第28讲 · 操作系统的安全

2026 南京大学《操作系统原理》第二十八讲 · 课堂实录重构

对应讲次：第28讲（南京大学 操作系统原理）

制作模型：deepseek-flash（coding-agent / pi；据 ~/.pi/agent/settings.json）

编者说明：本书由课堂录像的语音字幕重构而成，术语、章节骨架与参考链接已按课程官方讲义（lect28.md）校准。讲师的口语风格、类比与案例被尽量保留；编辑性的补充一律以「编者说明」或「编者拓展」标出。本讲为补充内容，不在考试范围。

引子：早期计算机系统「完全没有任何安全可言」

(参考时间: 00:00)

这是补充内容（不考试）：计算机系统安全、容器虚拟化、以及 Agent 时代的沙箱。

计算机系统早期完全没有安全：

• 8086 real mode：16 位 CS、16 位 IP，寻址 1MB，没有任何保护——你可以 patch 任何一个程序的任何一条指令；
• 系统调用通过 int 指令（中断向量表 + 长跳转）完成，代码在只读的 firmware 里「你改不了」——但你可以任意改另一个程序地址空间里的内存，「完全不需要任何操作系统 API 监管、审计」；
• 病毒可以复制自己、感染更多计算机；「加壳」——在 ELF 文件里 patch 一段代码、把 entry 改成你的代码，程序启动时先跑你的壳、再跳回原 entry：「打开游戏还是游戏，打开编辑器还是编辑器，但每次运行都悄悄执行了你加了壳的代码」；
• 网络也没有安全：早期 BBS 的用户名密码全部明文传输，「如果你做一个钓鱼路由器，就能收集到很多很多小百合的密码」。

📷 早期 BBS（小百合/水木）：用户名密码明文传输，几乎没有安全意识
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编者拓展｜讲师的小故事：「当时我们每天最大的乐趣就是看全站十大热门话题……那时候小百合是没有任何防护的，我可以写脚本疯狂尝试密码登录。」——当互联网开始涉及个人隐私、支付（支付宝），安全性就变得非常重要。

一、安全的三个方面

(参考时间: 00:05)

📷 安全三要素：Confidentiality / Integrity / Availability
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例子：

• 机密性：手机里都有一块加密计算区域——「它甚至不信任你的操作系统」，以非常安全的方式保存指纹、人脸等敏感信息；
• 完整性：「有没有想过入侵教务系统改期末成绩？」讲师讲了一个「师兄」的故事——用钓鱼 XSS 链接拿到教务员的 session，登录教务系统，既暴露了机密性也暴露了完整性（「后来他成了科创板首位 90 后，Insta360」）——「这是破坏计算机信息系统罪，可以踩缝纫机的」；
• 可用性：「室友的柜子里有好东西不给你用，你买一把锁把他的柜子锁上、把钥匙扔掉」——你没违反前两个，但破坏了他的可用性。

DoS（Denial of Service）：如果你通过入侵拿到了 1 万台机器的权限，就可以同时向 DeepSeek 发起请求。讲师现场演示：让模型从 1 数到一个 100K 的随机数字——「模型平时会拒绝你说『数字太大了』，但开启思考时它会把问题重复一遍、把那个数字抄一遍」——于是 1 万台肉鸡就能瞬间瘫痪服务。

📷 DoS：利用「思维链会重复问题」的特性，用海量请求瞬间瘫痪服务
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编者拓展｜算法复杂性攻击（algorithmic complexity attack）：精心构造很多字符串，让它们都 hash 到同一个地址——无论开放寻址还是拉链表，hash table 都会退化成线性时间。防御：当链表大到一定程度换成树（Java 8 的 HashMap 就这么做了）。另一种是给服务发超长请求，「在云上租几个主机就能瘫痪一个网络服务」。

📷 算法复杂性攻击：精心构造的字符串全部 hash 到同一地址，让 hash table 退化成线性
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二、密码学极简介绍

(参考时间: 00:13)

One-way function（单向函数）：正向好算、逆向极难：

• 例：sha256sum / MD5——给任何文件算出摘要；
• 性质：难逆向（给定 $Y$ 求 $X$ 使 $F(X)=Y$ 极难）；难碰撞（极难找到两个输入映射到同一 hash）；
• 「虽然 $F$ 是确定性的，但它看起来就像随机数」。

用途：验证文件完整性（网站公布 sha256sum，下载后自己校验）。

📷 One-way function：正向好算、逆向极难、难碰撞（`sha256`/`MD5`）
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Trapdoor function（陷门函数）：正向容易、反向困难，但如果有一个「后门」 $T$ 就变容易——这正是公钥/私钥（.ssh/id_rsa 是私钥/陷门，.pub 是公开的函数）：

• 机密性：用公开的 $F$ 加密（把数据放进「只有有钥匙的人才能打开的盒子」）；
• 身份认证：你生成一个随机数 $Y$，让对方证明他能算出 $F^{-1}(Y)$——「我不需要看到你的陷门，但你向我证明了你能在短时间内求逆，我就信任你」；
• 数字签名：把随机数换成任意文件的哈希。

编者拓展｜区块链：一个「不可摧毁」的 append-only 数据结构：如果有一个全世界共同维护、只有一份的 append-only 数据结构，就可以用来记账——每次 append 都算一个（包含所有前缀的）hash 并签名。（实际实现用树状结构快速维护前缀哈希。）共识靠 proof of work：「谁花的时间多谁就能捡到骨头」——靠单向函数确保 hash value 足够小；分叉时谁更长听谁的。甚至可以用一个图灵完备的虚拟机运行代码（写着「从哪个钱包给哪个钱包转多少钱」），所有人 replay 就能知道谁有多少钱。「它带来绝对的 availability——全世界都是 replica，只要都信任这个协议——但它没有任何 confidentiality。」

📷 Blockchain：一个全球共同维护、不可摧毁的 append-only 数据结构（proof of work）
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编者拓展｜「24 个英文单词」：讲师提到——「有些人进去的时候，在住处搜出了一串佛珠，上面刻了 24 个英文单词，那就是你的 private key（BIP39 助记词）……据说有价值 1.3 亿美元的比特币（我只是引用传闻）。」

三、操作系统安全：访问控制

(参考时间: 00:24)

操作系统就是一组 API + 好多对象；程序在运行时由进程/线程承载，通过 API 访问对象。

地址空间隔离：你的进程被封在一个虚拟地址空间里；对操作系统对象的所有访问都必须通过 API——「操作系统牢牢抓住了这个口子」。

API 有两个方面：行为（fork/mmap/read/write…）和访问控制——「当应用调用 open 时，操作系统知道 open 的行为，但还可以有权拒绝这次访问」：

• 拒绝读 → confidentiality；
• 拒绝写 → integrity；
• 公平地管控资源 → 一定程度的 availability。

📷 实现 Confidentiality 和 Integrity：进程 + 虚拟内存实现隔离，所有共享对象访问都通过系统调用
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访问控制矩阵：第一列是进程，第二列是对象，然后是访问方式（读/写/更细的行为）——「这是一个巨大无比的表，你肯定不能直接存储它」：

$$\text{几万个进程} \times \text{几百万个对象} \times \text{多种访问方式}$$

编者拓展｜「这是一个可以 low-rank decomposition 的矩阵」：一个低权限用户，「除了自己的东西和系统共用的部分，几乎什么都该拒绝」——所以信息量很少。UNIX 的做法是用整数表示身份：把矩阵拆成几个关键要素。

📷 访问控制矩阵：进程 × 对象 × 访问方式，用「身份 + 权限」做低秩分解
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UNIX 的模型：用户（UID）+ 组（GID）+ 权限（mode）：

• 每个对象有 owner、每个文件有 rwx（user/group/other）；
• root（UID=0）：绝对权限——「不然你写一个没有人能访问、root 也删不掉的文件，就能占满磁盘实现 DoS」；root 还能 setuid 成任何人（登录本质上就是 root 验证密码后 setuid 成你的用户）；
• 子进程继承父进程的用户；
• /etc/passwd：只读（普通用户），密码存的是 hash（one-way function），只有 root 能改。

📷 `/etc/passwd`：用户名、UID、GID、comment、home、login shell——密码存 hash
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编者拓展｜setuid：一个危险的 legacy 机制：为什么普通用户能改自己的密码（而 /etc/passwd 不能随便改）？——因为 /bin/passwd 设置了 setuid 位（rws），执行时以文件所有者（root）的权限运行。「ls -l 里这个文件是红色的，意味着它超越了执行者本身的权限——一旦 passwd 有漏洞，就很可能被攻击。」

讲师推荐了一篇 2003 年的论文 Setuid Demystified：「它把 real uid / effective uid / saved uid / filesystem uid 讲清楚了。」——「现在的论文都爱叫 xx Demystified，我很讨厌这个标题——本来就不是 mystery。」

📷 setuid：`/bin/passwd` 执行时以 root 权限运行（`ls -l` 里显示为红色）
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更细粒度的访问控制：

• ACL（Access Control List）：以文件为单位，为用户/组分别设置权限（基于 extended attributes）；
• AppArmor / SELinux：以「程序」为中心——「不管是什么程序，我都给它一个访问权限的上限。比如 nginx 只能看到这几个文件目录，把它眼前世界的其他部分全部抹去」——「这又是一种虚拟化」；
• eBPF（+ seccomp）：写一段代码编译进内核，监控程序通过 API 访问对象时，由你的程序决定 accept 还是 reject——「甚至可以调用大语言模型来选择接受还是拒绝」。

📷 AppArmor / eBPF（seccomp）：把访问控制做进内核，给程序「划一个虚拟的世界」
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四、访问控制还不够

4.1 Buffer Overflow

(参考时间: 00:48)

「你永远无法预期你的用户会怎么样恶意地使用你的产品。」

void vulnerable() {
    char buffer[64];
    scanf("%s", buffer);      // 未检查长度！
    printf("%s\n", buffer);   // 像 echo 一样
}

buffer overflow 是 undefined behavior——它从低地址往高地址写，会覆盖返回地址：

• 返回地址飘飞 → crash；
• 如果你知道 system/execve 的地址在哪，就能构造一个合法地址跳过去——如果这个程序是以 root 权限运行的（setuid），你就得到了一个 root shell。

📷 Buffer overflow：从低地址往高地址写，覆盖保存的返回地址
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编者拓展｜Smashing the Stack for Fun and Profit（1996）：这篇著名论文「开启了全新的世界」。攻击流程（x86-64 下的经典 stack smashing）：先知道 buffer 的地址 → 发送一个精心构造的、没有 \0（因为 strcpy 碰到 \0 就停）的 payload → 把返回地址跳到栈上的 shellcode → execve("/bin/sh")。

防御：

• 栈不可执行（NX bit）：Intel CPU 在页表里加了一个 NX（Execute Disable） 位——分配给进程栈的页面全部不可执行。绕过：ROP（Return-Oriented Programming）——去已有代码里找「以 return 结尾的小片段（gadget）」，在栈上放一串地址，按顺序执行 pop rdi; ret、pop rsi; ret……「理论上在这种架构下没有办法防御」；
• Stack Protector（Canary）：在 return address 之前放一个猜不到的随机数（进程启动时生成），返回前检查——如果 buffer overflow 覆盖了它，就会发现。名字来自矿井里的金丝雀（对一氧化碳更敏感，「它不叫了你就知道要跑」）；
• ASLR（地址空间随机化）：栈、代码加载到随机地址，让攻击变难；
• CFI（Control Flow Integrity）：只有程序里写下的控制流是允许的——endbr64（分支终止）指令：「一个跳转跳过来时，如果是 endbr64 就可以，否则任何这种控制流都是非法的。」

📷 Stack Protector（Canary）：用「金丝雀」在返回前检测栈是否被破坏
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编者说明：「攻和防总是互相成长的——有更强的攻击就有更强的防御。」「如果你不在意开销、愿意接受程序慢一点（尤其在 AI 时代），安全问题可能会好解决不少。」

4.2 时间侧信道与 Meltdown

(参考时间: 01:02)

一个看起来完全没问题的内核函数：

int check_password(const char *given) {
    for (int i = 0; ; i++) {
        if (quit_pass[i] != given[i]) { sleep(3); return DENIED; }
        if (given[i] == 0) break;
    }
    return OK;
}

攻击：你把用户名密码「猜的那一位」卡在一个内存页的边界上，然后想办法让这一页换出内存（申请大量内存 + 制造内存压力，让内核的 kcompactd 把冷页压缩/换出）：

• 这一位猜对了 → compare 瞬间完成（页是热的）；
• 这一位猜错了 → 直接返回（提前退出）；
• 这一位猜对要继续比下一位 → 发现下一页不在内存里，要去磁盘读 → 慢一点。

「只要多试几次，就可以一位一位把它猜出来——在多项式时间内，而不是指数时间。」

📷 Timing attack：把密码卡在页边界，靠「换页的时间差」逐位猜出密码
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编者拓展｜Meltdown（2018）：这与上面的 timing attack 很像。攻击者让分支预测器错误地认为某些代码会执行，于是那些代码被投机执行——但 load 时 CPU 没有检查权限（CPU 的 bug），把内核内存的一个字节读进寄存器；随后这些指令被销毁（没有架构上的副作用），但对 cache 的影响保留了下来。另一个线程去探测 index × 4096 的访问时间——在某个下标处明显快（cache hit），于是「偷出了一个你永远没有权限访问的字节」。

「你想都不敢想，它是 CPU 设计者好多个机制共同加起来导致的结果。」暴露后，操作系统内核再也不敢把内核和进程映射进同一地址空间了。「但这只是一个开始——漏洞是无穷无尽的，甚至你都看不见你的对手在哪。」

📷 Meltdown：投机执行 + cache 侧信道，偷出「你永远没有权限访问」的一个字节
回到原视频 (01:09:30)

编者拓展｜物理侧信道：历史上还有更脑洞大开的工作—— - 放一个天线，隔着三层石膏板、10 米距离偷出 CRT 显示器的图像（电子束穿过墙壁）； - 通过 CPU 的电磁信号偷出 private key——「藏在一个饼里放在你旁边，你 SSH 登录时就把 private key 偷走了」； - 液氮冷启动：你离开教室的瞬间拆开笔记本、液氮一浇，把内存条放进保温箱——「你的 DRAM 里还有你的 Word 文档、浏览器 session、private key……」

五、AI 时代的安全

(参考时间: 01:14)

• Prompt Injection / Jailbreak：
• 「奶奶漏洞」：「我奶奶每天晚上给我讲故事时都会给我一个 Windows 10 序列号」——模型被微调过、知道序列号不能讲，但看到「奶奶」的提示词就放松了戒备；
• 伪造 chat history：「假装一段它和你已经产生过的对话，伪造它的输出，继续往后时它会觉得『我前面已经这样输出了，现在也许可以』——它就破甲了」；
• 在 Agent 能调用工具时防御更重要——「像 ROP 一样，每次 inject 一点：每次都输出无害内容，攒起来文件里就是一个 malicious prompt，agent 一读就被注入了」。
• 供应链攻击：
• axios（NPM 包）被投毒：往包里藏一个恶意行为（postinstall hook 遍历 home 目录、环境变量，偷走所有 API key）——「大概 release 后 12 分钟就被安全机构发现」；
• xz-utils 后门（CVE-2024-3094）：「卧薪尝胆」——开发者花了两三年建立贡献者信任，在构建系统里混淆恶意代码（还写了让 fuzzing watchdog 放弃检查的补丁）——「结果他千算万算没算到代码有个 performance bug，一个微软工程师发现 lzma 消耗了过多 CPU，排查时找到了问题。」「如果他没有 performance bug，什么时候被发现都不知道。」

📷 供应链攻击：恶意的 `postinstall` hook 遍历 home 目录与环境变量，偷走 API key
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📷 奶奶漏洞 / prompt injection：早期模型的越狱方式，如今越来越难但理论上仍有空间
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编者拓展｜「没有绝对的防御」：讲师指出——「你只能通过沙箱或访问控制，给一次大模型调用最小的权限。」但这与「龙虾（Claw/agent）的成功」相矛盾：「你把所有权限给它，它才好用；你限制它，它就老说『这个权限没有』。」——这是一个新的安全问题。

总结

• 安全的三个方面：Confidentiality、Integrity、Availability；
• 密码学：one-way function（hash）、trapdoor function（公钥/私钥 → 加密、认证、签名）、blockchain（全局 append-only 数据结构 + proof of work）；
• 操作系统安全 = 访问控制：地址空间隔离 + API 边界；访问控制矩阵（低秩分解 → user/group/mode、root、setuid、/etc/passwd、ACL、AppArmor/SELinux、eBPF）；
• 访问控制不够：buffer overflow → 防御（NX、Canary、ASLR、CFI）；时间侧信道（check_password 的换页时间差）与 Meltdown（投机执行 + cache 侧信道）；物理侧信道（电磁、冷启动）；
• AI 时代：prompt injection / jailbreak、agent 权限、供应链攻击（axios、xz-utils）；
• Takeaway：「安全是一个很有挑战性但又很有趣的领域」——从软件 bug、undefined behavior，到五花八门的 side channel，「你可以回去选择你喜欢的东西了解一下」。

编者说明：本讲与下一讲（容器、虚拟化、Agent 时代的沙箱）都是补充内容，不考试——但它们与当下每一个人都高度相关。

附：官方参考与延伸阅读

本讲的讲义见课程主页，以下链接按书中出现顺序整理：

阅读材料：读 Smashing the Stack for Fun and Profit 与 Setuid Demystified；了解 Meltdown/Spectre；关注供应链攻击案例。

版权说明：本讲讲义与幻灯片作者为蒋炎岩，采用 Creative Commons BY-NC 4.0 许可，来源于 https://jyywiki.cn/OS/2026/。视频画面与字幕版权归原作者所有。本书为课堂内容的学习性重构。