专题:终端与智能卡技术 智能终端操作 系统安全 问题及解决方案 侯玉华 。周晓龙 ( 中国联合 网络通信有限公司研 究院 北京 100032) 摘 要 :阐述 了智能终 端操作系统安全 的现状 ,剖析现有操 作系统存在 的安全问题 。分析 了 国内 自主操作 系统 的研发现 状 .探讨 了在 国 内 自主 TIOS 的基础上 进行全方 位安 全加 固的解 决方 案 ,分别 对 内核 、系 统支撑 库 、 GUI 、应用 框架层进行加 固 ,介 绍了九大基础 安全应用规划 。最后 ,提出了不 同类 型用户和不 同安全等 级操 作系 统 的安全需求 ,为各类安全手机开 发提供参考 。 关键词 :智能终端操 作系统 ;Android;iOS ;TIOS ;安全 加固 doi:10.11959/j .issf .1000—0801.2015077 Security P roblem s and Solutions of Sm art T er m in al M obile O p er atin g Sy stem H ou Y uhua,Z hou X iaolong (China Unicorn Research Institute,Beijing 100032,China) A bstra ct:T he present situation of the smart terminal operating sy stem securi ty was descri bed .Th e securi ty problem of the existing operati ng system and the present status of research and development of domesti c independent operati ng system we re anal yzed.S ol uti on of th e sec uri ty rei nforcement based on domestic TI OS ,which reinforces kernel,system suppo ~ library,GUI ,applicati on ~amework of T IOS,was discussed.Th e nine basic safety 印plication programming were intro duced.F inally ,securi ty requirements of dif erent users and dif erent securi ty level of operating system were proposed.It provides reference for the development of all ty pes of secure mobile phone. K ey w ords:smart terminal mobile operating sy stem,Andro id,iOS ,T IOS ,securi ty reinforcement 1 智能终端操 作 系统 安全现 状 1.1 智能终端市场现状 近几年智能终端产业迅猛发展,市场规模不断扩大。 2013年全球智能手机出货量为 10.042亿部,根据 IDC 的 预测。2014年这一数据将达到 13 亿部。全球智能手机出 货量将 比2013 年增长 26.3%。在上述终端中.82%为 Android手机 ,13.8%为 iOS 手机。 收稿 日期 :2015—02—05:修 回 日期 :2015—03—03 我国智能终端市场需求不断增长,2014年5 月.据研 究机构Strategy Analytics发布的研究报告称,2014年我国 首次超越美国成为全球营收最高的手机市场。从手机销量 来看,我国2014年的手机销量增长 15%,达到4.3亿部,主 要市场份额被三星公司和苹果公司占领.我国手机厂商的 出货量也有巨大的发展,但是我国手机厂商终端一直持续 低利润,主要原因在于其产品同质化现象严重,缺乏针对细 分市场需求的产品,导致大众消费市场竞争激烈,利润低薄。 论 文引用格 式 :侯玉华 ,周晓龙.智 能终 端操作 系统安全问题 及解 决方案.电信科学 .2015077 H ou Y H ,Z hou X L .Security Probl ems and S olutions of Smart T erminal M obil e Operating System。T elecommunicati ons Sci enc e,20 15077 一 专题:终端与智能卡技术 智能终端的市场不断发展壮大,其形态也不局限于智 能手机、平板电脑、智能电视,应用领域也不再局限于大众 消费市场。智能手表、智能眼镜等可穿戴产品也在逐渐走 人大众市场,可穿戴设备不断催生出围绕个人运动、健康 等主题的消费热点和消费模式。在三网融合及大众需求的 大背景下,个人终端、家庭电视、PC 之间的设备互联、融合 互动将又会成为新的消费热点,多种设备的互动还会催生 新型的应用体验模式。在智能终端时代,其在物联网领域 又产生了新的应用模式,例如在线医疗监控和诊断、在线 智能电表、智能水文监测等。据市场预测。未来3年智能眼 镜、智能手表等可穿戴智能终端的市场规模将达到 100亿 美元,便携式家庭医疗设备也将迎来爆发式增长的良机。 1.2主流操作系统发展现状 1.2.1 Android 系统 2007年11月5 日,谷歌公司正式宣布开发一款新的手 机操作系统——Android,其基于2005年收购的同名手机软 件公司产品。Android系统以开源免费方式来吸引产业链的 参与,形成巨大的产业链号召力,取得了非凡的市场成就。但 在开源的背后有许多问题使业界对这种模式产生了质疑。 首先是碎片化问题,目前生产Android 系统智能手机 的有三星、联想、华为等众多厂商.各厂商的Andr oid系统 产品硬件设计方案不同,导致Android系统在各终端产品上 的性能表现不同,直接导致系统开发难度的增加。另外,其 版本众多,Android系统曾在 18个月里发布了4个大版本, 同时还存在多个版本分支,各个终端厂商对Android系统的 代码进行修改.由此形成了众多的分化版本。据数据统计公 司OpensignaI 2014 年 Android设备碎片化的报告显示 , Android系统的碎片化与去年相比增加了60%.碎片化问题 更加严重。2014年l0月15 13,谷歌公司发布了Android5.0版 本。在这个版本中,谷歌公司将着力扭转碎片化问题,可能 会禁止厂商基于新版的Android 系统进行深度定制,碎片化 的问题将有所改善,但还会在一段时期内长期存在。 其次是安全隐患问题,Android 系统版本演进过快,版 本管理比较混乱,其系统软件存在大量的bug 和不完善的 功能设计,如沙箱模型机制、权限授予机制、root权限获取 等。同时,应用软件下载渠道众多,但缺乏有效的审查制 度,应用签名机制脆弱,即使证书过期了也不会影响应用 的使用。Andr oid系统的应用安装包(APK)很容易被反编 译,使得恶意程序将正版应用反编译成携带恶意代码的应 用。并伪装成原来的应用 ,构成安全威胁。 1.2.2 iOS iOS 是苹果公司终端体系的基础,围绕iOS 苹果公司 构建了一个封闭的生态系统,即封闭的终端、封闭的应用、 封闭的网络、收费的内容。lOS 历经8个版本,不断进行着 创新,iOS 卓越的人性化设计成为智能、极致体验的代表。 苹果公司的大量特色服务和应用都是在iOS 的支持下,为 用户提供了优秀的体验,加上苹果公司优秀的硬件设计, 使苹果公司成为智能手机和智能平板市场的引领者,推动 苹果公司取得优异的市场成绩。苹果公司将App Store作 为移动互联网领域的标志性服务,App Store具有相对严格 的审核机制,但苹果公司的审核机制不是完美的。虽然很 难通过iOS 漏洞开发恶意软件.但可以将恶意软件注入到 合法软件的源代码中,伪装成合法软件供用户下载,也有 数据表明lOS 大量的应用程序都带有位置跟踪和读取用 户地址簿功能,给用户的个人数据安全构成威胁。 1.3智能终端的安全威胁 智能终端开放了原本封闭的终端操作系统,终端与互 联网的交互越来越便捷,终端操作系统作为其中重要的一 环,其安全性至关重要。终端操作系统的安全威胁主要体现 在操作系统后门程序、操作系统漏洞以及 API(application programming interface,应用程序编程接口)的滥用。 操作系统的后门是指开发过程中创建的可以控制或获 取对程序或系统访问权的方法,后门程序在设计时有两种 考虑,首先是可以方便地进入系统修复程序设计中的缺陷, 另外就是程序设计者故意设置的控制操作系统的方法。这 些后门程序大多不为用户所熟知,但是一旦被滥用,将给用 户带来巨大的安全风险。操作系统的后门程序有很多种类 型,简单的后门可以在系统中创建新账号。方便黑客进入。 复杂的后门可以绕过系统的安全认证而取得系统读写权限 等。Android系统中有一款名为kill switch的远程控制软件, 可以远程入侵系统.删除用户设备中的应用程序和数据。 2014年7 月,iOS 研发人员乔那森披露了多个后门,其可以 从iPhone中提取大量数据。如用户的地理位置信息,这些是 在用户毫不知情的情况下运行的,而且也无法被禁止。美国 “棱镜门”揭秘者爱德华·斯诺登也曾表示,美国国家安全局 可以在iPhone关机的情况下通过麦克风监听用户。 操作系统的漏洞主要是指系统本身在设计上存在的 问题或技术缺陷,漏洞可以被黑客利用,通过植入木马、病 毒等恶意软件攻击或控制整个系统。Android系统的开源 和开 放性 特 点使 得恶 意软 件 问题愈 发 严重 ,2013 年 Android系统的恶意软件有804 种,占所有移动终端恶意 软件的97%。中国软件测评中心对国内各种渠道的425万 余个应用软件进行测评发现,Android平台的移动互联网 应用软件恶意扣费、远程控制、隐私窃取、恶意传播、资费 消耗等恶意行为非常普遍,80%的手机恶意软件至少存在 两种或两种以上恶意行为。 Android 系统向开发者提供了大量的API 和开发工具 包,但是对于API 的使用缺乏完善和有效的授权机制和代 码签名机制,这就给各种恶意代码滥用系统API 进行违法 活动创造了机会。有很多的应用程序滥用前台服务接口 (Service.startForegroundf 1 API)使应用程序常驻后台,不能 被杀死,又通过制造一个异常的通知对象,躲过操作系统 的通知管理器(notifi cation manager),不被用户察觉,威胁着 用户的隐私安全。虽然在Android 4_3以后提供了正在运行 的应用程序的知情权和处置权,但只是治标未治本。 2 自主 的智能 终端操作 系统 2013年曝光的棱镜门事件暴露了国外情报机构利用 智能终端操作系统不断搜集大量用户的通讯录、短信、邮 件、照片、位置等信息,对用户隐私及国家信息安全造成很 大的危险。要实现智能终端操作系统的安全,必须对操作 系统的自主访问控制、强制访问控制、身份鉴权、数据完整 性、可信路径等方面提出安全技术要求。2009 年国家“核 高基”重大专项首次将智能终端操作系统基础软件的研发 列入专项.从国家高度思考移动互联网的关键环节如何保 证国家信息的安全。发展自主的智能终端操作系统,才能 避免国外机构利用操作系统的后门程序危害我国信息安 全和个人信息安全,并可以掌控系统软件的发展路标,为 我所用。同时.基于自主操作系统构建生态体系,建立完善 的应用签名机制和API授权机制,尤其在特殊行业和特殊 领域,需要构建更为严格的应用管控机制,最大限度地避 免各种安全问题发生。 2.1 国内智能终端操作系统的现状 国内厂商在智能终端操作系统研发方面起步较晚,受 限于市场现状和技术能力 ,开发的形式主要是基于 Android 系统进行二次开发,在操作系统的浅层进行修改 定制,围绕应用层进行创新,融入了个性的用户界面(UI) , 提供了一些应用接13标准,内置特色的移动互联网业务, 百度、阿里巴巴、小米等互联网巨头都推出了基于Android 系统的个性化手机操作系统。这种方式虽然可以兼容 Android的生态系统,顺应Android 的潮流,但是直接受制 于 Android系统的演进策略,而且用户界面只是 Android生 态中的一环,不是操作系统。因而不能解决操作系统的安 全问题。同时,二次开发后的Android 系统新的分支同样具 有原生Android系统的设计缺点和安全隐患等问题.手机 产品严重同质化 ,手机功能设计缺乏创新 ,在应用研发方 面很难做到与操作系统进行深度集成创新。从长远来看, 谷歌将逐步收权,推出统一的UI 设计标准,这将造成定制 化Android系统的发展越来越窄,UI 和操控模式也将趋同。 2 _2 T l0 S T/OS (trust intemet operating system,可信互联网操作系 统)是在国家十一五、十二五“核高基”重大专项支持下进行的 研发,以Linux 内核为基础,具备清晰的分层体系架构,支持 多任务和多应用运行,系统易于终端产品适配开发.可扩展 性好,支持多种网络制式,具有自主、开放、安全、高效的特点。 ,I'IOS 包括内核(kerne1) 、BSP(board support package,板 级支持分组)层、GUI(图形用户界面) 图形交互系统、系统 支撑库、framework 应用开发框架和应用软件。 ·kernel:TIOS 内核采用开源的标准Linux kernel V2.6或 以上版本,主要功能包括进程管理、定时器、中断管 理、内存管理、模块管理、文件系统、设备驱动程序、进程 问通信、网络管理、系统启动等操作系统功能的实现。 ·BSP:BSP 是介于硬件物理设备和rI'IOS framework 框架之间的中间层软件,其主要目的是为了屏蔽底 层硬件的多样性,完成初始化底层硬件、检测系统 硬件是否正常、加载 Ⅱ0S 并启动系统运行等操作。 ·GUI 图形交互系统:包括窗13 控件、消息机制、图形 图像、语言文字、资源处理、输入法等。 ·系统支撑库:TIOS 系统支撑库提供各种功能库.这 些功能库在系统中被各种功能组件使用。它们通过 应用程序框架为开发者提供服务。实现基础的系统 支撑功能,主要包括libc、多媒体编解码库、OpenGL ES、SQLite、webkit、字体库等。 ·framework 应用开发框架:TIOS framework 应用开发 框架采用了通用的应用——视图模式。基于事件驱 动的消息循环实现。framework 支持应用所需消息循 环和消息分派机制,并通过窗口向用户呈现相关信 息及响应用户交互。framework 还为开发者提供各 类应用组件 ,这些组件是介于上层应用软件 、系统 支撑库以及 GUI 之间的系统软件,它可以屏蔽底 { 专题:终端与智能卡技术 层系统并为上层应用程序提供多种功能接口和服 务支持,具有跨平台的特性。常见的,IT10S 应用组件 包括电话服务、数据服务、多媒体服务等,TIOS 还 支持第三方功能组件的移植和管理。 ·应用软件:包括基础应用软件集、运营商定制软件 集和第三方应用软件3类。TIOS 通过提供开放的 应用开发工具,指引开发者参...