基于過濾驅(qū)動(dòng)的文件保護(hù)系統(tǒng)

王川

長沙學(xué)院教務(wù)處 湖南 410003

0 引言

數(shù)據(jù)加密是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的安全常用的保護(hù)手段，它使用各種加密算法對重要文件進(jìn)行加密，使盜竊者無法獲得真實(shí)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。市場上很多加密軟件是基于應(yīng)用層開發(fā)，由于其沒有與操作系統(tǒng)集成，用戶使用加密文件時(shí)每次使用都要輸入密碼，使用起來不方便。雖然微軟提供的EFS系統(tǒng)的加/解密處理過程位于操作系統(tǒng)內(nèi)核，得到系統(tǒng)內(nèi)核的保護(hù)，可以進(jìn)行文件透明加/解密，使用起來也很方便，但是它的缺點(diǎn)也是很多：安全控制需要在NTFS文件系統(tǒng)上使用；加密算法的安全性相對較低，且不能夠更改；EFS只能針對指定文件和文件夾進(jìn)行加密，而不能對某一類型的文件進(jìn)行加密，靈活性不夠。

文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以使文件保護(hù)與 Windows系統(tǒng)緊密結(jié)合，在內(nèi)核級實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)安全的文件加/解密，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的文件訪問控制，適用于Windows 2003/XP系統(tǒng)下的多種文件系統(tǒng)格式，不依賴于具體的應(yīng)用程序。

1 文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序工作原理

Windows驅(qū)動(dòng)模型(WDM)采用的是分層的結(jié)構(gòu)。應(yīng)用程序發(fā)出對磁盤設(shè)備的操作請求后，由I/O管理器構(gòu)造相應(yīng)的IRP，發(fā)往下層的文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序，文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序則把相對應(yīng)于文件系統(tǒng)的操作轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)于磁盤設(shè)備的操作，并通過I/O管理器來調(diào)用磁盤驅(qū)動(dòng)程序。

根據(jù)WDM的特點(diǎn)，可以構(gòu)造一個(gè)位于文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序之上的一種特殊的中間層驅(qū)動(dòng)程序，我們稱為文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序，文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序的位置如圖1所示。有了文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序后，I/O管理器構(gòu)造的IRP則會先送給文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序，然后再由文件過濾驅(qū)動(dòng)程序在I/O管理器的幫助下將IRP傳給下層的文件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序。

因此，我們可以在文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序這一層實(shí)現(xiàn)對文件系統(tǒng)操作的截取、監(jiān)控甚至替換工作，由此實(shí)現(xiàn)許多新功能：①防病毒引擎。在系統(tǒng)讀寫文件時(shí)，捕獲讀寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容，對內(nèi)容檢測是否含有病毒代碼。②對用戶透明的文件加解密。在文件寫過程時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，在讀文件的過程中進(jìn)行解密。③對數(shù)據(jù)的讀寫進(jìn)行訪問控制。可以防止惡意進(jìn)程對受保護(hù)文件的進(jìn)行破壞。

圖1 文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)

2 文件保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文件保護(hù)系統(tǒng)的功能主要由文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)、密鑰管理、加/解密處理、配置程序和訪問控制組成。各模塊之間的關(guān)系如圖2所示。文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)是系統(tǒng)的核心，利用它實(shí)現(xiàn)對文件操作的截獲，與系統(tǒng)中的其它模塊進(jìn)行交互，控制整個(gè)系統(tǒng)。密鑰管理負(fù)責(zé)密鑰的產(chǎn)生、分配、更換和銷毀等方面管理工作。加/解密處理使用密鑰對文件進(jìn)行加/解密運(yùn)算，也是對用戶透明動(dòng)態(tài)加/解密的實(shí)現(xiàn)部分。配置程序是用戶用來定制和修改策略文件的模塊。訪問控制根據(jù)配置程序生成的策略配置文件對受保護(hù)的文件進(jìn)行加/解密前的處理，包括安全目錄識別、用戶身份識別、安全目錄訪問控制、密鑰文件訪問控制和共享目錄訪問控制等，有利于提高文件保護(hù)系統(tǒng)的安全性和效率。

圖2 文件安全保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

（1）構(gòu)造文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)對象，并附著在要過濾的文件系統(tǒng)對象之上。

（2）創(chuàng)建文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序所需的分派例程，用于對IRP進(jìn)行預(yù)處理。分派例程是用來響應(yīng)應(yīng)用程序的打開、讀、寫、關(guān)閉等I/O請求的一組回調(diào)函數(shù)，這些函數(shù)由系統(tǒng)在相應(yīng)情況下調(diào)用。

（3）取消對目標(biāo)設(shè)備的綁定過濾。

實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序除了上述三個(gè)必要方面外，還有一些功能需要加入進(jìn)來。如：實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序與上層應(yīng)用程序通信。實(shí)現(xiàn)過濾驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)附著，以便能夠過濾新加載的文件系統(tǒng)。

2.3 密鑰管理

密鑰管理負(fù)責(zé)密鑰的產(chǎn)生、分配、更換和銷毀等方面管理工作。文件保護(hù)系統(tǒng)采用兩類加/解密算法，在保證安全性的同時(shí)保證了加密效率。對稱加密算法的加密速度較快，但安全性較低，適合對文件內(nèi)容進(jìn)行加密。非對稱加密算法安全性較高，但加密速度較慢。適合用來對加密密鑰進(jìn)行加密，這樣有助于提高密鑰的安全性，也方便文件共享。

在安全目錄中對每一個(gè)文件都隨機(jī)分配一個(gè)不同的文件密鑰(文件密鑰可以通過合理增加密鑰長度提高破解密鑰的難度，在保證一定加密速度的情況下適當(dāng)?shù)卦鰪?qiáng)安全性)，該目錄下的所有文件密鑰(不包括子文件夾)被存放在該目錄下的同一個(gè)密鑰文件中。密鑰文件中存放著多條文件密鑰信息，文件密鑰信息的主要結(jié)構(gòu)是：被加密的文件名、所有者、共享者、加密密鑰等內(nèi)容。密鑰文件存放在安全目錄中，每一個(gè)目錄(包括子目錄)都有一個(gè)。密鑰文件是在安全目錄創(chuàng)建時(shí)有密鑰管理模塊自動(dòng)生成，刪除安全目錄及子目錄時(shí)刪除密鑰文件。

對密鑰文件我們采取兩類保護(hù)措施：一是對密鑰文件中的文件密鑰信息使用文件所有者的公鑰進(jìn)行加密，這里不是對整個(gè)密鑰文件整體用公鑰加密，而是對每個(gè)文件密鑰單獨(dú)加密。而創(chuàng)建、修改或刪除文件密鑰都需要文件所有者插入私鑰U盤才能進(jìn)行。二是通過文件保護(hù)系統(tǒng)的訪問控制模塊對密鑰文件進(jìn)行保護(hù)，不準(zhǔn)非授權(quán)程序進(jìn)行創(chuàng)建、修改或者刪除。通過這兩類措施，大大提高了文件密鑰安全性。

2.4 加/解密處理

加/解密處理模塊是位于內(nèi)核模式中實(shí)現(xiàn)的，這樣可以利用操作系統(tǒng)來提高加/解密過程的安全。在文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序的讀寫處理中實(shí)現(xiàn)對文件的加密和解密。對攔截上層發(fā)送的讀寫 IRP，通過訪問控制檢查判斷是否為合法訪問，如是非法訪問將阻止訪問繼續(xù)，對于合法訪問還要判斷是否為共享訪問，共享訪問不進(jìn)行加解密，直接采用默認(rèn)的處理。對于合法的非共享訪問，按以下的流程進(jìn)行訪問，流程如圖3所示。

應(yīng)用程序?qū)懖僮鲿r(shí)，文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序從I/O管理器截獲IRP中的明文后，若該文件是已建文件，從密鑰文件中取出文件密鑰，從文件所有者私鑰U盤中讀出私鑰，用私鑰解密文件密鑰，再用文件密鑰加密明文并將其向下層驅(qū)動(dòng)程序傳遞，在完成方法中恢復(fù)緩沖區(qū)的明文；若該文件是新建文件，首先由密鑰管理模塊生成文件密鑰，用文件密鑰加密明文的同時(shí)，還利用文件所有者公鑰加密文件密鑰并保存在密鑰文件中。

應(yīng)用程序讀操作時(shí)，文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序從文件驅(qū)動(dòng)程序截獲密文后，從密鑰文件中讀取文件對應(yīng)的文件密鑰，從文件所有者私鑰U盤中讀出私鑰，用私鑰解密文件密鑰，在完成方法中用文件密鑰解密密文并向上層傳送明文至應(yīng)用程序。

圖3 加/解密處理流程

2.5 訪問控制

用戶使用配置程序?qū)⑴渲煤玫牟呗陨刹呗晕募约用艿男问酱娣旁诓僮飨到y(tǒng)下。系統(tǒng)的訪問控制模塊可以直接讀取并解密策略文件，然后根據(jù)策略文件對保護(hù)文件進(jìn)行加解密前的處理。訪問控制功能主要有以下幾個(gè)方面。

密鑰訪問控制：由于密鑰的特殊性，除密鑰管理模塊外，不允許任何進(jìn)程直接創(chuàng)建、修改、刪除或讀取該文件，密鑰只允許過濾驅(qū)動(dòng)程序通過密鑰管理模塊訪問。用戶訪問控制：對于能提供私鑰的文件所有者用戶和合法的共享用戶可以訪問文件。安全文件識別：為提高工作效率，文件系統(tǒng)過濾驅(qū)動(dòng)程序只處理訪問安全文件的 IRP，不處理訪問非安全文件的IRP。

3 結(jié)束語

本文提出的文件保護(hù)系統(tǒng)適用于Windows XP/2003操作系統(tǒng)，屬于操作系統(tǒng)內(nèi)核程序，系統(tǒng)的安全性得到操作系統(tǒng)的安全保障。系統(tǒng)采用了雙密鑰體系增強(qiáng)了文件系統(tǒng)的安全性，經(jīng)測試表明，使用雙密鑰體系的文件加/解密與文件直接明文讀取在效率上差距不大，具有較好的實(shí)用性。加密算法可以靈活采用并且不公開，提高了加密的安全性。系統(tǒng)也存在一定風(fēng)險(xiǎn)性，文件密鑰保存在密鑰文件里，如果該文件損壞或丟失將會導(dǎo)致密文無法解密。今后的研究重點(diǎn)放在密鑰文件的安全保護(hù)和高效訪問方面。

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