Lecture 5: Operating System Security Authentication and Access Control

Security in Operating System

• Operating System
  • โปรแกรมที่บริหารจัดการ Resource ของระบบ
• ป้องกันไม่ให้ ผู้ใช้งานอีกคนเข้าถึงผู้ใช้งานอีกคน
• ป้องกันไม่ให้พื้นที่ใน Memory หรือ Storage ที่สำคัญ ถูกเขียนทับ โดย Unauthorized proceses
• ทำ Identification และ Authentication สำหรับการใช้งาน Remote
• มั่นใจว่า Reousrce ถูกแบ่งใช้งานอย่าง fair

Security-relevant features

• Enforced sharing: Resource จะถูกแบ่งให้ users อย่างถูกต้อง
• Interprocess communication and synchronization: OS จะเป็นตัวกลางในการสื่อสารระหว่าง process
• Protection of critical operating system data: OS จะต้องป้องกันพื้นที่ของไฟล์ OS
• Guaranteed fair service: การแบ่ง CPU scheduling จะ fair
• Interface to hardware
• User authentication: OS จะระบุ users ที่ต้องการใช้งานได้
• Memory protection
• File and I/O device access control
• Allocaion and access control to general objects

Security Methods of OS

• ง่ายที่สุดคือการ Separation หรือ การแบ่ง Objects ของอีกคน กับอีกคน
  • Physical separation: คนละเครื่อง
  • Temporal separation: one at a time
  • Logical separation: OS จำกัดไม่ให้โปรแกรม เข้าถึงส่วนอื่นๆ ที่ถูกกำหนดไว้
  • Cryptographic separation
• บางครั้ง users อาจจะต้องการ share resources
• OS จะอณุญาติให้ share แบบ flexible sharing
  • Public object: สามารถเข้าถึงได้ทุกคน
  • Private object: สามารถเข้าถึงโดยเจ้าของเท่านั้น

Memory Protection

• Fence: จะเป็นพื้นที่ที่ OS กำหนดไว้ ว่าไม่สามารถเข้าถึงได้ / ไม่ได้
  • Static fence: fixed size OS
  • Dynamic fence: fence register จะมี address ของ OS

Fixed fence คือ address ที่ถูกกำหนดไว้ให้เก็บ OS และ users จะต้องเข้าไม่ถึง

• Base/bound register: Lower and upper address limit

• Segmentation: แบ่ง Memory ออกเป็น Logical units
  • กำหนดสิทธิ์การ access ในแต่ละ segments
  • OS จะเก็บตำแหน่ง physical address ไว้
  • OS จะเก็บตำแหน่ง segment address ไว้ ด้วย <segment,offset>
  • ข้อดี
    • ข้อมูลทุกส่วนจะสามารถตรวจสอบได้
    • สามารถตั้งสิทธิ์เข้าถึงที่แตกต่างกัน ในแต่ละ segments ได้
    • users สามารถ share access ของ segments ได้
  • ข้อเสีย
    • จาก <segment,offset> OS ต้องรู้ขนาดของ segment ถึงจะ ยืนยัน access ได้ถูกต้อง
    • ถ้าเป็นโปรแกรมที่มี Dynamic memory access ละ? OS จะต้องเก็บขนาดของ segments
    • Memory fragmentation ช่องว่างใน segment
    • ยุ่งยาก
• Paging: แบ่ง Memory ออกเป็น Logical units แต่จะมีขนาดที่เท่าๆ กัน (Fixed-size segments)
  • OS จะเก็บตำแหน่ง paging address ไว้ ด้วย <paging,offset>
  • ข้อดี
    • ลดการเกิด Memory fragmentation
    • OS ไม่จำเป็น ต้องเก็บขนาดของ variable segment
  • ข้อเสีย
    • No logical unity🌟 to pages: 1 โปรแกรมไม่ใช่ 1 segment
    • จะให้สิทธิ์การเข้าถึงกับ page ได้ยังไง?

Control of Access to General Objects

• ต้องเช็คทุกการเข้าถึง
• ต้องให้สิทธิ์ที่น้อยที่สุดเสมอ
• สามารถเช็คการใช้งานได้

Protection Mechanism

• Directory
  • เจ้าของไฟล์สามารถควบคุมการ Read, Write, Execute
  • users แต่ละคนจะมี access rights directory
  • ง่าย

• All-None Protection: สิทธิ์ default ของไฟล์ คือ public
• Group Protection
  • user, group, world class (others)
  • ง่่าย
• Perrsistent Permissions (สิทธิ์คงทน)
  • ตั้งรหัส ให้ไฟล์
• Temporary Acquired Permission (สิทธิ์ชั่วคราว)
  • ตั้ง set user id (suid)
  • เช่นการคำสั่ง passwd ใน Linux จะเป็นการให้สิทธิ์ root กับ users ชั่วคราวเพื่อเปลี่ยนรหัส

UNIX File Access Control

• Set User Id (suid) หรือ Set Group Id (guid)
  • สิทธิ์ชั่วคราว ของเข้าของไฟล์ ระหว่างที่ืเจ้าของไฟล์กำลังแก้ไขสิทธิ์
• Sticky bit
  • ตัวกำหนดสิทธิ์ใน directory ให้ rename/move/delete

• superuser
  • ข้อยกเว้น users จากสิทธิ์ปกติ

User Authentication

• การระบุตัวตน
• จะมี 2 ขั้นตอน
  • Identification ระบุตัวตน
  • Verification ยืนยันตัวตน
• จะระบุจากสิ่งที่บอกว่าเป็นเราจริงๆ
  • จากสิ่งที่เรารู้ Password, PIN, etc.
  • จากสิ่งที่เรามี Badge, Key, etc.
  • จากสิ่งที่เราเป็น Biometrics

Password Guessing Steps เทคนิคการเดารหัส

• ไม่มีรหัส
• รหัสเหมือนกับ User Id
• รหัสมาจาก User Id
• คำศัพท์ภาษาอังกฤษที่ใช้บ่อยๆ
• คำศัพท์ระดับวิทยาลัย (สั้นๆ)
• คำศัพท์ภาษาอังกฤษทั้งหมด
• คำศัพท์ภาษาอื่นๆ ที่ใช้บ่อยๆ
• คำศัพท์ระดับวิทยาลัย (สั้นๆ) แต่เปลี่ยนตัวเล็กตัวใหญ่ PaSsWorD และการเปลี่ยน (เช่น 0 เป็น O)
• คำศัพท์ภาษาอังกฤษทั้งหมด แต่เปลี่ยนตัวเล็กตัวใหญ่ และการเปลี่ยน
• คำศัพท์ภาษาอื่นๆ ที่ใช้บ่อยๆ แต่เปลี่ยนตัวเล็กตัวใหญ่ และการเปลี่ยน
• Brute force ตัวอักษร​ (ตัวเล็ก)
• Brute force ทุกตัว

Password Management

• Encryption
• Salt (UNIX)
• One-time passwords

UNIX Implementation

• จากเดิม
  • รหัส 8 ตัวอักษร สร้าง 56-bit key
  • 12-bit salt โดยใช้ DES Encryption เป็น One-way hash function
  • ค่าถูกเข้ารหัส 25 ครั้ง
  • Output ออกมาเป็นตัวอักษร 11 ตัว
• แบบใหม่
  • ใช้ MD5 hash
  • 48-bit salt
  • Hash 1000 ครั้ง
  • Output ออกมาเป็น 128-bit hash

Password Vulnerabilities

• Offline dictionary attack
• Specific account attack
• Popular password attack
• Password guessing against single user
• Workstation hijacking
• Exploiting user mistakes
• Exploiting multiple password use
• Electronic monitoring

Password Cracking

• Dictionary attacks
  • Compare hashed word from dictionary to hashed file
• Rainbow table attacks
  • Precompute tables of hash values for all salts
    • Generates a large dictionary of possible passwords

Password File Access Control

• เพื่อป้องกันการ Password attack
  • ป้องกันการ Offline quesing ด้วยการ denying access encrypted password
  • ให้สิทธิ์เฉพาะ Privileged users
• ใช้รหัสที่ดีขึ้น รหัสที่สุ่ม
• เทคนิคการสร้างรหัสที่ดี
  • ให้ความรู้ ในการสร้างรหัสที่ดี
  • สุ่ม
  • Reactive password checking ระบบจะรัน Password cracker เอง เพื่อตรวจสอบ
  • Proactive password checking users จะเลือกรหัสทีระบบเช็คแล้วว่าใช้ได้เท่านั้น

Remote User Authentication

• จะติดปัญหาเรื่องการ ดักฟัง (eavesdropping) และ การส่งใหม่ (replay)
• Challenge-response protocol
  1. user จะส่ง Identity ให้ remote host
  2. host จะ generate number r เรียกว่า nonce (once-in-a-lifetime) และส่งให้ user หรือเรียกว่า challenge
  3. user จะส่ง hash ที่เข้ารหัสมากับ nonce $f(r,h(P))$

OpenID Connect

• เป็น JSON-/REST-based identity protocol ที่สร้างมาจาก OAuth 2.0 กับ JWT protocol
• จะยื่นยันตัวตนด้วย Authorization server (Github, Google, Microsoft, …)
• End-user คนที่ต้องการระบุตัวเอง
• Relying party (RP) เว็บหรือ application ที่ต้องการจะระบุตัวตน
• OpenID provider (OP) คนที่จะมายืนยันตัวตน

Access Control

• การควบคุมไม่ให้เกิดการใช้งานโดยไม่มีสิทธิ์ (unauthorized)
• มีการแบ่ง users และ groups
• คำศัพท์
  • Authentication: พิสูตน์ตัวตน
  • Authorization: การเช็คสิทธิ์
  • Audit: การตรวจสอบกิจกรรมต่างๆ

Access Control Policies

• Discretionary access control (DAC): ขึ้นอยู่กับเจ้าของข้อมูล

  Access Matrix
  • จะใช้ Access Matrix
    • Subject จะใส่ใน rows
    • Object จะใส่ใน columns

• Mandatory access control (MAC): บังคับ

• Role-based access control (RBAC): ขึ้นอยู่กับ Role

  • จะใช้ Access Matric เหมือนกัน แต่จะมี Role matrix ด้วย
  Role Matrix
  Role Access Matrix
  • มี 4 Modesl
    1. RBAC$_0$: minimum functionality ของ RBAC
    2. RBAC$_1$: Role hierarchies, สามารถให้ role inherit permission จากอีก role ได้
    3. RBAC$_2$: Constraints เช่น Mutually exclusive roles, cardinality, prerequisite
    4. RBAC$_3$: ผสมระหว่าง RBAC$_0$ม RBAC$_1$ม RBAC$_2$

Acess Control Requirements

• Reliable input
• Support for fine and course specifications
• Least privilege
• Separation of duty: แยกขั้นตอนการทำงาน ชัดเจน
• Open & closed policies:
  • Closed policy: อณุญาติให้เข้าถึงเฉพาะคนที่กำหนดเท่านั้น
  • Open policy: อณุญาติให้เข้าถึงได้ทุกคน ยกเว้นคนที่กำหนดไว้
• Policy combination and conflict resolution: แก้ไขข้อขัดแย้ง
• Administrative policies

Access Control Elements

• Subject: คนที่จะเข้าถึงข้อมูล
  • มักจะมี owner, group, world
• Object: ข้อมูล
• Access right: สิทธิ์ต่างๆ
  • reat, write, execute, delete, create, search, …

Access Control Structures

• Access control lists (ACLs)
  • ในแต่ละ Objects, ACLs จะมีรายชื่อของ users และสิทธิ์
• Capability Lists / Capability Tickets:
  • ในแต่ละ Users, จะมีรายชื่อของ File และสิทธิ์

Trusted Operating System

• OS จะเชื่อถือได้ เพราะ
  • Memory protection
  • File protection
  • General object access control
  • User authentication
• 4 รากฐาน
  • Policy: กฏ
  • Model: representation ของกฏ
  • Design: วิธีการสร้างโมเดล
  • Trust: การรับประกันและความหน้าเชื่อถือ

Security Features of Ordinary OS

• Authentication of users
• Protection of memory
• File and I/O device access control
• Allocation and access control to general objects
• Enforcement of sharing
• Guarantee of fair service
• Inter-process communication and synchronization
• Protection of OS protection data

Security Features of Trusted OS

• User ID and authentication
• Mandatory access control (MAC)
• Discretionary access control (DAC)
• Object resue protection: OS จะต้องป้องกันการรั่วไหลข้อมูล
• Complete midation: ทุกการเข้าถึงข้อมูล มีการตรวจสอบ
• Trusted path: สร้างความมั่นใจให้กับ users กำลังสื่อสารกับคนที่กำลังสื่อสาร และจะไม่มีการดักฟัง หรือ แก้ไข
• Audit
• Audit log reduction
• Intrusion detection

Reference Monitor

---