基础,采用形式化方法对微内核架构的中断机制进行了设计和验证, 在自行开发的安全可信操作系统VTOS上加以实现,采用Isabelle/HOL对设计过程进行了形式化描述,对VTOS中 断机制的完整性进行了验证,这对操作系统的形式化设计和验证工作起到了一定的借鉴意义。     

微内核架构文件系统的形式化设计与验证方法研究

文件系统作为数据存储和管理的功能模块,其正确性是操作系统安全性的重要方面.采用形式化方法对微内核架构文件系统进行设计,使用操作系统对象语义模型(OSOSM)框架提出微内核架构文件系统的状态自动机模型,并依此描述系统调用的功能语义和系统状态转换,分析和归纳文件系统的功能正确性断言.以实现的微内核安全操作系统(Verified Trusted Oper-ating System,VTOS)为例,阐述在Isabelle/HOL定理证明器环境中构建状态自动机模型的方法,并对VTOS文件系统的形式化设计和功能正确性断言进行一致性验证,结果显示,VTOS文件系统的设计和实现符合预期的正确性规格说明.     

基于SMT的区域控制器同步反应式模型的形式化验证

在安全关键系统的软件开发过程中,形式化验证是一种经检验的提高软件质量的技术.然而,无论从理论上还是从应用角度来看,软件的验证都必须是完整的,数据流验证应该是对实现层软件模型进行验证的必要体现.因此,环境输入、泛型函数、高阶迭代运算和中间变量对于分析形式化验证的可用性至关重要.为了验证同步反应式模型,工程师很容易验证控制流模型(即安全状态机).现有工作表明,这类工作无法全面地验证安全关键系统的同步反应式模型,尤其是数据流模型,导致这些方法没有达到工业应用的要求,这成为对工业安全软件进行形式化验证的一个挑战.提出了一种自动化验证方法.该方法可以实现对安全状态机和数据流模型的集成进行验证.采用了一种基于程序综合的方法,其中,SCADE模型描述了功能需求、安全性质和环境输入,可以通过对Lustre模型的程序综合,采用基于SMT的模型检查器进行验证.该技术将程序合成作为一种通用原理来提高形式化验证的完整性.在轨道交通的工业级应用(近200万行Lustre代码)上评估了该方法.实验结果表明,该方法在大规模同步反应式模型长期存在的复杂验证问题上是有效的.     

操作系统安全验证形式化分析框架

结合当前形式化验证方法的特点和操作系统安全模型情况,本文提出了这些方法在操作系统安全分析中的应用。结合传统定理证明方法的优势,将模型检验方法纳入形式化安全分析体系当中,并分别提出了在安全分析中的应用情况。将用定理证明用于从模型到规则的分析,模型检验从实现中抽取模型,用于从实现到规则的分析。     

一个安全文件系统的半形式化功能规范设计

形式化、半形式化规范的理论和实践是高安全等级操作系统设计所必须解决的问题,但我国高安全等级操作系统形式化设计方面十分薄弱,没有实践过程和相关理论的技术积累.本文借助Lapadula给出的规则集建模方法,基于Linux系统调用给出了一个实际开发的安全文件系统NeoFs的顶层功能规范的方法和过程.     

操作系统安全结构框架中应用类通信安全模型的研究

经典的BLP模型是解决保密性问题的理论基础,Biba模型是一种简明易实现的完整性模型．在应用系统中数据的共享和安全是一对矛盾．在将应用系统抽象为应用类的基础上,引入完整性规则集代表信息的可信度,结合BLP模型和Biba模型构造了一种应用类通信的安全模型,并给出了模型的形式化描述和正确性证明．应用类通信安全模型不仅解决了保密性问题,而且解决了完整性问题．以支持B／S文电传输应用系统的安全为例,给出了在操作系统中实现应用类通信安全模型的方法,分析了模型实现的有效性．     

基于操作系统安全的恶意代码防御研究述评

总结了安全操作系统实现恶意代码防御的典型理论模型,分析了它们的基本思想、实现方法和不足之处,指出提高访问控制类模型的恶意代码全面防御能力和安全保证级别、从操作系统安全体系结构的高度构建宏病毒防御机制以及应用可信计算技术建立操作系统的恶意代码免疫机制将是该领域的研究方向.     

安全操作系统的设计

SECOS是一个自主产权的安全操作系统，符合国家4级标准。该文总结了SECOS设计过程中的关键技术，包括：安全增强，改进设计方法，在Bell-La Padula强制访问模型基础上修改建立的理论模型及其实现，系统开发过程形式化设计，隐蔽信道分析方法及防范措施，客体重用等。安全系统性能估算测试表明SECOS的设计和实现是成功的。     

Design of secure operating systems with high security levels

Numerous Internet security incidents have shown that support from secure operating systems is paramount to fighting threats posed by modern computing environments. Based on the requirements of the relevant national and international standards and criteria, in combination with our experience in the design and development of the ANSHENG v4.0 secure operating system with high security level (hereafter simply referred to as ANSHENG OS), this paper addresses the following key issues in the design of secure operating systems with high security levels: se- curity architecture, security policy models, and covert channel analysis. The design principles of security architecture and three basic security models: confidentiality, integrity, and privilege control models are discussed, respectively. Three novel security models and new security architecture are proposed. The prominent features of these proposals, as well as their applications to the ANSHENG OS, are elaborated. Cover channel analysis (CCA) is a well-known hard problem in the design of secure operating systems with high security levels since to date it lacks a sound theoretical basis and systematic analysis approach. In order to resolve the fundamental difficulties of CCA, we have set up a sound theoretical basis for completeness of covert channel identification and have proposed a unified framework for covert channel identification and an efficient backward tracking search method. The successful application of our new proposals to the ANSHENG OS has shown that it can help ease and speedup the entire CCA process.     

对一类多级安全模型安全性的形式化分析

深入分析了MLS的核心思想,给出了MLS在包含多级客体的系统中的表述形式,分析了安全不变式（invariant）在系统安全定义中的作用．为了保证模型的安全,必须验证模型的不变式满足MLS策略．为了说明不变式验证的重要性,借助Z语言和形式验证工具Z／EVES分析了一个改进的BLP模型——DBLP模型．分析表明,DBLP模型的不变式不满足MLS策略的要求,因此是不安全的．这项研究为分析各种改进BLP模型的安全性提供了理论依据和形式化规范与验证的方法．     

Linux中SystemV进程通信机制安全性形式化验证

基于Linux开发安全操作系统是提高计算机安全的重要途径，而形式化验证则是开发过程的重要和必要的环节，我们从Linux的各个子系统着手进行验证，逐步搭建起整个操作系统的验证模型。考虑到访问控制机制是实现操作系统安全性的关键，本文主要讨论使用SPIN模型检验器对IPC子系统中的SystemV进程通信机制进行形式化验证的过程与方法法。查找安全漏洞并改进现有的机制，为开发工程提供理论上的保证。     

安全操作系统非传统开发模式研究

1 引言美国国防部于1983年颁布并于1985年修定的TCSEC标准是安全操作系统发展史上的第一个计算机安全评价标准,它对安全操作系统的开发具有根深蒂固的影响,基于TCSEC标准的开发模式成了传统开发模式的代名词。基于TCSEC标准的开发模式的根本特点是根据以TCSEC标准为中     

基于BLP的安全操作系统信息安全模型

提出并设计了一个安全操作系统的信息安全模型。该模型消除了仅以用户作为主体存在的不安全隐患,除保密性指标外考虑了完整性指标,限制了隐蔽通道,限制了可信主体以满足最小权限原则,进行了域隔离,缩小了理论模型与实际应用的差距,并应用到自主开发的安全操作系统WXSSOS中。