Хакер - Спецвыпуск журнала «Хакер» #47, октябрь 2004 г.

Тебе, наверное, много раз приходилось слышать, что любой *nix – это некая «идеальная» система (в отличие от Windows), которая не зависает, не тормозит и т.д. Так ли это на самом деле? Поскольку надежность любой операционной системы зависит от ядра, обратим внимание именно на эту часть ОС.

Для начала следует разобраться с основными понятиями *nix-систем. Это очень важный момент, без которого довольно сложно разобраться в структуре системы и ядре. Ядро полностью скрывает специфику компьютера от пользователя, но в то же время зависит от этой специфики.

Первое, с чем нам предстоит столкнуться, – понятие пользователя. Здесь пользователь – это некто (нечто), имеющий свою учетную запись, состоящую из имени и пароля и еще некоторых данных вроде домашней директории. Ядро UNIX «узнает» пользователя по UID (User IDentifier) – идентификатору, который представляет собой уникальное целое число, присваемое при регистрации (автоматически или вручную админом). Пользователь относится к некой группе, определяемой GID'ом (Group IDentifier). Администратору системы отводится нулевой UID. Пользователь с таким UID называется root (рут). Это наиболее интересный персонаж, поскольку он имеет полный контроль над системой. Идеальный вариант использования какой-либо уязвимости для захвата системы – получение прав рута.

Любой пользователь в процессе работы так или иначе обращается к файлам, и здесь нельзя избежать упоминания о файловой системе (ФС).

ФС присуща древовидная структура, совершенно непривычная для пользователя DOS (Windows). Корневой каталог всегда имеет имя «/». Но это не значит, что в *nix возможно использование только одного устройства для хранения информации. «Куски» файлового дерева системы чаще всего размещаются на разных носителях, но логически это одна система. Каждый зарегистрированный пользователь имеет так называемую домашнюю директорию. В ней пользователь – царь и бог :). Теоретически юзер может получить доступ ко всем файлам в системе. Но такой доступ ограничен посредством привилегий. В отличие от MS-DOS у ФС *nix отсутствует такое понятие, как расширение файла (имя файла может содержать точку наравне с другими допустимыми символами).

Кроме того, для файловых систем *nix характерна защита информации в файлах и трактовка периферийных устройств как файлов.

В *nix есть ядро, которое управляет ресурсами компьютера и предоставляет пользователям некий ограниченный набор услуг. Мы будем рассматривать UNIX TimeSharing System V («традиционный» UNIX), поскольку на ее основе построено большинство современных клонов UNIX. Начнем с того, что UNIX – независимая от платформы система. Для ее работы на какой-либо машине достаточно лишь заново скомпилировать компоненты (написанные на C). Здесь стоит заметить, что единственный компонент, который все еще зависит от аппаратной части, – это ядро.

Но в результате разделения аппаратно-зависимых и аппаратно-независимых компонентов ядра разработчикам удалось добиться того, что большая часть ядра может быть перенесена на любую платформу.

Остается малая, но аппаратно-зависимая часть, которая включает следующие компоненты:

– запуск и инициализация системы на низком уровне;

– первичная обработка внутренних и внешних прерываний;

– управление памятью;

– переключение между режимами пользователя и ядра;

– части драйверов, связанные с особенностями аппаратуры.

Как видно, в зависимой части осталось лишь небольшое число функций, которые переписывают при переносе ОС на другую платформу.

Давай теперь рассмотрим основные функции и подсистемы ядра. При включении выполняется инициализация системы. Эта функция занимается запуском и раскруткой. Средство раскрутки загружает полное ядро в память и запускает систему. Следующая функция – управление памятью, которая отображает виртуальную память процессов в оперативку. Кроме того, этот компонент обеспечивает использование одних и тех же областей оперативки для разных процессов с использованием внешних носителей. Основными подсистемами ядра являются подсистема управления файлами и подсистема управления процессами. Остановимся на них поподробнее, поскольку эти системы являются основным источником уязвимостей ядра.

В UNIX каждому файлу в соответствие ставится некий индекс, в котором содержатся описание размещения информации на физическом носителе, права доступа, владелец и другие данные. Каждый файл имеет только один индекс. Когда процесс обращается к файлу по имени, ядро возвращает индекс файла. То есть каждое имя является указателем.

Индексы хранятся в файловой системе, однако при работе с файлом ядро заносит их в таблицу индексов, которая находится в ОЗУ. Кроме таблицы индексов, ядро использует еще две информационные структуры: таблицу файлов и таблицу дескрипторов файла. Пользователь может получить доступ к файловым дескрипторам и раскрыть информацию.

Итак, основные компоненты файловой системы:

– Блок загрузки. Располагается в начале файловой системы и содержит программу начальной загрузки.

– Суперблок. Здесь обозначаются свойства файловой системы: размер, расположение свободного пространства, количество файлов и другая информация.

– Список индексов. Размер списка указывается администратором при генерации файловой системы.

– Информационные блоки. Содержат данные файлов, а также служебные данные. Информационный блок может принадлежать только одному файлу.

После того как загрузка ядра выполнена, нужно как-то создавать, завершать и следить за существующими процессами и нитями (здесь нить – это «процесс», выполняемый на общей виртуальной памяти). Этим занимается функция управления процессами и нитями. Ввиду мультипроцессорности *nix ядро обеспечивает разделение процессорного времени или процессоров, что создает эффект параллельности выполнения разных задач. Ядро – это невыгружаемый компонент, и поэтому процесс, выполняющийся в режиме ядра, продолжает свое выполнение до тех пор, пока не вернется в режим задачи либо пока не перейдет в состояние «сна». Благодаря невыгружаемости ядро обеспечивает целостность информационных структур и стабильность работы.

Кроме обозначенных подсистем, существуют также коммуникационные средства, которые отвечают за обеспечение обмена данными. Ну и замыкающей функцией является программный интерфейс, который делает возможным доступ к ядру из более высокого уровня (со стороны пользовательских процессов).

Как видно из вышесказанного, архитектура ОС в целом и архитектура ядра в частности – это стройная, хорошо продуманная система взаимодействия компонентов. Однако несмотря на это любая *nix – уязвимая система. В том числе и на самом нижнем уровне – ядре. Одна из основных причин уязвимостей ядра – возраст ОС. С одной стороны, клоны этой операционной системы становятся популярнее день ото дня в течение 25 лет, и это уникальный случай! Кроме того, на протяжении этих лет наращиваются и возможности системы, что является большим плюсом. Однако качественные улучшения структуры не успевали (и не успевают) за ростом ее возможностей. И поэтому можно утверждать, что современные варианты UNIX структурированы не идеально. Рассмотрим основные типы уязвимостей.