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1、 江苏大学硕士学位论文嵌入式安全操作系统及其通信模块的设计与开发姓名:黄卫菊申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:赵跃华20060609江苏大学硕士学位论文摘要摘要嵌入式技术的飞速发展,特别是嵌入式技术和技术的结合,很多嵌入式系统将不再是一个个孤立的系统,系统的互联使得信息安全问题变得更加突出。传统的嵌入式操作系统安全性能不足,本课题针对这个问题设计并开发一个应用于电力系统的安全级别达到的级标准的嵌入式实时操作系统,并把它命名为。该操作系统不仅保证了系统在网络中的安全,还满足了电力系统控制领域对系统实时性和稳定性的要求。本文首先介绍了嵌入式操作系统的发展历程,接着介绍了嵌入式操作系统
2、的国内外发展现状及趋势。当嵌入式系统与技术相结合后,对于嵌入式操作系统的安全性要求越来越高,所以嵌入式操作系统的安全问题成为了一个急需解决的问题。在的总体设计中,本文首先讲述了嵌入式技术在电力系统中的应用,然后提出电力应用中对嵌入式系统的特殊要求,最后依据安全操作系统的设计原则,选择了内核及安全性的实现方案,并对进行了模块的划分,确定每个模块的功能及它们之间的关系。本论文主要完成中安全通信模块的设计与开发。安全通信模块要保证通信的安全,所以针对电力应用中嵌入式系统所受的安全威胁,在通信模块加入了身份认证、数据加密、审计与入侵检测等安全机制。同时考虑到嵌入式操作系统的资源有限,而且实时性要求较高
3、,为了提高的性能,为了减少内核处理的复杂度以及系统的资源消耗,安全通信模块在内核与驱动程序之间定义了一个统一的接口?虚拟接口。该虚拟接口有两个功能:一是屏蔽底层设备驱动的差异性,向内核提供个共性的虚拟设备;二是为安全机制的实旋提供方便。最后,课题组根据预先要求的系统指标,搭建测试及运行环境,选择测试工具并设计了测试方案,根据得到的测试结果,对安全通信模块及整个安全嵌入式操作系统的性能指标作出量化分析。关键词:嵌入式操作系统,身份认证,数据加密,审计,入侵检测,虚拟接口江苏大学硕上学位论文 , , ., ., , . . , . , , .,., , ., . .,. .:; ;学位论文版权使用
4、授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于,不保密回。学位论文作者签名:黄丑德?一未婶如占年月/日 /日年月独创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人
5、和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:黄正存日期: 叻占年苦月日江苏大学硕士学位论文 第章绪论第一章绪论。引言嵌入式系统是计算机系统的一个分支,她既“古老”又“年轻”。说她古老,是因为计算机发明伊始就在许多领域得到应用,那时就已经出现了后来所谓的嵌入式系统了。计算机用于某些实时控制或过程控制就是例子。说她年轻,则是说她在近年来蓬勃发展,如同中天。随着移动通讯、手持电脑、数字家电等等的发展以及技术在工业、交通、军事等领域里的渗透,嵌入式系统已经成为行业的热门。而且据网络专家预测,将来在上传输的信息中,将有%的信息来自小型嵌入式系统。当代的应
6、用也将随之由以为中心转向以嵌入式系统和设备为中心。可见嵌入式系统将与日益紧密结合。嵌入式设备与结合代表着嵌入式系统的未来发展方向。技术在嵌入式系统中的应用和推广,将提高嵌入式系统的协作能力、改善系统间的通信状况,提高企业的控制水平,降低运作的成本。所以嵌入式系统和。的只益结合,将成为未来嵌入式系统的发展方向【然而,随着嵌入式技术的发展,特别是嵌入式技术和技术的结合,很多嵌入式系统将不再是一个个孤立的系统,系统的互联使得信息安全问题变得更加突出。众所周知,嵌入式设备大多应用于工业控制领域,控制着关键工业设备的运作,关系着国民的经济生活,如果不对这些设备采取安全的措施,一旦受到攻击,必然会造成难以
7、估量的损失。嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的,并且软硬件是可裁剪的,能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等组成。其中嵌入式操作系统作为嵌入式系统的灵魂,是嵌入式系统发展到一定阶段的产物。它的出现,大大提高了嵌入式系统丌发的效率,彻底改变了以往针对一个具体需求就要开发一个全新嵌入式软件的局面。在嵌入式操作系统之上开发嵌入式系统减少系统开发的工作量,增强系统的可移植性,使嵌入式系统的开发方法更规范更有效【】。嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂,也是嵌入式系统的根基,要
8、使嵌入式系统能安全的运行,首先就要使它具有坚实的基础。所以,本论文基于这种背景和需求设计了一个具有自主产权的、应用于特定场合的、安全的嵌入式操作系统?&,简称。江苏大学硕士学位论文第章绪论.嵌入式操作系统的国内外发展现状及趋势.嵌入式操作系统的国内外发展现状世纪年代,商业化的嵌入式操作系统.简称开始蓬勃发展。目前国内外已有几十中商业操作系统可供选择。在中国,嵌入式操作系统可分为两大类型:一类是自主版权的操作系统,另一类是基于的操作系统。自主版权的操作系统方面,国内有“女娲”操作系统、桑夏操作系统和操作系统等。下面对这些操作系统进、行简单的介绍【:“女娲”凯思集团推出的产品,目前已进入产业化阶段
9、,“女娟”目前已能支持所有主流的嵌入式芯片,凯思与联想、上海贝尔等国内外知名厂商合作开发出了多种产品:联想“天玑”、天玑卡通、“天玑”、集团家庭信息显示器、天亿股票机顶盒、视频点播机顶盒等。桑夏此操作系统是深圳桑夏公司推出的产品,是一个面向嵌入式应用的实时操作系统,具备文件系统和嵌入式数据库引擎,提供了基本的图形用户接口,支持层次化、模块化的软件模型,可运行在“龙珠”等三种系列的上,支持包括/协议在内的网络通信协议。是北京科银京成公司开发的嵌入式实时操作系统,它主要包括:内核、嵌入式/、嵌入式文件系统以及嵌入式图形接口。支持、等多种嵌入式微处理器,可应用于消费电子产品、通信产品、工业控制及军用
10、电子产品中。近年来,嵌入式进展较快。在中国,以为基础的嵌入式操作系统比较活跃,其中中软、红旗、东方是业界的代表。目前国外比较流行的嵌入式操作系统有、/?等。下面对这些操作系统进行简要的介绍:是一个高效的多任务实时操作系统,它只占用了很小的存储空阐,而且裁剪度高,并且系统能以较高的效率运行。由以下几个主要部分组成:江苏大学硕士学位论文 第章绪论高性能实时操作系统内核包括抢占式优先级的多任务调度、任务间同步和进程间通信机制以及中断处理、看门狗和内存管理机制。/系统提供了一个快速灵活的与 兼用的/系统,包括的/和标准的异步/。文件系统提供了快速文件系统,该文件系统适合于实时系统应用。它包括几种支持使
11、用块设备如磁盘的本地文件系统。这些设备都使用一个标准的接口,从而使得文件系统能够灵活地在设备驱动程序上移植。网络系统提供了与其它系统和其它/网络系统“透明”的存取方式, 兼用的编程接口,远程过程调用,远程文件存取等。虚拟内存即选项为带有洲的目标板提供了虚拟内存机制。提供了共享信号量,消息队列和在不同处理器之间的共享内存区域。十十还提供了其它的一些工具和应用库,提供了一个与 、兼容的编程环境。在提供高效的代码的同时提供了一个友好、方便的编程环境。是集成系统有限公司推出的高性能、模块化的操作系统。它提供了多任务处理环境,采用了模块化的体系结构,包括一个实时多任务内核和一系列的公司软件和连接库。系统
12、中的每个部分都是封闭的,相互之间既独立又密切协作,提高了的可扩展性,开发人员可以根据不同的应用需求来制定操作系统的功能和所需要的内存大小。这种高度的可扩展还使简单的独立系统能够轻松地升级到复杂的网络化多处理器系统。目前已经能够支持范围极其广泛的各种硬件产品。的主要组成部分包括:实时多任务内核、/协议栈、远程过程调用库、文件系统管理、 标准库、调试功能模块、系统信息实时分析工具等等。提供了大量可供选择的开发工具来加快生产效率,扩展内核功能。由于系统体系结构设计上的先进性,使得具有如下的一些鲜明的特征:支持范围相当广泛的和驱动器等硬件产品;继承了业晃领先的网络技术,对/协议的支持使基于的嵌入式设备
13、具有天生的访问能力;快速、精确的系统内核为应用提供优化的运行环境;运行高效稳定、多处理器支持;文件系统支持包括、?兼容文件系统和高性能嵌入式文件系统。江苏大学硕士学位论文 第章绪论是加拿大 公司开发的一个分布式的规模可扩展的嵌入式实时操作系统。它的设计思想是将系统的各个基本功能都作为一个独立的系统进程来运行,从而实现真正意义上的“微内核”结构,所以除了内核,还包括了进程管理进程、文件系统管理进程、设备管理进程、网络管理进程。最早开发于年,到现在已经相当的成熟。利用这种操作系统,、.公司成员 己成功将操作系统内核、和/嵌入到一个.的软盘上。/?/?是由 .先生单独开发的开源的,它其实只是一个短小
14、精悍的微内核,只提供任务管理、中断管理、任务通信、以及简单的内存管理功能。在内核调度上,它采用的是基于优先级的可剥夺调度策略,系统最多允许同时调度个任务:在任务的通信方面,主要手段是信号量、邮箱和事件标志组;在内存管理方面,它采用固定分区的内存管理策略】。它的应用广泛,其实时性和稳定性在不断的应用中得到了考验。.嵌入式操作系统的发展趋势现在国内外的嵌入式操作系统的特点是能运行在各种不同类型强大的徼处理器上;具有强大的通用型操作系统的功能,如具备了文件和目录管理、多任务、设备支持、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口和丰富的嵌入式应用软件。伴随着通用型嵌入式实时操作系统的
15、发展,一个以面向网络的、特定应用的嵌入式操作系统正日益引起人们的重视,成为极为重要的发展方向。嵌入式系统与的真正结合、嵌入式操作系统与应用设备的无缝结合代表着嵌入式操作系统发展的真正未来】”。同时嵌入式系统与技术的结合,对于嵌入式操作系统的安全性要求越来越高,因为嵌入式操作系统是嵌入式系统的灵魂,是基础,只有先保证了操作系统的安全,才能使整个嵌入式系统具有坚实的根基。目前国内关于这方面的研究还比较少,随着嵌入式系统的发展,嵌入式操作系统在安全性方面的研究、设计与实施必将是以后的一大研究热点。.论文的研究背景及意义嵌入式系统在电力系统中的应用有着悠久的历史,在发电厂自动化、变电站自动化、调度自动化等控制中用于数据采集和监控
