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文件系统权限机制下的访问控制方式

2021-07-235.8k 阅读

文件系统权限机制概述

文件系统权限机制是操作系统中保障数据安全与控制访问的关键部分。它定义了不同用户或用户组对文件和目录的访问级别，决定了谁能读取、写入、执行文件，以及对目录进行浏览、创建或删除子项等操作。

在大多数现代操作系统中，文件系统权限基于用户身份和用户组来管理。每个文件和目录都关联一组权限设置，这些设置描述了拥有者、所属组以及其他用户（非拥有者且非所属组内成员）的访问权限。例如，在 Unix - like 系统（如 Linux 和 macOS）中，文件权限以一种简洁而强大的方式表示，每个文件有 9 位权限位，分别对应文件拥有者、所属组和其他用户的读（r）、写（w）、执行（x）权限。以 rwxr - xr - x 为例，前三位 rwx 表示文件拥有者有读、写和执行权限；中间三位 r - x 表示所属组用户有读和执行权限；最后三位 r - x 表示其他用户有读和执行权限。

在 Windows 系统中，虽然权限表示方式不同，但基本概念相似。文件和目录的权限通过访问控制列表（ACL）来管理，ACL 包含一系列访问控制项（ACE），每个 ACE 定义了特定用户或用户组的访问权限，如完全控制、读取、写入、修改等。

基于身份的访问控制方式

用户和用户组

  1. 用户：操作系统中的用户是访问系统资源的主体。每个用户都有唯一的标识符（UID，在 Unix - like 系统中）或安全标识符（SID，在 Windows 系统中）。用户通过登录系统来验证身份，并基于其身份获取对文件系统资源的访问权限。例如，在 Linux 系统中，超级用户（root）具有最高权限，UID 为 0，可以对系统中的任何文件和目录进行操作。普通用户则根据其权限设置受限访问。
  2. 用户组：用户组是将多个用户集合在一起的逻辑概念。通过将用户分配到不同的用户组，可以更方便地管理权限。例如，在一个开发项目中，所有开发人员可以属于一个名为 “developers” 的用户组，该组对项目相关的文件和目录具有特定的访问权限，如读写权限，而其他用户组可能只有只读权限。在 Unix - like 系统中，每个文件和目录都属于一个特定的用户组，通过修改文件或目录的所属组，可以控制不同组用户的访问。

权限分配与继承

  1. 权限分配：在 Unix - like 系统中，可以使用 chmod 命令来改变文件或目录的权限。例如，要将文件 test.txt 的权限设置为拥有者可读写执行，所属组可读写，其他用户只读，可以执行命令 chmod 764 test.txt。在 Windows 系统中，可以通过文件属性中的安全选项卡来设置用户和用户组的权限，通过添加或删除用户/组，并为其分配相应的权限。
  2. 权限继承：在目录结构中，权限继承是一个重要特性。在 Unix - like 系统中，默认情况下，新创建的文件和子目录会继承其父目录的权限。例如，在一个权限为 rwxr - xr - x 的目录下创建新文件，新文件的权限可能为 rw - r - - r - -，这是因为文件默认没有执行权限，但继承了父目录的拥有者读写、所属组读和其他用户读的权限。在 Windows 系统中，目录权限也可以设置为继承，新创建的文件和子目录会自动获取父目录的权限设置，除非明确覆盖这些设置。

访问控制列表（ACL）

ACL 原理

访问控制列表是一种更为灵活的访问控制方式，它扩展了传统的基于用户和用户组的权限模型。ACL 为文件和目录定义了一个详细的访问控制列表，其中包含多个访问控制项（ACE）。每个 ACE 针对特定的用户或用户组，定义了其对该文件或目录的具体访问权限。与传统的 Unix - like 系统的 9 位权限模型相比，ACL 可以提供更细粒度的控制。例如，在传统模型中，只能为所属组设置统一的权限，但通过 ACL，可以为组内不同用户设置不同的权限。

Unix - like 系统中的 ACL

在一些 Unix - like 系统（如 Linux 的 ext4 文件系统）中，支持 ACL 扩展。要使用 ACL，首先需要确保文件系统已挂载并支持 ACL，通常可以通过在 /etc/fstab 文件中添加 acl 选项来实现。例如，对于 /dev/sda1 分区挂载到 /home，可以在 /etc/fstab 中添加一行：/dev/sda1 /home ext4 defaults,acl 0 0。

一旦文件系统支持 ACL，可以使用 setfacl 命令来设置 ACL。例如，要为用户 user1 对文件 test.txt 添加读权限，可以执行 setfacl - m u:user1:r test.txt。要查看文件的 ACL，可以使用 getfacl 命令，如 getfacl test.txt，它会输出类似如下内容：

# file: test.txt
# owner: root
# group: root
user::rw -
user:user1:r - -
group::r - -
mask::r - -
other::r - -

这里可以看到为用户 user1 单独设置的读权限。

Windows 系统中的 ACL

在 Windows 系统中，ACL 是管理文件和目录权限的核心机制。通过文件属性的安全选项卡，可以直观地管理 ACL。每个文件和目录都有一个默认的 ACL，包含系统定义的 ACE，如管理员组（Administrators）的完全控制权限，以及创建者所有者（Creator Owner）的特定权限。

要通过编程方式操作 Windows ACL，可以使用 Windows API 函数，如 SetSecurityInfo 函数。以下是一个简单的 C++ 示例，展示如何为文件添加用户的读权限：

#include <windows.h>
#include <aclapi.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    PSECURITY_DESCRIPTOR pSD;
    PACL pACL;
    EXPLICIT_ACCESS ea;
    SID_IDENTIFIER_AUTHORITY SIDAuthNT = SECURITY_NT_AUTHORITY;
    PSID pSID;

    // 创建用户 SID
    if (!AllocateAndInitializeSid(
        &SIDAuthNT,
        1,
        SECURITY_BUILTIN_DOMAIN_RID,
        DOMAIN_ALIAS_RID_USERS,
        0, 0, 0, 0, 0, 0,
        &pSID)) {
        printf("AllocateAndInitializeSid 失败\n");
        return 1;
    }

    // 初始化访问控制项
    ZeroMemory(&ea, sizeof(EXPLICIT_ACCESS));
    ea.grfAccessPermissions = GENERIC_READ;
    ea.grfAccessMode = SET_ACCESS;
    ea.grfInheritance = NO_INHERITANCE;
    ea.Trustee.TrusteeForm = TRUSTEE_IS_SID;
    ea.Trustee.TrusteeType = TRUSTEE_IS_USER;
    ea.Trustee.ptstrName = (LPTSTR)pSID;

    // 创建新的 ACL
    if (SetEntriesInAcl(1, &ea, NULL, &pACL) != ERROR_SUCCESS) {
        printf("SetEntriesInAcl 失败\n");
        FreeSid(pSID);
        return 1;
    }

    // 创建安全描述符
    if (!InitializeSecurityDescriptor(&pSD, SECURITY_DESCRIPTOR_REVISION)) {
        printf("InitializeSecurityDescriptor 失败\n");
        LocalFree(pACL);
        FreeSid(pSID);
        return 1;
    }

    // 设置 ACL 到安全描述符
    if (!SetSecurityDescriptorDacl(&pSD, TRUE, pACL, FALSE)) {
        printf("SetSecurityDescriptorDacl 失败\n");
        LocalFree(pACL);
        FreeSid(pSID);
        return 1;
    }

    // 设置文件的安全描述符
    if (SetSecurityInfo(
        (PSECURITY_DESCRIPTOR)L"test.txt",
        SE_FILE_OBJECT,
        DACL_SECURITY_INFORMATION,
        NULL,
        NULL,
        pACL,
        NULL) != ERROR_SUCCESS) {
        printf("SetSecurityInfo 失败\n");
    }

    // 清理资源
    LocalFree(pACL);
    FreeSid(pSID);
    return 0;
}

这个示例代码通过 Windows API 为文件 test.txt 添加了用户组 “Users” 成员的读权限。

基于角色的访问控制（RBAC）

RBAC 概念

基于角色的访问控制是一种在大型组织和复杂系统中广泛应用的访问控制模型。与基于身份的访问控制不同，RBAC 不是直接将权限分配给用户，而是将权限分配给角色，然后将用户与角色关联。角色是根据组织内的工作职责或职能定义的，例如 “经理”、“开发人员”、“财务人员” 等。通过这种方式，可以大大简化权限管理，因为只需要针对角色进行权限分配，而不是针对每个用户。

在文件系统中的应用

在文件系统环境中，RBAC 可以用于实现更高效的权限管理。例如，在一个企业的文件服务器上，不同部门的文件可能需要不同的访问权限。可以定义 “销售部门”、“技术部门” 等角色，并为每个角色分配相应的文件和目录访问权限。销售部门的角色可能对销售相关的文档有读写权限，而技术部门的角色对技术资料有特定的权限。

要在操作系统文件系统中实现 RBAC，通常需要借助额外的软件或系统扩展。一些企业级操作系统或文件管理系统提供了 RBAC 支持。例如，一些网络附加存储（NAS）设备可以基于 RBAC 模型管理用户对共享文件夹的访问权限。管理员可以创建角色，如 “HR - Staff”、“IT - Support”，并为这些角色分配对特定文件夹的读、写、执行等权限。然后，将用户分配到相应的角色，用户就自动获得该角色所拥有的权限。

优势与挑战

  1. 优势：RBAC 的主要优势在于其简化了权限管理。在大型组织中，用户数量众多且工作职责不断变化，如果采用传统的基于身份的访问控制，权限管理将变得极为复杂。而 RBAC 通过角色抽象，只需要对角色进行权限调整，与该角色关联的所有用户权限会自动更新。此外，RBAC 符合组织的层级结构和职责划分，使得权限分配更符合业务逻辑。
  2. 挑战：实现 RBAC 需要对系统进行一定的改造和配置，尤其是在现有的基于身份的访问控制基础上。此外，准确地定义角色和分配权限需要对组织的业务流程有深入理解，否则可能导致权限分配不合理，影响工作效率或安全。同时，随着组织的发展和业务变化，角色和权限的维护也需要不断调整。

强制访问控制（MAC）

MAC 原理

强制访问控制是一种由操作系统强制实施的访问控制策略。与基于身份或角色的访问控制（它们属于自主访问控制，DAC）不同，MAC 基于系统定义的安全标签来控制访问。每个文件和目录都被分配一个安全标签，代表其安全级别，如 “绝密”、“机密”、“公开” 等。每个用户也被分配一个安全级别。只有当用户的安全级别等于或高于文件的安全级别时，用户才能访问该文件。

在操作系统中的实现

在一些操作系统中，如 SELinux（Security - Enhanced Linux），MAC 是其核心安全特性之一。SELinux 为系统中的每个进程、文件和目录分配安全上下文（类似于安全标签）。安全上下文包含多个部分，如用户标识、角色、类型等。例如，一个系统服务进程可能具有 system_u:system_r:httpd_t:s0 的安全上下文，其中 system_u 是用户标识，system_r 是角色，httpd_t 是类型，s0 是敏感度级别。

文件也有类似的安全上下文，如 /var/www/html/index.html 文件可能具有 system_u:object_r:httpd_sys_content_t:s0 的安全上下文。当一个进程尝试访问文件时，SELinux 会根据两者的安全上下文进行访问决策。如果进程的安全上下文允许访问该文件的安全上下文所代表的资源，访问被允许；否则，访问被拒绝。

特点与应用场景

  1. 特点：MAC 具有高度的安全性和强制性，它不依赖于用户的自主决策来控制访问，而是由系统强制实施。这使得 MAC 能够有效防止内部人员的误操作或恶意访问，因为即使是具有较高权限的用户，如果其安全级别不够，也无法访问高安全级别的文件。
  2. 应用场景：MAC 适用于对安全性要求极高的环境，如军事、政府机密部门等。在这些场景中，数据的保密性和完整性至关重要，任何未经授权的访问都可能导致严重后果。例如，在军事指挥系统中，不同级别的军事命令文件具有不同的安全级别，只有相应级别的指挥官才能访问和执行相关命令。

不同访问控制方式的比较与结合

比较

  1. 基于身份的访问控制：简单直接，易于理解和实现，适用于小型系统或对权限管理要求不高的场景。它基于用户和用户组来分配权限，能够满足基本的访问控制需求。但在大型组织中，随着用户数量的增加，权限管理会变得复杂，尤其是当用户的工作职责发生变化时，需要频繁调整权限。
  2. 访问控制列表（ACL）：提供了更细粒度的访问控制，在传统的用户和用户组权限基础上进行了扩展。可以为每个用户或用户组单独定义权限，适合对权限要求较为灵活的场景。然而，ACL 的管理也相对复杂，尤其是在大型文件系统中，大量的 ACE 可能导致性能问题和管理困难。
  3. 基于角色的访问控制（RBAC）：适用于大型组织和复杂系统，通过角色抽象简化了权限管理。它符合组织的业务逻辑和层级结构，使得权限分配更易于维护和管理。但 RBAC 的实现需要对组织的业务有深入了解，且在小型系统中可能显得过于复杂。
  4. 强制访问控制（MAC）：具有最高的安全性和强制性，适用于对数据保密性和完整性要求极高的场景。但 MAC 的配置和管理较为复杂，对系统性能也可能有一定影响，且缺乏灵活性，不太适合一般商业或民用场景。

结合使用

在实际应用中，通常会结合多种访问控制方式来满足不同的安全需求。例如，在一个企业网络中，可以以基于角色的访问控制（RBAC）为基础，为不同部门的员工分配角色，并赋予相应的文件系统访问权限。然后，对于一些关键文件或目录，可以使用访问控制列表（ACL）进行更细粒度的权限调整，例如为特定用户或用户组设置额外的权限。对于涉及公司机密的文件，可以引入强制访问控制（MAC）机制，确保只有特定安全级别的用户能够访问。

通过这种多层次、多方式的访问控制结合，可以在保障系统安全的同时，提高权限管理的灵活性和效率，满足不同场景下的安全需求。例如，在一个金融机构中，普通员工的日常工作文件可以通过 RBAC 进行权限管理，而涉及客户敏感信息的文件，除了通过 RBAC 分配给特定角色访问外，还可以使用 MAC 机制确保只有高级别安全权限的人员能够访问，同时使用 ACL 对个别特殊情况进行微调。

影响访问控制的其他因素

文件系统类型

不同的文件系统类型对访问控制的支持和实现方式有所不同。例如，在 Unix - like 系统中广泛使用的 ext4 文件系统，它不仅支持传统的 9 位权限模型，还可以通过扩展支持 ACL。而 Windows 的 NTFS 文件系统则主要依赖访问控制列表（ACL）来管理权限。此外，一些网络文件系统，如 NFS（Network File System）和 CIFS（Common Internet File System），在实现访问控制时需要考虑网络环境和跨平台兼容性。

NFS 在访问控制方面，早期版本主要依赖客户端的 UID 和 GID 映射来实现权限控制，这在不同系统 UID 和 GID 不一致时可能导致权限问题。现代 NFS 版本支持更复杂的安全机制，如 Kerberos 认证和基于 ACL 的访问控制，以提高安全性和跨平台兼容性。CIFS 则基于 Windows 的 ACL 模型，在跨平台环境中，需要确保不同操作系统对 CIFS 权限的正确理解和支持。

操作系统内核

操作系统内核在实现文件系统访问控制中起着关键作用。内核负责检查用户或进程的权限，并根据权限设置决定是否允许访问文件或目录。在 Unix - like 系统中，内核通过系统调用接口（如 open、read、write 等）来实现对文件系统的访问控制。当一个进程调用这些系统调用时，内核会检查进程的 UID、GID 以及文件的权限设置，以决定是否允许操作。

在 Windows 系统中，内核同样负责验证用户的访问令牌（包含用户的 SID 和权限信息），并根据文件的 ACL 来决定访问是否允许。操作系统内核的安全性和稳定性直接影响文件系统访问控制的有效性。例如，内核中的漏洞可能导致权限绕过，使得恶意用户能够访问受限文件。因此，操作系统内核的不断更新和安全加固对于保障文件系统访问控制至关重要。

网络环境

在网络环境下，文件系统访问控制面临新的挑战和需求。当文件通过网络共享时，需要确保网络传输过程中的安全性以及远程用户的访问权限得到正确验证。例如，在企业内部网络中，员工可能通过网络访问共享文件服务器上的文件。此时，不仅要考虑文件服务器本身的访问控制机制，还要考虑网络传输过程中的加密和认证。

对于远程访问，VPN（Virtual Private Network）和远程桌面协议（RDP）等技术可以用于建立安全的连接。同时，网络防火墙也可以配置规则，限制特定网络地址或用户对文件共享服务的访问。此外，在云计算环境中，多租户的情况下，需要确保不同租户之间的文件系统访问相互隔离，通过合理的访问控制策略和技术手段，如虚拟网络隔离和基于角色的访问控制，来保障数据安全。

应用程序交互

应用程序与文件系统的交互也会影响访问控制。一些应用程序可能需要特定的权限来访问文件或目录，以完成其功能。例如，文本编辑器需要读取和写入文件的权限，而数据库管理系统可能需要对数据文件有更复杂的权限设置，如读写和执行特定操作的权限。

应用程序在设计时应遵循最小权限原则，即只请求其正常运行所需的最小权限集。否则，可能会带来安全风险。例如，如果一个普通的图像查看应用程序请求了对整个系统文件的完全控制权限，一旦该应用程序被恶意利用，攻击者就可以通过它访问和修改系统的关键文件。此外，应用程序在访问文件系统时，也应遵循操作系统的访问控制机制，确保权限的合法性和合规性。

访问控制的安全性与管理

安全性

  1. 权限最小化原则：这是访问控制的核心安全原则之一。在分配权限时，应只给予用户或进程完成其任务所需的最小权限。例如，一个普通用户只需要读取某些配置文件，那么就不应给予其写入权限。这样可以限制潜在的安全风险，即使某个用户的账号被攻破，攻击者也只能利用有限的权限进行操作。
  2. 定期权限审查：随着用户工作职责的变化和系统的发展，用户的权限可能需要调整。定期进行权限审查可以确保用户的权限仍然与其工作需求匹配。例如，员工离职或岗位变动后，应及时撤销或调整其对文件系统的访问权限，防止权限滥用。
  3. 防止权限提升攻击：攻击者可能试图通过各种手段提升自己的权限，以获取对敏感文件的访问。操作系统和文件系统应采取措施防止此类攻击，如内核漏洞修复、安全配置加固等。例如，限制系统调用的权限，防止恶意进程通过非法系统调用获取更高权限。

管理

  1. 集中式权限管理：在大型组织中，采用集中式权限管理系统可以提高管理效率。通过一个统一的管理平台，可以对所有用户的权限进行集中配置和管理，避免权限管理的分散和不一致。例如，企业可以使用活动目录（Active Directory）在 Windows 环境中实现集中式权限管理，对域内所有用户和计算机的文件系统访问权限进行统一管理。
  2. 自动化权限管理：借助自动化工具可以简化权限管理流程，减少人为错误。例如，通过编写脚本或使用自动化管理软件，可以根据用户的入职、离职、岗位变动等事件自动调整其文件系统权限。在云计算环境中，云服务提供商通常提供自动化的权限管理功能，方便用户对云存储中的文件和目录进行权限管理。
  3. 日志与审计：启用文件系统访问的日志记录，并进行定期审计，可以发现潜在的权限滥用和安全问题。日志可以记录用户对文件和目录的访问操作，如读取、写入、删除等。通过审计日志，管理员可以追踪异常行为，如频繁尝试访问敏感文件或非授权的文件修改操作。例如，在企业合规性要求较高的场景中，审计日志是证明系统操作合规性的重要依据。

通过综合考虑安全性和管理方面的因素，可以构建一个高效、安全的文件系统访问控制体系，保障数据的安全性和完整性，同时满足组织的业务需求。在实际应用中，需要根据不同的场景和需求，灵活选择和组合各种访问控制方式，并不断优化管理策略，以适应不断变化的安全环境。