Секреты и ложь. Безопасность данных в цифровом мире

Печальная действительность состоит в том, что подобные ошибки программного обеспечения возникают везде. Большинство из них не приводит к таким разрушительным последствиям (перезагрузка электронной таблицы после аварийного отказа вызывает всего лишь незначительное раздражение), но так как сложное программное обеспечение во многих случаях функционирует внутри жизненно важных систем (например, в системах уклонения от автокатастрофы, взлета и посадки самолетов, управления атомной электростанцией), мы, вероятно, станем свидетелями увеличения количества подобных случаев. Проводится большая работа по исправлению ошибок, устранению недостатков, это получило название отказоустойчивой стратегии: например, если в автомобиле откажет система уклонения от автокатастрофы, предполагается, что водитель будет вести себя, как в машине без компьютера, вместо того чтобы позволить ей врезаться в ближайшее дерево. Идея в том, чтобы была уверенность, что небольшие недостатки не приведут к потере контроля над ситуацией, как было в случае с «Ариан 5».

Трудно обнаружить ошибки в программном обеспечении, влияющие на правильное выполнение задачи; обнаружить ошибки в системе безопасности еще труднее.

Надежность означает, что компьютер, в первую очередь программное обеспечение, но также и любые специализированные технические средства должны работать даже при появлении случайных ошибок. Они могут возникать при проектировании (использование одинакового программного обеспечения в основной и резервной системах), при вводе в действие (отсутствие проверки наличия ошибок при преобразовании данных), это могут быть ошибки программирования (вспомните математическую ошибку в чипе Intel Pentium[39]) или ошибки пользователя. Время от времени такие ошибки появляются. Это похоже на компьютер Мерфи: сбои происходят… редко, но постоянно. Если компьютер ошибается время от времени, пусть даже редко, это заметно любому пользователю.

Основная проблема состоит в том, что в любой сложной системе, программном обеспечении, применяемом в ракетной технике, большой базе данных, операционной системе, сетевом программном обеспечении, сложном микропроцессоре очень многие вещи могут работать со сбоями. И это определяет предел сложности. Невозможно предусмотреть или проверить абсолютно все. Неизбежно где-нибудь произойдет сбой.

Компьютерная защита более всего похожа на программирование для компьютера Сатаны. (Росс Андерсон ответствен за этот красивый оборот.) Чтобы быть безопасным, программное обеспечение должно работать, несмотря на появление неуловимых и опасных ошибок, которые могут быть преднамеренно внедрены способным нападающим с целью нанести поражение системе. Надежное программное обеспечение должно пережить и случайные ошибки, которыми может воспользоваться сообразительный хакер. (Представьте себе, что это некий хакер вызвал ошибку переполнения в программном обеспечении «Ариан 5» в самое неподходящее время.) Ошибки происходят случайно, и большинство из них редко встречается при обычном использовании. Но нападающие разыщут потенциальные ошибки и непременно воспользуются ими для достижения своих целей.

Широко применяемая стратегия для обнаружения случайных ошибок – предварительное тестирование: предоставить программное обеспечение большой группе пользователей (бета-тестирование). Люди будут пользоваться программами во всевозможных конфигурациях, на различных типах персональных компьютеров и с различными целями (о некоторых из них проектировщики даже не думали). Если они не смогут сломать систему, возможно, в ней нет ошибок. Сложно проводить предварительное тестирование программного обеспечения ракетной техники, но любое крупное коммерческое программное приложение, которое покупает пользователь, прошло тысячи часов предварительного тестирования для нахождения и исправления ошибок программирования.

Возможно, только что приведенные рассуждения позволили вам расслабиться. Тем не менее, зная, что большинство коммерческих программ содержат большое количество ошибок, трудно доверять подобным испытаниям. Испытания происходят, но сложности остаются. Основную роль играет необходимость быстрого продвижения программных продуктов на рынке. Некоторые компании в связи с этим выпускают в широкую продажу плохо проверенные программы. (Большая часть программного обеспечения Интернета выпущена в предварительных версиях; некоторые даже доказывают, что сам Интернет все еще находится в предварительной версии.) Кроме того, такой натиск на рынок означает, что некоторые компании выпускают программное обеспечение в продажу раньше, чем будут исправлены все ошибки, которые уже установлены. (И если ошибки, найденные в бета-версии, были исправлены, часто не производится повторный цикл предварительных тестов для проверки исправленного кода.)

Нападения на дефектный код

Большинство проблем, связанных с компьютерной безопасностью, которые нам приходится наблюдать, являются результатом дефектов в программном коде. Вот некоторые примеры:

• В 1988 году червь Морриса использовал ошибку в UNIX для получения полного доступа к компьютерам, выполняющим программы. Это привело к переполнению буфера, о чем будет рассказано в следующем подразделе.

• В 1999 году некто обнаружил ошибку в сценарии Hotmail CGI, позволяющую пользователю получить доступ к записям электронной почты другого пользователя. Дефекты такого рода обсуждались в главе 10.

Традиционно дефектный код был орудием, используемым для взлома компьютеров. Например, недостатки программ, отсылающих почту, повлекли за собой огромное количество незаконных проникновений в компьютеры с операционной системой UNIX. Цель подобных нападений состоит в использовании погрешностей таким образом, чтобы нападающий мог взять в свои руки контроль над системой. Нападения незаметны, они могут использовать настройку параметров для получения доступа или лазейки в заголовке сообщения об ошибках для прочтения защищенных файлов, количество таких нападений огромно. Временами кажется, что каждый день происходит новое нападение на почтовые программы, после которого в очередной раз исправляются не найденные до того ошибки. (Производятся ли после этого исправления у пользователей коммерческих программ – это другой вопрос.)

Более недавний пример – это модель безопасности Java. В Java используется модель комплексной безопасности для защиты компьютеров от вредоносных апплетов Java. Ошибка в любом месте программного кода, ответственного за работу защитных механизмов, может сделать все эти механизмы бесполезными, и, если такая ошибка случится, характерные для Java нападения хлынут широким потоком, используя любые недостатки системы.

Эти примеры вызывают больше беспокойства, чем проблема «Ариан» (несмотря на меньшую степень накала страстей), поскольку недостатки, которые могут быть использованы для взлома защиты, обычно не влияют на выполнение программ. Они незаметно присутствуют там до тех пор, пока кто-либо не воспользуется ими. Это очень важно и потому создание защиты сложнее, чем обеспечение надежности. Ошибка, повлекшая за собой катастрофу «Ариан», – это единственный случай, который затронул выполнение. Как только ошибка при выполнении найдена – и предварительное тестирование сможет обнаружить ее – она может быть исправлена. Дефекты защиты не влияют на выполнение и не проявляются в результатах предварительного тестирования. Подробнее о надежности тестирования будет рассказано в главе 22, но мораль в том, что люди постоянно спотыкаются о недостатки в системах безопасности, и только опытные эксперты на самом деле способны отыскать их.

Такое случается постоянно. Когда квалифицированный специалист производит анализ защиты программного обеспечения, он всегда обнаружит случайные недостатки, подрывающие систему безопасности. Всегда. Чем сложнее код, тем больше несовершенства в его защите.

Огрехи защиты, однажды обнаруженные, будут использоваться до тех пор, пока не будут устранены. Предположим, что нападающий нашел брешь в защите торгового протокола, что позволило ему украсть номер кредитной карты или, что еще хуже деньги. Если его действия мотивировались желанием создать саморекламу, он известит о своем достижении прессу и эта ошибка будет исправлена. (Хотелось бы надеяться, что сначала он предупредит компанию.) Если его действиями управляет желание получить деньги, нападающий станет использовать эту возможность снова и снова. Он украдет столько, сколько сможет, пока еще кто-нибудь не обнаружит этот недостаток и не исправит его. В этом основное отличие: недостатки, влияющие на выполнение, заметны, в то время как недочеты защиты могут оставаться невидимыми в течение долгого времени.

Эти недостатки не обязательно находятся в коде, относящемся к системе безопасности. Они могут присутствовать повсюду: в интерфейсе пользователя, в программах обработки ошибок, в любом другом месте. И как мы видели в главе 10, даже программы, не имеющие никакого отношения к компьютерной безопасности, могут повлиять на защищенность компьютеров, работающих в сети. Недостатки в текстовом процессоре, драйвере принтера или мультимедийном проигрывателе могут полностью подорвать систему безопасности вашего компьютера.

Еще один вывод состоит в том, что ошибки в программном обеспечении (и, следовательно, недостатки защиты) неминуемы. Предположение, что огромное пространство Интернета может быть свободно от ошибок, настолько же невероятно, как, то, что программное обеспечение «Ариан 5» было полностью защищено от сбоев и лишь несчастливое стечение обстоятельств привело к таким катастрофическим последствиям.

Мы наблюдали подобные вещи в Windows NT. He проходит и дня без объявления об обнаружении нового просчета в системе безопасности этой программы. Те же тенденции наблюдаются и в Windows 2000.

Переполнения буфера

Переполнения буфера (иногда называемые разрушением стека) являются обычным способом разрушения защиты. Их легко осуществить; атаки достигают своей цели чаще всего именно благодаря буферным переполнениям. Нападения такого рода могут быть разрушительными, часто они заканчиваются получением полного контроля над компьютером. Этот метод использовался во многих выдающихся нападениях. Поскольку уменьшение количества таких атак не наблюдается, стоит детально объяснить, что они собой представляют и как работают.

Давайте начнем с аналогии. Если вы попытаетесь украсть что-нибудь из близлежащего магазина, то вам придется пробираться мимо продавца. Продавец не станет творчески подходить к делу. Скорее всего, он предпримет только те действия, которые предписаны инструкцией. Инструкция служащего – это большой набор протоколов, описывающих различные ситуации. Например: «контакт с лицом, утверждающим, что он служащий».

• Шаг 1. Попросить показать удостоверение.

• Шаг 2. Убедиться, что удостоверение не поддельное.

• Шаг 3. Проверить, что на фотокарточке в удостоверении действительно изображен этот человек.

• Шаг 4. Если это так, впустить его. Если нет, не впускать. Или: «контакт с водителем, привозящим товар»:

• Шаг 1. Взять коробку.

• Шаг 2. Расписаться за коробку.

• Шаг 3. Убедиться, что водитель уезжает.

Водитель не может пройти мимо служащего назад в магазин, потому что в инструкции ясно сказано, что после получения подписанной квитанции водитель должен уехать.

Компьютеры работают почти так же. Программы подобны шагам в инструкции; компьютеры выполняют то, что написано в программах, и ничего больше. Сетевые компьютеры работают аналогично. У них есть набор протоколов, которым они следуют, – эти протоколы описывают процедуру входа в систему, ограничения доступа, защиту паролей, и определяют, кто может быть допущен, а кто нет. Тот, кто действует в соответствии с протоколами, будет пропущен, а кто действует иначе – войти не может.

Один из способов нанести поражение такому протоколу состоит в изменении действующей компьютерной программы. Это подобно замене страницы в инструкции для служащего. Инструкции обычно пишутся для того, чтобы их исполнители не вдавались в размышления. Каждая страница – это шаг: «Если клиент дает вам кредитную карту, смотрите следующую страницу. Если клиент расплачивается наличными деньгами, смотрите страницу 264». Шаги, описывающие контакт с развозчиком товара, могут выглядеть следующим образом.

• Страница 163. Возьмите коробку. Если она одна, смотрите следующую страницу. Если коробок несколько, смотрите страницу 177.

• Страница 164. Возьмите форму для подписи, подпишите и верните ее. Смотрите следующую страницу.

• Страница 165. Спросите водителя, хочет ли он что-нибудь купить. Если он хочет, смотрите страницу 13, если нет, смотрите следующую страницу.

• Страница 166. Попросите водителя уехать. Если он… и т. д.

Всякий раз, когда служащий магазина совершает какое-либо действие, он руководствуется открытой страницей в своей инструкции. Он не может посмотреть на вещи иначе.

Нападение состоит в следующем: притворившись развозчиком, можно поменять страницу в инструкции служащего, когда он будет занят подписью квитанций. Все, что нужно сделать, это дать ему два листа вместо одного. Верхний лист – это квитанция, а нижний – поддельная страница инструкции:

• Страница 165: Отдайте водителю все деньги из кассового аппарата. Смотрите следующую страницу.

Это сработает. Служащий возьмет коробку, как написано на странице 163. Он посмотрит страницу 164 и возьмет квитанцию (вместе с фальшивой страницей). Он положит оба листа на открытую инструкцию, подпишет и вернет квитанцию (оставив фальшивую страницу в инструкции), затем, вернувшись к инструкции, увидит поддельную страницу. Он отдаст все деньги из кассы и увидит следующую страницу (настоящую страницу 165). Шоферу нужно ответить, что он не хочет ничего купить, и уехать. Если служащий магазина на самом деле такой же тупой, как компьютерная система, развозчик сможет уехать с деньгами. Можно использовать этот способ обмана, чтобы убедить служащего магазина пустить нас на склад или чтобы исполнить любой другой замысел. Подложив страницу в инструкцию, можно произвольно поменять его действия.

По сути дела, это способ использовать ошибки переполнения буфера в компьютерных системах. Компьютеры хранят в памяти все программы и данные. Если компьютер запрашивает у пользователя пароль, который должен состоять из 8 символов, и получает пароль из 200 символов, то дополнительные символы могут записаться в какую-то другую область памяти. (Компьютер не может предположить, что происходит что-то неправильное.) Если это подходящая область памяти, и в нее записать нужные символы, то можно изменить команду «запретить подключение» на команду «разрешить доступ» или даже выполнить ваш собственный код.

Червь Морриса является, вероятно, наиболее известным примером использования ошибки переполнения. Он использует переполнение буфера в программе для UNIX, которая должна идентифицировать пользователя по вводимым им данным. К сожалению, в ней не существовало ограничения на размер вводимой информации. Ввод более чем 512 байт приводил к переполнению буфера, и специальный длинный код Морриса позволял установить его мошенническую программу на компьютер, подвергшийся нападению, и выполнить ее. (Эта ошибка, конечно, была исправлена.)

Описание этого червя особенно уместно в данном разделе, поскольку он сам содержит программную ошибку. Он должен был перепрыгивать с компьютера на компьютер в Интернете, копировать сам себя на каждый сервер и затем следовать дальше. Но опечатка в коде привела к тому, что вирус копировался неограниченное число раз на каждом компьютере. Результатом была поломка пораженных компьютеров. Крушение произошло на 6000 серверах Интернета, в то время это составляло 10% от их общего числа.

Умелое программирование способно предотвратить этот род нападений. Программа может сокращать пароль до 8 символов, так что лишние 192 символа никогда не запишутся в память. Сделать это легко, но применить везде – сложно. Проблема состоит в том, что в любой части современного большого и сложного кода есть достаточно мест, где возможно буферное переполнение (которые не столь просто обнаружить, как в этом примере). Очень трудно гарантировать, что нет никаких проблем с переполнением, даже если у вас было время для проверки. Чем больше и сложнее код, тем больше вероятность нападения.

В Windows 2000 содержится 35-60 миллионов строк кода, и никто, кроме самих разработчиков, не видел их.

Вездесущность ошибочного кода

Этот подраздел в основном посвящен Интернету и недостаткам в его безопасности. Это не означает, что в Интернете большее количество недоработок защиты, чем в других сетях. Недостатки Интернета чаще привлекают внимание просто потому, что большинство людей имеют дело с его программным обеспечением и находят там просчеты. Программное обеспечение в других областях киберпространства – в телефонной сети, в банковской электронной сети – точно так же содержит множество ошибок.

По данным Университета Карнеги-Меллона, на 1000 кодовых строк обычно приходится от 5 до 15 ошибок. Большинство этих ошибок не влияет на выполнение программ и никогда не обнаруживается. Но любую из них можно использовать для взлома защиты.

Создается впечатление, что код Интернета быстро улучшается. Недостатки защиты находят постоянно. Некоторые компьютерные журналы еженедельно публикуют сведения об ошибках в почтовых программах, обнаруженных за прошедший период. Создатели этих программ обычно довольно быстро исправляют ошибки, как только те становятся достоянием общественности; но до тех пор большинство из них не будут беспокоиться.

Это, конечно, предполагает, что вы всегда ставите самые последние «заплаты». Обычно вслед за сообщением об уязвимости выпускается заплата. Если вы верите новостям, то история на этом завершится. Но в большинстве случаев заплаты никогда не устанавливаются. Главная проблема Интернета состоит в том, что внесенные исправления не обязательно доходят до пользователей программного обеспечения. «Эпоха Интернета» повлияла и на работу системных администраторов.

Даже при том, что заплаты доступны, прореха остается. По существующим оценкам, более чем 99% всех нападений в Интернете могли быть предотвращены, если бы системные администраторы использовали самые свежие версии системного программного обеспечения. Поэтому сканирующие устройства, определяющие уязвимые места, являются такими подходящими инструментами и для хороших, и для плохих парней.

Даже если предположить, что каждый пользователь всегда работает с последним обновлением какой-либо программы, положение не становится лучше. При выпуске каждой новой версии в ней появляются новые ошибки. Если в версии 1.0 были найдены и исправлены десятки или сотни ошибок защиты, то это ничего не говорит о надежности версии 2.0. Вероятно, версия 2.0 больше и имеет большее количество особенностей; в ней имеются все типы нового кода. Исправления, внесенные в первую версию программы, нельзя перенести во вторую, и, кроме того, там, вероятно, ошибок стало еще больше.

Глава 14

Аппаратные средства безопасности

Это древняя идея. Она начала воплощаться, когда первый человек нарисовал линию, обозначающую вход в его пещеру, объявив тем самым, что с одной стороны этой границы находится его территория, и затем охранял свою пещеру от всех, кто был с этим не согласен. К аппаратным средствам безопасности можно отнести массу различных вещей: компьютерные помещения за запертыми дверями и охраняемые заграждения, помехоустойчивые устройства для платного телевидения, безопасные опознавательные знаки для контроля доступа, смарт-карты для приложений электронной коммерции и мины, которые взрываются, если вы пытаетесь обезвредить их. Реализация идеи создания безопасной территории различна в каждом из этих случаев, но основная мысль такова: намного легче построить систему компьютерной безопасности, если некоторые части системы останутся недоступными для большинства людей. Для этого можно использовать изначально заложенные в устройства физические средства защиты.

И это правда. Легче сконструировать безопасную систему платы за парковку, если вы способны предположить, что мошенники не смогут использовать парковочные счетчики, чтобы набить себе карманы. Легче представить себе охрану библиотеки и предположить, что люди не смогут вынести из здания книги, спрятав их под пальто. И легче создать электронный бумажник, если у вас есть основания считать, что люди не смогут присвоить любое количество денег.

Рассмотрим совершенную безналичную денежную систему: каждый имеет при себе бумагу, на которой написано число, представляющее денежную сумму, которой он располагает. Когда кто-нибудь тратит деньги, он зачеркивает старое и пишет меньшее число. Когда он получает деньги, то поступает наоборот. Если каждый честен, система работает. Как только некто заметит, что он может написать на бумаге любое число, которое захочет, системе придет конец.

Однако это в точности та же самая система, которую до эпохи компьютеризации банки использовали для депозитных счетов. Когда кто-то кладет деньги на депозит, это отражается в банковской книге, хранящейся в специальном помещении банка, другая книга находится в распоряжении клиента[40]. В банковской книге записано число, соответствующее количеству денег, которые данное лицо хранит в банке. Если оно вносит или снимает деньги со счета, банк записывает новую сумму в обеих книгах. Эта система работает потому, что одна из книг находится в охраняемом помещении банка. Она и есть «настоящая» книга; книга, которая у вкладчика, – это только ее копия, выдаваемая для его спокойствия. Если вкладчик подделает запись в своей книге, это приведет к несоответствию с записью в книге, хранящейся в банке. Кассир в банке обнаружит эту неувязку, возможно, проверит другие записи, чтобы удостовериться, что действительно была предпринята попытка мошенничества, и поступит соответственно обстоятельствам. Клиент не может изменить записи в книге, хранящейся в банке, поскольку не вправе проникнуть на охраняемую территорию. (Кассир, конечно, имеет гораздо больше возможностей совершить мошенничество.)

Этот пример показывает, насколько важно создать безопасную территорию: система безопасности не будет работать без нее.

Мы можем построить систему анонимных карточек для оплаты таким же образом. Клиенты носят смарт-карты в своих бумажниках. Смарт-карта содержит в памяти информацию о количестве долларов на счете, точно так же, как банковская книга. Смарт-карты могут взаимодействовать друг с другом через некий терминал пункта продажи. Когда клиент что-нибудь покупает, его смарт-карта вычитает сумму потраченных денег из количества, которое хранилось в памяти, и записывает в память новую, меньшую сумму. Когда торговец продает что-нибудь, его смарт-карта прибавляет стоимость товара к числу, хранящемуся в памяти. Такая операция может осуществляться только одновременно с обеими картами (это легко контролировать с помощью секретных ключей смарт-карт), так что всегда сохраняется баланс. И чтобы воспрепятствовать кому бы то ни было проникнуть внутрь смарт-карты и изменить баланс, карты должны быть защищены от вторжения.

Легко ли это? Безопасная территория находится внутри карты – там хранятся ее секреты, и посторонние не могут их узнать – это сразу отметает множество проблем. Без этого единственный способ заставить подобную систему работать – это использовать нудные процедуры обращения к базам данных.

Чеки работают так же, как в первом примере, о котором я говорил: представим себе, что некто хранит в своем бумажнике документ, в котором представлен баланс на его текущем счете. Он может выписать чеки на любую произвольную сумму: ничто не вынуждает его выписывать чек на сумму меньшую, чем находится на счете. Торговцы часто принимают такие чеки на веру; они не могут знать, действительно ли данная персона имеет на счете сумму, покрывающую этот чек. Но так как здесь нет безопасной территории, которая бы вынуждала людей быть честными, существует сложная межбанковская система проверки чеков. Продавец вносит чек на депозит, но не может получить деньги сразу. Банк продавца использует идентификационную информацию на чеке – номер счета, имя банка и т. д., чтобы выяснить, с какого счета должны быть переведены деньги. Затем он обращается в банк покупателя и требует произвести платеж. Банк покупателя проверяет его личный счет. Он снимает деньги со счета клиента и переводит их в банк продавца. Наконец, деньги поступают на его счет.

Конечно, реальная система проверки чеков работает не совсем так – она оптимизирована для большей скорости и эффективности, – но основная ее идея именно такова. Нельзя рассчитывать, что владельцы счетов не станут выписывать негодные чеки, так что банки вынуждают людей быть честными.

Сопротивление вторжению

Системы защиты от вторжения должны были бы помочь решить множество проблем компьютерной безопасности. Подумайте, насколько легче обеспечить защиту от копирования на вашем компьютере, если на нем находится процессор, снабженный такой системой, понимающей только зашифрованные команды. Или насколько легче было бы сконструировать систему условного депонирования ключей (см. главу 16), если бы аппаратные средства систем защиты от вторжения сигнализировали полиции о необходимости прослушивания. С аппаратными средствами систем защиты можно было бы реализовать в Интернете «счетчик», который фиксировал бы доступ к данным, подобно тому как электрический счетчик фиксирует количество использованной энергии.