编程与数学 03-003 计算机操作系统 16_操作系统安全（一）：安全机制与访问控制

摘要：本文深入探讨了操作系统安全机制与访问控制。操作系统安全旨在保护数据完整性、保密性和系统可用性，防止非法访问和破坏。其重要性体现在保护用户数据和保障系统稳定运行。安全机制包括访问控制、加密技术和审计机制。访问控制通过用户认证、权限管理、ACL、MAC和DAC等方法限制资源访问权限。加密技术保护数据保密性和完整性，审计机制记录和分析系统操作发现安全问题。这些机制共同构建了操作系统安全防线，保障计算机系统安全运行。

关键词：操作系统安全，访问控制，加密技术，审计机制，用户认证，权限管理

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一、操作系统安全的概念

（一）操作系统安全的定义

操作系统安全是指通过各种技术和管理措施，确保操作系统及其所管理的计算机系统能够正常运行，防止系统被非法访问、破坏、篡改或窃取数据，同时保证系统服务的可用性、完整性和保密性。它是计算机系统安全的核心组成部分，因为操作系统处于系统软件与硬件之间，直接管理着硬件资源和各种软件程序的运行。

（二）操作系统安全的目的

1. 保护数据的完整性
   • 数据完整性是指数据的准确性和可靠性。操作系统安全机制要确保数据在存储、传输和处理过程中不被非法篡改。例如，在一个企业的财务系统中，财务数据的准确性至关重要。如果操作系统存在安全漏洞，黑客可能通过非法手段篡改财务数据，导致企业财务报表失真，从而影响企业的经济决策和财务状况。操作系统通过访问控制等安全机制，限制未经授权的用户对数据的修改权限，确保数据始终保持原始的准确状态。
2. 保护数据的保密性
   • 数据保密性是指确保数据只被授权的用户访问，防止数据泄露给未经授权的人员。在医疗信息系统中，患者的病历信息包含了大量的个人隐私，如疾病诊断、治疗方案、家族病史等。操作系统安全机制通过加密技术和严格的访问控制，只有经过授权的医护人员（如主治医生、护士等）才能访问患者的病历信息，防止患者的隐私被泄露，避免对患者造成不必要的心理压力和社会影响。
3. 保障系统的可用性
   • 系统可用性是指系统能够正常运行并提供服务的能力。操作系统安全要防止系统被恶意攻击导致瘫痪，如拒绝服务攻击（DoS）。在互联网服务提供商（ISP）的服务器上，操作系统安全机制可以检测并抵御大量的恶意流量攻击，确保服务器能够持续为用户提供网络连接服务，如网页浏览、电子邮件收发等，保障用户的正常网络使用体验。

二、操作系统安全的重要性

（一）保护用户数据

1. 在个人计算机领域
   • 随着个人计算机的普及，用户在计算机上存储了大量的个人数据，如照片、文档、视频等。这些数据可能包含个人隐私，如个人日记、家庭照片等。操作系统安全机制能够防止这些数据被恶意软件窃取。例如，一些恶意软件可能通过系统漏洞获取用户的文件访问权限，将用户的私人照片上传到黑客的服务器。操作系统通过文件访问控制和安全更新机制，及时修复漏洞，阻止恶意软件的入侵，保护用户的个人数据安全。
2. 在企业环境中
   • 企业依赖操作系统来存储和管理大量的业务数据，如客户信息、商业机密、财务数据等。这些数据是企业的核心资产。操作系统安全对于保护企业数据至关重要。例如，一家软件开发公司的源代码存储在服务器的操作系统中，如果操作系统安全防护不到位，黑客可能入侵服务器获取源代码，这将导致企业的知识产权被侵犯，竞争对手可能利用这些源代码开发类似产品，给企业带来巨大的经济损失。操作系统通过加密存储、访问控制和安全审计等机制，确保企业数据的安全存储和合法访问。

（二）保障系统稳定

1. 防止恶意软件破坏
   • 恶意软件（如病毒、木马、蠕虫等）是导致操作系统不稳定的重要因素。它们可能通过各种途径进入系统，如用户不小心下载了带有恶意代码的软件或访问了恶意网站。操作系统安全机制能够检测和阻止恶意软件的运行。例如，操作系统内置的防病毒软件可以实时扫描系统中的文件和程序，当发现可疑的恶意代码时，及时将其隔离或清除。同时，操作系统的安全更新机制可以修复系统漏洞，防止恶意软件利用这些漏洞进行传播和破坏，从而保障系统的稳定运行。
2. 防止用户误操作导致的系统故障
   • 用户在使用计算机过程中可能会进行一些误操作，如不小心删除了系统关键文件或错误地修改了系统设置。操作系统安全机制通过权限管理等措施，限制用户对系统关键部分的访问和修改权限。例如，在 Windows 操作系统中，普通用户账户通常没有权限修改系统的核心配置文件，只有管理员账户才能进行这些操作。这样可以有效防止用户误操作导致系统无法启动或运行异常，保障系统的稳定性。

三、操作系统安全的机制

（一）访问控制

1. 概念
   • 访问控制是操作系统安全的核心机制之一，它根据预先定义的策略，决定主体（用户、进程等）对客体（文件、设备等）的访问权限。访问控制的目的是确保只有经过授权的主体才能访问特定的客体，防止非法访问和数据泄露。例如，在一个公司的文件服务器上，不同的部门有不同的文件夹，通过访问控制机制，只有本部门的员工才能访问本部门的文件夹，其他部门的员工无法访问，从而保护了各部门数据的安全。
2. 实现方式
   • 访问控制可以通过多种方式实现，如基于角色的访问控制（RBAC）、基于属性的访问控制（ABAC）等。在基于角色的访问控制中，系统根据用户的角色来分配权限。例如，在一个学校的信息管理系统中，教师角色可以访问学生的学习成绩、课程安排等信息，用于教学管理；学生角色只能查看自己的成绩和课程信息，不能查看其他学生的数据。这种基于角色的访问控制方式简化了权限管理，便于系统管理员根据用户的角色快速分配和调整权限。
3. 重要性
   • 访问控制是防止数据泄露和非法访问的第一道防线。在云计算环境中，大量的用户数据存储在云服务器上，通过严格的访问控制机制，云服务提供商可以确保只有经过授权的用户才能访问自己的数据，不同用户之间的数据相互隔离，防止数据被非法共享或窃取。同时，访问控制机制还可以用于限制系统资源的使用，防止恶意用户过度占用系统资源导致系统瘫痪，保障系统的正常运行。

（二）加密技术

1. 概念
   • 加密技术是将数据通过特定的算法转换成无法被直接理解的密文，只有使用正确的密钥才能将密文解密还原为原始数据。加密技术在操作系统安全中主要用于保护数据的保密性和完整性。例如，在网络通信过程中，数据在传输过程中可能会被窃听，通过加密技术将数据加密后传输，即使数据被截获，窃听者也无法获取原始数据的内容。
2. 加密算法
   • 常见的加密算法有对称加密算法和非对称加密算法。对称加密算法使用相同的密钥进行加密和解密，如 AES（高级加密标准）算法。它的加密速度快，适用于大量数据的加密。例如，在企业内部的文件存储系统中，使用 AES 算法对文件进行加密存储，可以快速地对大量文件进行加密处理，同时保证数据的安全性。非对称加密算法使用一对密钥，即公钥和私钥。公钥用于加密数据，私钥用于解密。非对称加密算法的优点是安全性高，因为即使公钥被公开，只有拥有私钥的人才能解密数据。例如，在数字签名中，使用非对称加密算法，发送方用自己的私钥对数据进行签名，接收方使用发送方的公钥进行验证，从而确保数据的完整性和发送方的身份真实性。
3. 应用场景
   • 加密技术在操作系统安全中有广泛的应用。除了网络通信加密外，还可以用于文件加密存储、磁盘加密等。在移动设备上，操作系统通常提供磁盘加密功能。例如，在 Android 操作系统中，用户可以开启设备加密选项，将整个设备存储的数据进行加密。这样，即使设备丢失或被盗，窃贼也无法直接访问设备中的数据，保护了用户的数据隐私。

（三）审计机制

1. 概念
   • 审计机制是指操作系统对系统中的各种操作和事件进行记录和分析的过程。审计机制可以记录用户登录、文件访问、系统配置更改等操作，通过对这些审计记录的分析，系统管理员可以发现潜在的安全问题和异常行为。例如，如果审计记录显示某个用户在短时间内频繁尝试登录系统并失败，这可能表明有人在尝试破解该用户的账户密码，系统管理员可以及时采取措施，如暂时锁定该账户，防止账户被非法入侵。
2. 审计内容
   • 审计内容包括用户活动审计、系统事件审计等。用户活动审计主要记录用户对系统资源的操作，如文件的创建、修改、删除等。系统事件审计则记录系统自身的运行状态变化，如系统启动、关机、软件安装和卸载等。例如，在一个企业的服务器操作系统中，系统事件审计可以记录服务器的操作系统版本更新情况，当发现有未经授权的软件安装事件时，系统管理员可以及时调查，防止恶意软件的植入。
3. 作用
   • 审计机制的作用是提供安全事件的追溯和监控。在发生安全事件后，审计记录可以帮助系统管理员快速定位问题的根源，确定是内部人员的误操作还是外部攻击导致的安全问题。同时，审计机制还可以作为一种威慑手段，让用户知道自己的行为会被记录，从而减少恶意操作的可能性。例如，在金融机构的计算机系统中，严格的审计机制可以防止内部员工的违规操作，如非法转账等，保障金融交易的安全。

四、访问控制

（一）用户认证

1. 概念
   • 用户认证是访问控制的第一步，它用于验证用户的身份。只有通过身份验证的用户才能被系统识别并授予相应的访问权限。用户认证的目的是确保系统只允许合法用户访问，防止非法用户冒充合法用户进入系统。例如，在网上银行系统中，用户需要输入用户名和密码进行登录，这是最常见的一种用户认证方式。系统通过验证用户名和密码是否正确来确定用户的身份。
2. 认证方法
   • 常见的用户认证方法有密码认证、生物识别认证（如指纹、面部识别）、智能卡认证等。密码认证是最简单也是最常用的方法，但它也存在一些安全风险，如密码容易被破解。生物识别认证具有较高的安全性，因为每个人的生物特征是独一无二的。例如，在一些高端智能手机中，采用指纹识别或面部识别技术进行用户认证，用户只需将手指放在指纹识别器上或面对摄像头进行面部扫描，就可以快速登录手机系统，既方便又安全。智能卡认证则需要用户携带一张智能卡，通过读卡器读取智能卡中的信息进行认证，这种方式在企业信息系统中应用较多，如员工使用智能卡登录办公系统。
3. 重要性
   • 用户认证是确保系统安全的关键环节。在多用户操作系统中，只有通过准确的用户认证，才能根据用户的身份分配正确的访问权限。例如，在一个学校的图书馆管理系统中，学生和教师有不同的访问权限，学生可以借阅图书，教师除了借阅图书外还可以管理图书的分类和采购等。通过用户认证，系统可以准确区分用户身份，为学生和教师提供相应的服务，同时保障系统的安全运行。

（二）权限管理

1. 概念
   • 权限管理是指根据用户的类型和角色，为用户分配不同的访问权限。权限管理的目的是确保用户只能访问其工作所需的资源，防止用户越权访问导致的安全问题。例如，在一个公司的办公自动化系统中，普通员工只能查看和编辑自己负责的文档，部门经理可以查看和编辑本部门所有员工的文档，而公司高层领导可以查看整个公司的文档。这种不同级别的权限管理可以有效保护公司的商业机密和数据安全。
2. 权限分配原则
   • 权限分配通常遵循最小权限原则，即只授予用户完成其工作所必需的最小权限。例如，在一个软件开发项目中，开发人员只需要对源代码文件有读写权限，用于编写和修改代码，而不需要对整个项目的财务数据文件有访问权限。这样可以减少因用户权限过大而导致的安全风险。同时，权限管理还需要考虑权限的动态调整，随着用户角色的变化或工作内容的改变，及时调整用户的权限。
3. 权限管理工具
   • 操作系统通常提供了一些权限管理工具，如 Windows 操作系统的组策略、Linux 操作系统的用户和组管理命令等。通过这些工具，系统管理员可以方便地为用户分配和调整权限。例如，在 Linux 系统中，使用 chmod 命令可以修改文件的访问权限，通过设置不同的权限位，如读（r）、写（w）、执行（x）等，为不同的用户或用户组分配不同的访问权限，从而实现对文件的精细权限管理。

（三）访问控制列表（ACL）

1. 概念
   • 访问控制列表（ACL）是一种细粒度的访问控制机制，它为每个系统资源（如文件、目录、设备等）定义一个访问控制列表，列表中明确指定了哪些用户或用户组对该资源具有何种访问权限。ACL 提供了比传统基于用户和组的访问控制更灵活的权限管理方式。例如，在一个企业的文件服务器上，一个项目文件夹的 ACL 可以指定项目团队成员对该文件夹有读写权限，项目负责人有完全控制权限，而其他部门的员工没有访问权限。
2. ACL 的组成
   • ACL 通常由主体（用户或用户组）、客体（资源）和权限三个部分组成。主体是访问资源的实体，客体是被访问的资源，权限定义了主体对客体可以进行的操作。例如，在 Windows 操作系统的 ACL 中，一个文件的 ACL 可能包含多个条目，每个条目指定了一个用户或用户组对该文件的权限，如允许用户 A 读取和写入该文件，允许用户组 B 只读取该文件。
3. 应用优势
   • ACL 的应用优势在于其灵活性和可扩展性。它可以精确地控制每个资源的访问权限，满足复杂的企业环境中的权限管理需求。例如，在一个大型企业的信息系统中，有多个部门和不同级别的员工，通过 ACL 可以为每个部门的文件和应用程序定义详细的访问控制策略，确保每个员工只能访问其工作所需的资源，同时方便系统管理员对权限进行集中管理和调整。

（四）强制访问控制（MAC）

1. 概念
   • 强制访问控制（MAC）是一种由系统强制实施的访问控制策略，它根据用户和资源的安全级别来决定访问权限。在 MAC 系统中，用户和资源都被分配了一个安全级别标签，只有当用户的访问请求符合安全级别要求时，才能被授权访问资源。例如，在军事信息系统中，文件和设备被分为不同的安全级别，如绝密、机密、秘密等，用户也根据其工作职责和安全背景被分配相应的安全级别。只有当用户的级别高于或等于资源的级别时，用户才能访问该资源。
2. 安全级别划分
   • 安全级别划分是 MAC 的核心。安全级别通常根据信息的敏感程度和保密要求来确定。在企业环境中，可以根据数据的商业价值和保密性将数据分为内部资料、商业机密、核心机密等不同级别。例如，公司的年度财务报告可能被划分为商业机密级别，只有经过授权的高级管理人员和财务部门的核心人员才能访问。通过这种安全级别划分，MAC 系统可以有效防止信息泄露和非法访问。
3. 优势与局限性
   • MAC 的优势在于其严格的安全性，能够有效保护高敏感度的信息。它适用于对安全性要求极高的环境，如政府机构、军事部门等。然而，MAC 也存在一些局限性，如灵活性较差，系统的配置和管理相对复杂。因为每个资源和用户都需要明确的安全级别标签，当系统中的资源和用户数量较多时，管理这些标签会变得非常繁琐。同时，MAC 的访问控制策略相对固定，难以适应一些动态的业务需求。

（五）自主访问控制（DAC）

1. 概念
   • 自主访问控制（DAC）是一种由资源所有者自主决定访问权限的访问控制方式。在 DAC 系统中，资源的所有者可以自由地为其他用户或用户组分配访问权限。例如，在一个个人计算机用户创建了一个文档后，他可以根据自己的意愿决定将该文档的读写权限授予其他用户，如允许朋友阅读该文档，允许同事修改该文档。
2. 权限分配方式
   • DAC 的权限分配方式相对灵活，用户可以根据自己的需求随时调整权限。在操作系统中，DAC 通常通过文件和目录的权限设置来实现。例如，在 Windows 操作系统中，用户可以通过文件属性对话框中的安全选项卡来设置文件的访问权限，为不同的用户或用户组分配读取、写入、完全控制等权限。这种自主的权限分配方式方便了用户对个人资源的管理。
3. 优势与风险
   • DAC 的优势在于其灵活性和用户自主性，用户可以根据自己的实际需求快速地为资源分配权限。它适用于个人计算机和一些小型的、对安全性要求不是特别高的企业环境。然而，DAC 也存在一定的风险，因为用户可能由于缺乏安全意识或疏忽，错误地为他人分配了过高的权限，导致数据泄露或系统安全受到威胁。例如，用户可能不小心将包含个人隐私信息的文件的完全控制权限授予了一个不可信的人，从而造成隐私泄露。

全文总结

操作系统安全是计算机系统安全的重要组成部分，其概念包括保护数据的完整性、保密性和保障系统的可用性。操作系统安全至关重要，它能够保护用户数据免受恶意窃取和破坏，同时保障系统稳定运行，防止恶意软件入侵和用户误操作导致的系统故障。操作系统安全机制主要有访问控制、加密技术和审计机制。访问控制通过限制用户对资源的访问权限来保障安全，加密技术通过加密数据来保护其保密性和完整性，审计机制则记录和分析系统操作和事件以便发现安全问题。访问控制包括用户认证、权限管理、访问控制列表（ACL）、强制访问控制（MAC）和自主访问控制（DAC）。用户认证确保用户身份合法，权限管理根据用户角色分配权限，ACL 提供细粒度的权限控制，MAC 严格根据安全级别控制访问，而 DAC 则由资源所有者自主决定访问权限。这些安全机制和访问控制方式共同构成了操作系统安全的防线，为计算机系统的安全运行提供了保障。