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Seguridad y protección en computación

Enviado por fduenas_



Indice
1. Introducción
2. Casos famosos

4. Principios básicos para la seguridad
5. Mecanismos de autorización
6. Dominios de protección
7. Matriz de acceso
8. Listas de acceso
9. Mecanismos de autentificación
10. Identificación física
11. Criptografía

1. Introducción

Vamos a hacer una distinción entre seguridad y protección. El problema de la seguridad consiste en lograr que los recursos de un sistema sean, bajo toda circunstancia, utilizados para los fines previstos. Para eso se utilizan mecanismos de protección.

Los sistemas operativos proveen algunos mecanismos de protección para poder implementar políticas de seguridad. Las políticas definen qué hay que hacer (qué datos y recursos deben protegerse de quién; es un problema de administración), y los mecanismos determinan cómo hay que hacerlo. Esta separación es importante en términos de flexibilidad, puesto que las políticas pueden variar en el tiempo y de una organización a otra. Los mismos mecanismos, si son flexibles, pueden usarse para implementar distintas políticas.

Los mecanismos que ofrece el sistema operativo necesariamente deben complementarse con otros de carácter externo. Por ejemplo, impedir el acceso físico de personas no autorizadas a los sistemas es un mecanismo de protección cuya implementación no tiene nada que ver con el sistema operativo.

Un aspecto importante de la seguridad es el de impedir la pérdida de información, la cual puede producirse por diversas causas: fenómenos naturales, guerras, errores de hardware o de software, o errores humanos. La solución es una sola: mantener la información respaldada, de preferencia en un lugar lejano.

Otro aspecto importante de la seguridad, es el que tiene que ver con el uso no autorizado de los recursos:

Aquí el sistema operativo juega un rol fundamental, ofreciendo mecanismos de autorización y autentificación.

Protección absoluta contra uso malicioso de los sistemas es imposible, pero si los costos de violar un sistema son superiores a los potenciales beneficios que se pueden obtener, entonces el sistema puede considerarse seguro. El problema es que esa protección no obstaculice el uso del sistema por parte de usuarios autorizados. Demasiada seguridad podría ser contraproducente si es muy engorrosa para los usuarios, pues estos tenderán a eludir los procedimientos para facilitarse la vida.

2. Casos famosos

Algunos de los Titanics y Hindenburgs de la seguridad en computadores son los siguientes:

En Unix lpr -r archivo imprime archivo y después lo elimina. En versiones antiguas de Unix se podía hacer lpr -r /etc/passwd, lo que terminaba con la eliminación del archivo donde se registran los usuarios.

El comando mkdir xx era un programa que ejecutaba en modo superusuario, creando un nodo-i para el directorio xx, y luego cambiando el dueño de xx de root al del usuario. Con un sistema lento y un poco de suerte, se podía modificar el nodo-i para que apuntara a cualquier archivo (por ejemplo, el passwd), justo antes de que mkdir fijara el nuevo dueño.

Otro ejemplo ilustrativo de lo fácil que es pensar que un sistema es seguro, cuando en realidad no lo es, es el del sistema operativo TENEX, usado en los DEC-10 de Digital. TENEX usaba memoria virtual, y para permitir al usuario monitorear el comportamiento de sus programas, éste podía especificar una rutina que el sistema ejecutaría cada vez que hay una falta de página. Al mismo tiempo, los archivos en TENEX estaban protegidos por una clave: cada vez que se abría un archivo, debía especificarse su clave. El sistema operativo chequeaba las claves de un caracter a la vez, deteniéndose apenas un caracter difiriera. Gracias a eso y a que era posible saber cuándo había una falta de página, se podía descubrir la clave de cualquier archivo, de la siguiente manera:

Poner primer caracter de posible clave en la última posición de una página p, y arreglárselas para que la siguiente (la p+1) estuviera inválida (no presente en memoria física). Tratar de abrir el archivo, usando esa posible clave. El resultado esperado es un mensaje diciendo "clave incorrecta", pero dependiendo de si hubo falta de página o no en p+1, podemos saber si el primer caracter era correcto o no. Después de unas pocas pruebas, se habrá descubierto el primer caracter, y es cosa de seguir la misma idea para descubrir el resto. Si hay 128 caracteres posibles, necesitaremos 128n intentos para descubrir una clave de n caracteres, en lugar de 128n

Probablemente la violación más famosa de todos los tiempos ocurrió en 1988 cuando un estudiante lanzó un gusano por la internet que botó miles de máquinas en cosa de horas. El gusano tomaba el control de una máquina intentando diversos mecanismos. Uno de ellos era un bugo en el programa finger. Una vez obtenido el control, trataba de descubrir las claves de los usuarios de esa máquina intentando palabras comunes. Si descubría una, entonces tenía acceso a todas las máquinas en que ese usuario tuviera cuenta. El gusano no hacía ninguna acción dañina en sí, pero usaba tantos recursos de las máquinas infectadas que las botaba.

Aunque estos defectos han sido corregido, todavía hay más. En Unix, algunos nunca serán corregidos (si se corrigen, dejaría de ser Unix).

3. Otras amenazas y ataques posibles

  • Virus. Un virus es parecido a un gusano, en cuanto se reproduce, pero la diferencia es que no es un programa por sí sólo, si no que es un trozo de código que se adosa a un programa legítimo, contaminándolo. Cuando un programa contaminado se ejecuta, ejecutará también el código del virus, lo que permitirá nuevas reproducciones, además de alguna acción (desde un simple mensaje inocuo hasta la destrucción de todos los archivos).
  • Cabayo de troya. Un cabayo de troya es un programa aparentemente útil que contiene un trozo de código que hace algo no deseado.
  • Puerta trasera. Una puerta trasera es un punto de entrada secreto, dejado por los implementadores del sistema para saltarse los procedimientos normales de seguridad. La puerta trasera puede haberse dejado con fines maliciosos o como parte del diseño; en cualquier caso, son un riesgo.
  • Caza claves. Dejar corriendo en un terminal un programa que pida "login:" y luego "password:", para engañar a los usuarios de modo que estos revelen su clave.
  • Solicitar recursos como páginas de memoria o bloques de disco, y ver qué información contienen; muchos sistemas no los borran cuando se liberan, de modo que se puede encontrar información "interesante".
  • Sobornar o torturar al administrador para que suelte la clave.

4. Principios básicos para la seguridad

  • Suponer que el diseño del sistema es público.
  • El defecto debe ser: sin acceso.
  • Chequear permanentemente.
  • Los mecanismos de protección deben ser simples, uniformes y construidos en las capas más básicas del sistema.
  • Los mecanismos deben ser aceptados sicológicamente por los usuarios.

En cualquier caso, hay que tener presente que:

Seguridad = 1/Conveniencia

En otras palabras, mientras más seguro es tu sistema, más desdichado serás.

5. Mecanismos de autorización

Un sistema de computación puede verse como una colección de objetos (procesos, procesadores, segmentos de memoria, discos, impresoras, archivos, semáforos). Cada objeto debe tener un nombre único para poder identificarlo, y un número finito de operaciones que los procesos pueden efectuar sobre él (leer y escribir en archivos, P y V en semáforos). Podemos ver a estos objetos como tipos abstractos de datos.

Obviamente, un proceso no debe poder accesar objetos sobre los que no tenga autorización. También debe ser posible restringir el uso de un objeto por parte de un proceso sólo a ciertas operaciones. Por ejemplo, un proceso podría tener autorización para leer, pero no para escribir un determinado archivo.

6. Dominios de protección

Un dominio de protección es un conjunto de pares (objeto, operaciones); cada par identifica un objeto y las operaciones permitidas sobre él.

En cada instante, cada proceso ejecuta dentro de un dominio de protección. Los procesos pueden cambiar de un dominio a otro en el tiempo; el cómo depende mucho del sistema. En UNIX, se asocia un dominio a cada usuario+grupo; dado un usuario y el grupo al cual pertenece, se puede construir una lista de todos los objetos que puede accesar y con qué operaciones. Cuando un usuario ejecuta un programa alamacenado en un archivo de propiedad de otro usuario B, el proceso puede ejecutar dentro del dominio de protección de A o B, dependiendo del bit de dominio o SETUSERID bit del archivo. Este mecanismo se usa con algunos utilitarios. Por ejemplo, el programa passwd debe tener privilegios que un usuario común no tiene, para poder modificar el archivo donde se guardan las claves. Lo que se hace es que el archivo /bin/passwd que contiene el programa es propiedad del superusuario, y tiene el SETUSERID encendido. Este esquema es peligroso: un proceso puede pasar de un estado en que tiene poco poder a otro en que tiene poder absoluto (no hay términos medios). Cualquier error en un programa como passwd puede significar un gran hoyo en la seguridad del sistema. Cuando se hace una llamada al sistema también se produce un cambio de dominio, puesto que la llamada se ejecuta en modo protegido.

7. Matriz de acceso

Ahora bien, ¿cómo se las arregla el sistema para llevar la cuenta de quién puede accesar qué objetos y con qué operaciones? Conceptualmente al menos, podemos ver este modelo de protección como una gran matriz de acceso.

Los cambios de dominio que un proceso puede hacer también podemos integrarlos a la matriz, tratando a los dominios como otros objetos, con una operación: entrar.

Una política de protección involucra decidir cómo se va a llenar esta matriz. Normalmente el usuario que crea un objeto es quién decide cómo se va a llenar la columna de la matriz correspondiente a ese objeto. La matriz de acceso es suficientemente general como para apoyar diversas políticas. Por ejemplo:

  • La capacidad para copiar o transferir un derecho de un objeto a otro dominio.
  • Capacidad de un dominio para modificar los derechos en otros dominios (todos, o para un recurso específico).

El problema es cómo almacenar esta matriz. Como es una matriz poco densa (muchos de los elementos son vacíos), no resulta práctico representarla como matriz propiamente. Podríamos usar una tabla con triples (dominio, objeto, derechos). Si un proceso dentro de un dominio D intenta efectuar una operación M sobre un objeto O, se busca (D, O, C), y se verifica si M pertenece a C. De todas maneras, la tabla es grande, y el esquema no es muy eficiente. Además, si un objeto puede ser, por ejemplo, leído por todo el mundo, debe tener entradas para cada dominio.

8. Listas de acceso

Alternativamente, podemos guardar la matriz por columnas (descartando las entradas vacías). Es decir, a cada objeto se le asocia una lista de pares (dominio, derechos). Es lo que se conoce como lista de acceso o ACL. Si pensamos en archivos de Unix, podemos almacenar esta lista en el nodo-i de cada archivo, y sería algo así como

((Juan, *, RW), (Pedro, Profes, RW), (*, Profes, R))

En la práctica, se usa un esquema más simple (y menos poderoso), pero que puede considerarse aún una lista de accesos, reducida a 9 bits. 3 para el dueño (RWX), 3 para el grupo, y 3 para el resto del mundo.

Windows NT usa listas de accesos con todo el nivel de detalle que uno quiera: para cualquier usuario o grupo, se puede especificar cualquier subconjunto de derechos para un archivo, de entre {RWXDPO}. .

Capacidades

La otra posibilidad es almacenar la matriz por filas. En este caso, a cada proceso se le asocia una lista de capacidades. Cada capacidad corresponde a un objeto más las operaciones permitidas.

Cuando se usan capacidades, lo usual es que, para efectuar una operación M sobre un objeto O, el proceso ejecute la operación especificando un puntero a la capacidad correspondiente al objeto, en vez de un puntero al objeto. La sola posesión de la capacidad por parte del proceso quiere decir que tiene los derechos que en ella se indican. Por lo tanto, obviamente, se debe evitar que los procesos puedan "falsificar" capacidades.

Una posibilidad es mantener las listas de capacidades dentro del sistema operativo, y que los procesos sólo manejen punteros a las capacidades, no las capacidades propiamente. Otra posibilidad es cifrar las capacidades con una clave conocida por el sistema, pero no por el usuario. Este enfoque es particularmente adecuado para sistemas distribuidos, y es usado en Amoeba.

Un problema de las capacidades es que puede ser difícil revocar derechos ya entregados. En Amoeba, cada objeto tiene asociado un número al azar, grande, que también está presente en la capacidad. Cuando se presenta una capacidad, ambos números deben coincidir. De esta menera, para revocar los derechos ya otorgados, se cambia el número asociado al objeto. Problema: no se puede revocar selectivamente. Las revocaciones con ACL son más simples y más flexibles.

9. Mecanismos de autentificación

La autentificación, que consiste en identificar a los usuarios que entran al sistema, se puede basar en posesión (llave o tarjeta), conocimiento (clave) o en un atributo del usuario (huella digital).

Claves

El mecanismo de autentificación más ampliamente usado se basa en el uso de claves o passwords; es fácil de entender y fácil de implementar. En UNIX, existe un archivo /etc/passwd donde se guarda los nombres de usuarios y sus claves, cifradas mediante una función one-way F. El programa login pide nombre y clave, computa F(clave), y busca el par (nombre, F(clave)) en el archivo.

Con claves de 7 caracteres tomados al azar de entre los 95 caracteres ASCII que se pueden digitar con cualquier teclado, entonces las 957 posibles claves deberían desincentivar cualquier intento por adivinarla. Sin embargo, una proporción demasiado grande de las claves escogidas por los usuarios son fáciles de adivinar, pues la idea es que sean también fáciles de recordar. La clave también se puede descubrir mirando (o filmando) cuando el usuario la digita, o, si el usuario hace login remoto, interviniendo la red y observando todos los paquetes que pasan por ella. Por último, además de que las claves se pueden descubrir, éstas también se pueden "compartir", violando las reglas de seguridad. . En definitiva, el sistema no tiene nunguna garantía de que quien hizo login es realmente el usuario que se supone que es.

10. Identificación física

Un enfoque diferente es usar un elemento físico difícil de copiar, típicamente una tarjeta con una banda magnética. Para mayor seguridad este enfoque se suele combinar con una clave (como es el caso de los cajeros automáticos). Otra posibilidad es medir características físicas particulares del sujeto: huella digital, patrón de vasos sanguíneos de la retina, longitud de los dedos. Incluso la firma sirve.

Algunas medidas básicas

  • Demorar la respuesta ante claves erróneas; aumentar la demora cada vez. Alertar si hay demasiados intentos.
  • Registrar todas las entradas. Cada vez que un usuario entra, chequear cuándo y desde dónde entró la vez anterior.
  • Hacer chequeos periódicos de claves fáciles de adivinar, procesos que llevan demasiado tiempo corriendo, permisos erróneos, actividades extrañas (por ejemplo cuando usuario está de vacaciones).
  • Para los más paranoicos: poner trampas para descubrir intentos de uso no autorizado.

11. Criptografía

Los mecanismos de protección que hemos visto hasta ahora muchas veces no son suficientes para mantener información confidencial adecuadamente resguardada. Con el uso masivo de las redes de computadores, más y más información se transmite por ella, y nadie puede estar seguro de que no hay mirones en el alambre. Los métodos criptográficos son los más comúnmente usados para proteger información confidencial. Lo que se envía por la red no es la información original, sino la información codificada, que carece de sentido salvo para el receptor, que puede decodificarla.

Criptografía simétrica

La criptografía simétrica se basa en un algoritmo general de codificación C, un algoritmo general de decodificación D, y una clave secreta k, tales que

  1. Dk (Ck(m)) = m.
  2. Ck y Dk son computables eficientemente.
  3. La seguridad depende sólo de que la clave --no los algoritmos-- sea secreta.

Un esquema ampliamente usado es el DES (data encryption standard), creado por la NSA.

El inconveniente de la criptografía simétrica es la distribución de la clave. Si quiero enviar un texto confidencial por la red, lo envío cifrado, pero ¿cómo le comunico la clave a mi interlocutor? Por otra parte, se requiere una clave por cada par de usuarios.

Criptografía de clave pública

La criptografía de clave pública es asimétrica. Se basa en métodos que requieren una clave pública para cifrar, y otra, distinta y privada, para descifrar. Supongamos que los procedimentos para cifrar y descifrar de los usuarios A y B, son, respectivamente CA, DA, CB y DB.

Para que B envíe mensaje m a A:

  • B averigua la clave pública de A, en un directorio público.
  • Envía CA(m)
  • A descifra el mensaje con su clave: m=DA(CA(m)). Sólo A puede hacerlo, pues es el único que conoce la clave.

Los métodos de criptografía de clave pública tienen la interesante propiedad

m=CA(DA(m))

que permite implementar también firmas digitales. Una firma digital debe ser dependiente del firmador y del mensaje que está firmando.

Un mensaje m firmado por B es

s=(DB(m))

Si se lo quiere mandar privadamente a B, además lo cifra, enviando CA(s), pero esto es sólo para privacidad.

A primero recupera s, descifrando el mensaje como antes, si viene cifrado, y luego obtiene el mensaje original con

m=CB(s)

Y ahora A posee el par (m,s) que equivale a un documento firmado por B, puesto que:

  • B no puede negar que envió m, pues nadie más que B puede haber creado s=(DB(m)).
  • A puede convencer a un juez que m=CB(s).
  • A no puede modificar m, pues la firma habría sido otra.

En particular, RSA opera de la siguiente manera:

La clave pública de cifrado es un par (c,n), y la clave privada un par (d,n). Cada mensaje se representa como un número entre 0 y n-1.

Los procedimientos para cifrar y descifrar con esas claves son:

C(m) = mc mod n = w

D(w)= wd mod n

El problema es escoger las claves. n es el producto de dos números primos grandes (100 dígitos) p y q. d se escoge al azar como un número grande relativamente primo con (p-1)(q-1). Finalmente c se computa como el inverso de d en módulo (p-1)(q-1), o sea:

c d mod (p-1)(q-1) = 1

A pesar de que n es público, p y q no lo son, y todo se basa en la suposición de que es difícil factorizar un número grande.

Criptografía híbrida

Los métodos de criptografía de clave pública resuelven el problema del intercambio de claves, pero son bastante más lentos (100 a 1000 veces) que los métodos de criptografía simétrica. Se puede obtener lo mejor de ambos mundos con un esquema híbrido: se usa criptografía de clave pública para acordar una clave privada, y el grueso de la comunicación se cifra con esa clave usando criptografía simétrica.

Trabajo enviado y realizado por:
Francisco Armando Dueñas Rodríguez

Edad: 23 años
Universidad La Salle
Lic. en Informática
Cancún, Quintana Roo México



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