來源：單片機及嵌入式系統應用  作者：楊 霞 熊光澤 楊仕平 于 遜

摘要：隨著嵌入式實時系統在安全關鍵系統中日益廣泛的應用，其軟件不但要保護嵌放式實時系統的功能性和時間限制，對其安全性、穩定性和可靠性的要求也大大提高。軟件錯誤的比例大大高于硬件錯誤，軟件錯誤可能引起硬件誤操作，進而直接威脅系統安全。使用防危核可有效防止關鍵設備誤操作。本文以RT-Linux實時操作系統為平臺，對十字路口交通燈控制建立安全實驗模型，硬件防危核實現技術，為防危保障探索新的實現途徑。

關鍵詞：防危核 安全核 實時系統 防危策略

早在19世紀70年代，為保證系統中的敏感信息不被非法用戶惡意破壞和非法訪問，Roger Schell和Mitre等人提出了安全核（security kernel）的概念。安全核將系統中的軟件隔離為可信的和不可信的兩部分，由可信賴信號負責對不可信部分進行審核，以保證不可信部分不會對敏感數據進行非法和錯誤的訪問。安全核的技術在信息安全領域中取得了成功并得到廣泛的應用。在安全核基礎上，Rushby等人又進一步提出了防危核（safety kernel）的概念，用于防止軟件對安全關鍵設備的非法訪問，從而保障系統安全。防危核由一組防危策略和隔離組成，因此，防危策略的完備性和低開銷是防隱核可靠和高效的關鍵。現在，對防危核的研究還處于初級階段，本文介紹我們基于RT-Linux實現的隊危核。實驗結果表明了該方案的有效性和可行性。

1 防危核技術

防危核關心的是如何保護設備不被非法訪問，以避免因對設備的誤操作引起的重大生命財產損失和環境破壞。防危核把受保護設備與系統中的其它部分隔離，通過實施防危策略（safety policy）對這些設備的訪問進行特殊控制。凡是對受保護設備的訪問，都必須經過危核的審查，合法者予以支持；反之，則采取相應的出錯處理措施，維護系統的防危特性，這樣就能很好地避免軟件故障造成的災難后果。從應用軟件的角度來看，防危核的原理如圖1所示。在工程應用中，要保證危核的有效性，必須遵循下列3項規則。

（1）短小精練

為了不影響系統的性能，防危核應盡可能小，為此系統所有的防危核策略均由防危核為實施是不現實的。采用將防危策略放在防危核外部的防危策略庫中的方法，縮小防危核的大小主，防危核在防危處理時訪問防危策略庫，以獲取相應防危策略。

（2）完備性

完備性要求，不通過防危核主體就不能對客體進行任何訪問操作。它表明對設備的任何訪問請求都必須通過防危核的驗證。如果系統中存在其它組件可以繞開防危核訪問設備，顯然安全將無法得到保障。所以采用了防危核技術的系統必須要保證防危核對設備的專一控制。

（3）通用性

通用性指防危核模塊的基本結構不依賴于任何特定的操作系統和設備，只需要操作系統和設備滿足防危核的接口要求，并修改策略庫，就可以將防危核軟件應用到任何操作系統和設備中。

2 開發平臺RT-Linux OS構架與特征

通常，安全關鍵系統對實時性有嚴格要求，我們選擇RT-Linux操作系統為安全實驗模型的開發平臺。

RT-Linux是美國NMT大學對標準Linux的一個實時擴展版本，其結構如圖2所示。它實際上是給原Linux內核打了實時補丁，打了補丁的Linux內核由兩部分組成：RT-Linux和Linux。在RT-Linux內核實時應用（任務）則是一種可加載的內核模塊，具有高的優先級。另外，所有的中斷都先由RT-Linux來處理，之后才由標準的內核來處理。非實時任務通過RT-Linux提供的FIFO（一種透明的管道）與實時任務通信。

RT-Linux可以提供應用程序的硬實時保證。所謂“硬實時”是區別“軟實時”而言的。硬實時對滿足時限的要求比軟實時嚴格，通常硬實時的系統響應時間在ms或μs級，而軟實時對其響應時間的要求沒有那么嚴格。硬實時工作通常指超過時限要求就會造成嚴重損害的工作，而軟實時即使超過時限也不會帶來嚴重后果。以核能電廠和看VCD為例，用在核能電廠的實時操作系統，如果超出時限可能會導致嚴重的損害，然而VCD播放器超出時限只不過讓使用者感覺不舒服而已。所以前者是硬實時，后者是軟實時。

這樣一種Linux實時化方案，對原Linux改動最小，又能充分利用標準Linux的全部特性，從而能滿足實時系統防危核控制模型研究的諸多要求，因此，NMT RT-Linux是本安全模型研究的最佳實驗平臺。

3 Linux平臺的其它使用資源

通常，基于RT-Linux的應用程序由兩部分組成：一部分運行在Real-Time下，另一部分運行在標準的Linux下。運行在Real-Time下的任務是實時任務，它作為Linux的內核模塊（Module）被加載到Linux內核中，也就是它運行于Linux內核態，因此需要使用Linux內核態資