工程哲学：Joanna Rutkowska

核心要点

• 她构建了一套桌面操作系统，而前提就是假定它终将被攻破。 Joanna Rutkowska 是波兰安全研究员，她创造了 Qubes OS——“一套合理安全的操作系统”——其核心原则是通过分隔实现安全。Qubes 并不试图把系统打磨得毫无 bug，而是把你的数字生活拆分到一个个相互隔离的虚拟机（称为”qube”）中（工作、个人、银行、不可信），这样一来某个 qube 被攻破的影响会被控制住，无法波及其他 qube。¹²
• 她的名声首先来自进攻一端——她通过攻破系统来学会如何隔离系统。 在 2006 年的 Black Hat 大会上，她展示了 Blue Pill，这是一个概念验证的 rootkit，利用 AMD 硬件虚拟化把一层轻量的恶意 hypervisor 悄悄塞到正在运行的操作系统底下，将其困在一个它自己看不见的虚拟机里。正是因为攻击平台最深的层级，她才懂得哪些层级你绝对不能信任。³
• 她把”不信任基础设施”变成了架构。 在一场题为”Security Through Distrusting”（以不信任求安全）的主题演讲中，Rutkowska 指出，业界习惯把组件标记为”可信”，这种做法既天真又无法扩展——更好的做法是把任何单个组件都当作可能已被攻破，对几乎所有组件都不信任，从而做到没有单点故障。⁵ Qubes 正是把这套论点编译成了一个可运行的桌面系统。²
• 别人盲目信任的那些平台层级，她偏要去探查。 除了 Blue Pill，她还在攻击 System Management Mode（系统管理模式）和 Intel Trusted Execution Technology 方面做了开创性工作，并在 2009 年提出了 “Evil Maid”（恶意女仆）攻击，仅凭短暂的物理接触就攻破了 TrueCrypt 这类全盘加密。每一次攻击，都标出了一条本以为可靠、实则是谎言的信任边界。¹⁴

核心原则

“所有软件都含有 bug……Qubes 不试图阻止每一种可能的漏洞利用，而是假定漏洞利用终会发生，并把精力放在控制损害上。”——Qubes OS 的介绍文档，对其立项初衷的转述²

大多数安全工程都在追逐一个不可能的目标。你审计代码、修补漏洞、加固配置，然后告诉自己：只要足够小心，系统就会安全。Rutkowska 的整个职业生涯，是一场漫长而耐心的论证——这个目标不过是海市蜃楼。一台现代桌面机要运行数千万行代码——内核、驱动、浏览器、PDF 阅读器、固件——其中每一行都是 bug 可能藏身之处。你不可能把它们全找出来，而你的对手只需要其中一个。所以诚实的问题不是”我怎样才能让它没有 bug？”，而是“当——而不是如果——有东西钻进来时，它能波及多大范围？”²

Rutkowska 给出的答案是通过隔离实现安全。如果你无法阻止系统被攻破，那你可以预先决定它能扩散多远。Qubes 把一台机器拆分成多个相互独立的虚拟机——一个用于工作，一个用于银行，一个用于个人浏览，一个用于打开来路不明的附件——每一个都运行在 Xen hypervisor 之上，拥有自己的边界。在那个不可信的 qube 里点开一个恶意链接，恶意软件就落进了一个密闭的房间。它从未与你的银行 qube 共享过信任边界，因此够不到你的凭据，而你只需把那个被攻破的 qube 直接扔掉。¹² 物理世界本就如此运作：你不会在同一个不分隔的房间里投票、睡觉、存放现金，而 Qubes 要问的是，凭什么你的电脑就该这样。²

这条原则还有后半段，而且是更难的一半：不信任基础设施，并尽量缩小你被迫去信任的东西。 在”Security Through Distrusting”的演讲中，Rutkowska 指出，把一个组件称为”可信”并不是褒奖——而是一种承认：一旦这个组件失效，它就”有能力摧毁我的整个安全完整性”。⁵ 所以这门功夫，是把几乎每一个组件都当作可能已被攻破，去除单点故障，并把可信计算基——即其正确性是其他一切所依赖的那部分代码——缩到你所能做到的最小。⁵² 到头来你终究要信任某样东西。真正的手艺，是让那样东西变得微小、可审查、寥寥无几。

背景

Joanna Rutkowska 1981 年生于波兰华沙，在华沙理工大学取得计算机科学硕士学位。¹ 她的出身不是防守者，而是进攻型研究员，而且声名赫赫——在 2000 年代中期，她就在探查 x86 平台最底层、最被信任的那些层级，而这些层级正是防御性安全通常视为坚实地基的部分。

让她一举成名的是 Blue Pill，于 2006 年 8 月 3 日在 Black Hat Briefings 上演示，同时她还展示了如何攻破 Windows Vista 的内核保护机制。eWeek 将她评为”在 2006 年留下印记的五位黑客”之一。¹³ 2007 年 4 月，她在华沙创立了 Invisible Things Lab，这家咨询与研究机构后来成了她平台安全工作的大本营。¹ 在随后几年里，她和她的合作者——其中包括 Alexander Tereshkin 和 Rafal Wojtczuk——发表了针对 Xen hypervisor、Intel Trusted Execution Technology 以及 System Management Mode 的攻击；System Management Mode 是一种权限极高的”ring -2”执行模式，位于操作系统内核之下。¹ 2009 年，她提出了 Evil Maid 攻击，这是一种物理接触手段，通过攻破笔记本电脑的引导过程来窃取 TrueCrypt 这类全盘加密的口令。⁴

随后她做了进攻型研究员很少会做的事：她把防御造了出来。Qubes OS 的工作大约始于 2010 年，由她与 Wojtczuk 共同推进，Qubes 1.0 于 2012 年 9 月 3 日发布，建立在”通过分隔实现安全”的原则之上。¹ 她领导这个项目多年，这套方法也赢得了从 Edward Snowden 到密码学家 Daniel J. Bernstein 等各界人士的公开背书。² 后来她转向隐私与去中心化方面的工作；关于她最近项目的具体情况，最好直接读她本人当前的渠道，而非道听途说地转述，本文只谈那些有据可查、板上钉钉的部分。¹

作品

Qubes OS：通过分隔实现安全

就从这里说起，因为 Qubes 把那条原则变成了你真正可以运行起来的东西。它的设计一上来就承认了那场大多数安全工具假装正在打赢的战争：所有软件都有 bug，而其中一些 bug 是可被利用的。² Qubes 并不想成为那个攻不破的系统。它想成为那个即便被攻破也无关大局的系统。

其机制是 Xen hypervisor。最底层是一个轻量的 hypervisor 和一个名为 dom0 的特殊管理域，它掌管显示和硬件，但被刻意排除在网络之外。在它之上运行着你的 qube——轻量虚拟机，每一个都按用途和信任级别来划定范围。¹² 你可以保留一个”工作”qube、一个”银行”qube、一个”个人”qube，再加一个”不可信”qube，专门用来打开任何来自陌生人的东西。每个 qube 的窗口都带有无法伪造的彩色边框，于是你一眼就能看出某个窗口属于哪个安全域。² 关键在于，这些 qube 通过一套模板系统共享根文件系统，因此它们既保持轻量、又能统一打补丁，而各自的私有数据则保持隔离。² 而对于风险最高的任务，还有一次性 qube——这种虚拟机临时启动起来，专门去打开某一个 PDF 或某一个链接，随后自我销毁，把任何感染一并带走。²

它作为工程为何重要：Qubes 把安全的基本单元从”机器”重新定义为”域”。在一台普通桌面机上，你运行的每个应用都共享同一片信任地址空间——你的浏览器、你的报税软件，还有那个你本不该打开的附件，彼此之间都只隔着一个糟糕的 bug。Qubes 让域与域之间的边界成为一堵由硬件强制实施的墙，而非一种一厢情愿的约定。代价是实实在在的——更多内存、更多摩擦、还有判断某个任务该归入哪个 qube 的那份纪律——而 Rutkowska 也坦言，以不信任求安全”并非万能药”，因为它要拿可用性来做权衡。⁵ 但回报是：最坏情况不再是灾难。被攻破不再意味着”他们拿下了我的电脑”，而只是”他们拿下了一个一次性的房间，而我马上就要把它删掉”。

攻破平台：Blue Pill、SMM 与 Evil Maid

只有当你确切地知道哪些边界是假的，才能设计出好的隔离边界，而 Rutkowska 是通过攻击它们才学会这一点的。她 2006 年在 Black Hat 演示的 Blue Pill 是最清楚的例子。这是一个概念验证的 rootkit，利用了 AMD 的硬件虚拟化（AMD-V）来完成一件大胆的事：在一台正在运行的机器上启动一层轻量的 hypervisor，并把正在运行的操作系统实时迁移到它底下的一个虚拟机里。³ 从那个虚拟机内部看，操作系统会以为自己身处一个正常的世界——可它下面的 hypervisor 却能拦截”硬件中断、数据请求乃至系统时间”，把它喜欢的任何答案喂给那个被困住的操作系统。³

有必要把 Blue Pill 到底是什么、不是什么说清楚。它是一个概念验证，并非在野外发现的恶意软件，而它最大胆的论断——这样一个 hypervisor rootkit 能做到”100% 不可检测”——是有争议的，其他研究者提出了基于时序的检测方法。³ 但这条引发争议的标题并不是教训所在。教训在于它所暴露的攻击面：那个被嵌进每一个操作系统的假设——它所运行其上的那一层是良性的。Blue Pill 表明，虚拟化能够把权限最高的那一层变成攻击者的主场——而你信以为在你”下面”的东西，恰恰是你从”上面”无法验证的东西。

同样的直觉驱动了她其余的进攻性工作。她和合作者攻击了 System Management Mode——那个运行于内核之下、晦涩而权限极高的固件模式——以及 Intel Trusted Execution Technology，一项整个目的就在于建立信任的功能。¹ 而在 2009 年，她提出了 Evil Maid 攻击：把一台加密的笔记本电脑无人看管地留在酒店房间里，一个有短暂物理接触机会的”女仆”就能篡改未加密的引导程序，让它在你下次输入口令时把它捕获下来。⁴ TrueCrypt 这类全盘加密之所以脆弱，是因为引导代码无法向用户证明自己的身份——你根本没办法知道，那个向你索要口令的加载程序是否仍是你自己的。⁴ 这些攻击中的每一个，都是一张地图，画出了一条没能守住的信任边界。后来建造 Qubes 的那位防御架构师，早已从内部摸清了哪些墙是承重的、哪些只是画上去的。

不信任基础设施：缩小可信计算基

Qubes 并不仅仅是”把一切都跑在虚拟机里”。更深一层的设计原则是缩小并不信任可信计算基——也就是那一组组件，整个系统的安全都建立在它们的正确性之上。Rutkowska 的演讲”Security Through Distrusting”把这套理念说得直截了当：把组件做成”可信”的那种惯常冲动”过于天真、且无法扩展”，因为在安全领域里，”可信”真正的含义是某个组件一旦出错，就”有能力摧毁我的整个安全完整性”。⁵ 正确的回应是，假定任何单个组件都可能已被攻破，对几乎所有组件都不信任，并据此设计，从而做到没有单点故障。⁵

你可以在 Qubes 的具体取舍中看到这条原则。管理域 dom0 被刻意禁止访问网络，因为一个能从网络上够到的 dom0 会成为一个单点，它一旦被攻破就等于拿下整台机器。² 网络和 USB 本身也被推进各自隔离的 qube，这样网卡驱动中的 bug 或一个恶意 USB 设备就只会落进一个沙箱，而不是落进那个被一切所信任的内核。² 在域与域之间传递的文件以防御性的方式处理——这正是 Rutkowska 应用于 Qubes 处理图片和 PDF 时的那套”把它当作可能已被攻陷”的逻辑。⁵ 而一次性 qube 最直接地体现了这种不信任：与其信任一个 PDF 阅读器不会被利用，不如假定它终将被利用，把它跑在一个你马上就要销毁的虚拟机里，让爆炸发生在一个空房间中。²

贯穿始终的，是对自己代码的谦卑。一个去信任某个庞大、复杂组件的系统，是在下一个庞大、复杂的赌注。Rutkowska 的架构努力把这个赌注做小——把可信计算基缩到一层轻量的 hypervisor 和一个与网络隔离的 dom0，并把其上的几乎一切都当作可消耗、可替换、且被假定为怀有敌意的。²⁵

从桌面到去中心化

Rutkowska 领导 Qubes 多年，随后转向了那个操作系统只能部分解决的更宽泛的难题：即便是一台完美分隔的桌面机，也仍然信任着它周围的基础设施——云存储、网络，以及保管你数据的那些服务。¹⁵ 她后来的工作转向了隐私与去中心化，把同一种不信任从单台机器向外延伸到它所对话的那些系统。这些项目的确切形态和现状，最好取自她本人当前的写作，而非在此转述；能够清晰传承下来的是原则，而非具体产品。那份直觉始终如一：假定基础设施已被攻破，并据此构建架构，让这个假设给你带来的代价尽可能小。⁵

方法

把 Qubes、Blue Pill、SMM 与 TXT 攻击，以及”Security Through Distrusting”放在一起读，同样的几条信念反复出现。Rutkowska 的方法与其说是一句口号，不如说是一组常驻的习惯。

假定已被攻破；为破坏的波及范围而设计。 立项的第一步，就是承认预防终将失败，并转而追问一次攻破能扩散多远。² 放到大规模来看，这正是 Werner Vogels 在可靠性上所做之事的安全孪生——一切随时都会出故障，所以与其假装能避开故障，不如去控制破坏的波及范围。这条教训远不止适用于 Qubes：不要为”什么都钻不进来”的情形去设计架构；要让架构做到当确有东西钻进来时，它被困在一个小小的、一次性的牢房里。这正是把证据门槛应用于安全——“还没人闯进来过”不是证据；”这里的一次攻破够不到那里”才是。

不信任基础设施，并证明边界成立。 把每个组件都当作可能已被攻陷，拒绝默认授予信任。⁵ 这是把 Thompson 的”Reflections on Trusting Trust”化成了桌面架构：你无法信任你没有检查过的东西，所以别再信任那些你看不见的层级，而是把它们隔离开来。这门功夫，是对每一个组件都发问：”如果它被攻破了，它能拿下什么？”——然后不断重画边界，直到答案变成”几乎什么都拿不下”。

在别人动手之前先自己攻破它。 Rutkowska 的防御建立在十年的进攻之上——Blue Pill、SMM、Evil Maid——因为你无法隔离一条你尚未先证明其为假的边界。³⁴ 这正是 Adi Shamir 带进密码学的那份直觉：以攻为守，只信任那些经受住了认真破解尝试的东西。这个常驻习惯，是先戴上攻击者的帽子，摸清你的哪些信任假设是谎言，并在谎言所在之处筑墙。

缩小可信计算基。 你的安全所依赖的代码行数越少，你的赌注就越小。²⁵ 一层轻量的 hypervisor 加一个与网络隔离的 dom0，是一个可审查的下注；而一个把每个驱动和服务都纳入信任边界之内的单体内核，则是一次盲目的下注。这是把最小可敬产品应用于信任：最干净的可信基，就是那个仍能完成其单一职责的最小可信基。把信任剥到只剩必须信任的部分，并把其余一切都假定为怀有敌意。

对权衡保持诚实。 Rutkowska 不夸大其词——她明明白白地说，以不信任求安全”并非万能药”，它要拿可用性和便利来做代价。⁵ 这个习惯，是把你所购买的安全的价钱说出来，而非藏起来，好让下一位工程师能够掂量它。这份坦诚，是把质量是唯一的变量应用于安全：一个连同代价一并说清的真实保证，胜过一句安逸却悄悄站不住脚的承诺。一条你理解并主动选择的边界，胜过一条你想当然并被动继承的边界。

影响链

是谁塑造了她

2000 年代中期的进攻型研究社群。 Rutkowska 是在 Black Hat 和底层系统黑客的平台攻击文化中崛起的，在那里，活计就是找出那个无人质疑的假设并把它攻破。³ 那种文化的核心反射——不信任人人都信任的那一层——成了她防御工作的脊梁。（奠基性影响）

硬件虚拟化浪潮。 Blue Pill 之所以可能，只因为 AMD-V 和 Intel VT-x 刚刚让硬件虚拟化成为主流。³ 她在 2006 年用作武器的同一项技术，在 Qubes 里成了她构建隔离的基础，Xen 在那里把 hypervisor 从攻击者的工具变成了防御者的墙。¹²（直接影响）

Xen 与 hypervisor 安全的脉络。 多年分析并攻击 Xen，教会了她 hypervisor 隔离究竟有多强——又有多脆弱，正是这份知识塑造了 Qubes 把 dom0 排除在网络之外、并把驱动推入隔离域的决定。¹²（奠基性影响）

她塑造了谁

注重隐私的计算。 Qubes 成了记者、活动人士和安全研究员推荐使用的桌面系统，他们必须假定自己面临针对性的攻破——对那些威胁模型是一个国家、而非一句口号的人来说，这是一件真正的工具。²

分隔思维。 “通过隔离实现安全”和”缩小可信计算基”远远越出了 Qubes，传播进了整个业界对沙箱、容器隔离和按应用虚拟化的思考方式之中。²⁵

先去攻破的防御者。 Rutkowska 是一个常立的例证：最强的防御架构师往往是前攻击者——通过攻破来摸清真实的信任边界，是正确地画出这些边界的前提。³⁴

贯穿主线

Rutkowska 是本系列中隔离这块拱心石——面对”系统终将被攻破”，她给出的回应不是绝望，而是架构。Adi Shamir 在密码学中以攻为守，只信任那些经受住了真实破解尝试的东西；Rutkowska 在低一层运行着同样的循环，攻破 hypervisor 和引导链，好让她能造出一台即便它们被攻破也能存活的桌面机。³⁴ Thompson 和 Ritchie 给了我们那句告诫：你不能信任你没有亲手构建并检查过的东西；而 Rutkowska 的”不信任基础设施”，正是把那句告诫化成了一个运行中的操作系统，在那里那些不可信的层级被隔离开来，而非寄望于它们。⁵ 而当 Werner Vogels 为可靠性说出一切随时都会出故障，所以要控制破坏的波及范围时，Rutkowska 为安全说出了同样的话：Radia Perlman 设计网络时，把怀有敌意、不断出故障的情形当作设计的中心，而 Rutkowska 也以同样的方式来设计机器。Vogels 控制一块出故障的磁盘，Perlman 控制一条出故障的链路，而 Rutkowska 则说：攻击者已经在里面了——所以要隔离每一个域，不信任每一层，并让一次攻破成为一个你可以扔掉的一次性房间。（系列衔接）

我从中学到了什么

我从 Rutkowska 身上记下的一课，是要为攻破而设计，而非对着攻破设防。我的本能，和大多数构建者一样，是去加固那个东西——校验输入、修补依赖、锁死配置——并把安全当成一堵我正努力垒到足够高的墙。”所有软件都含有 bug”是对此的当头棒喝：墙终将被攻破，因为总还有一个 bug；而真正要紧的问题是，一旦对手翻墙而入，他能够到什么。所以如今当我构建某样东西时——一条认证边界、一个运行不可信输入的服务、一个触及钱的功能——我会试着先问”当这东西被攻破时，破坏的波及范围有多大？”，再去问”我怎样把它挡在外面？”。安全的诚实版本不是”我看不出这东西会怎么坏掉”，而是”当它坏掉时，损害被困在一个我可以删掉的房间里”。

第二课，是对我被迫去信任的东西保持合理的偏执。把一个组件大手一挥放行为”可信”然后接着往下做，是很容易的事，但 Rutkowska 为我重新定义了那个词：把某样东西称为可信，就是在承认它一旦失效便能摧毁一切。这改变了我画边界的方式。我引入的每一个库、我依赖的每一个服务、我运行其上的每一层，都是一个赌它正确的赌注——而赌注的大小，就是我可信计算基的大小。所以我会试着把那个基保持得小而可审查，把有风险的、复杂的东西推进我假定其怀有敌意的沙箱里，并像她那样诚实地承认：隔离让我付出了便利上的代价。这份偏执不是悲观。它是一门纪律：确切地知道自己在信任什么，并把那张清单缩到我所能做到的最短。

常见问题

什么是 Qubes OS？

Qubes OS 是一套免费、开源、以安全为导向的桌面操作系统，由 Joanna Rutkowska 创造，项目方称之为”一套合理安全的操作系统”。² 它使用 Xen hypervisor 把你的计算拆分到一个个相互隔离的虚拟机（称为 qube）中——为工作、银行、个人浏览、打开不可信文件等活动划分出彼此独立的隔间。由于这些 qube 相互隔离，某一个被攻破也无法波及其他，因此任何单次攻破造成的损害都会被控制住。它还支持用后即自我销毁的一次性 qube，并为每个域配上无法伪造的彩色窗口边框，让你看得出一个窗口属于哪个隔间。¹²

什么是通过隔离实现安全（分隔）？

通过隔离实现安全，也叫分隔，是 Qubes 核心处的原则：与其试图让软件没有 bug，不如假定攻破终将发生，并通过把系统划分成相互隔离的域来控制损害。² Qubes 的介绍文档拿物理生活来作类比——你本就会自然而然地把各种活动分到不同的房间里——并把它应用到一台原本会让一切共享同一条信任边界的电脑上。² 与之互补的另一半是”不信任基础设施”：把每个组件都当作可能已被攻破，去除单点故障，并把可信计算基保持得尽可能小。⁵

Blue Pill 是什么？

Blue Pill 是 Joanna Rutkowska 于 2006 年 8 月 3 日在 Black Hat 上演示的一个概念验证 rootkit。它利用 AMD 硬件虚拟化（AMD-V），在一台正在运行的机器上启动一层轻量的恶意 hypervisor，并把正在运行的操作系统迁移到它底下的一个虚拟机里，于是这层 hypervisor 就能拦截并伪造操作系统对硬件、中断乃至系统时间的认知。³ Rutkowska 关于这样一个 rootkit 能做到”100% 不可检测”的论断是有争议的，其他研究者提出了基于时序的检测方法。它是对某个攻击面——即”你的操作系统之下那一层是良性的”这个假设——的研究性演示，而非在野外发现的恶意软件。³

Evil Maid 攻击是什么？

Evil Maid 攻击是 Joanna Rutkowska 在 2009 年的一篇博文中命名的一种物理接触手段。如果攻击者获得对一台无人看管的加密笔记本电脑的短暂、无监督的接触机会——比如在酒店房间里——他们就能篡改未加密的引导代码，使其在用户下次输入时悄悄捕获全盘加密的口令。⁴ TrueCrypt 这类全盘加密系统之所以脆弱，是因为引导加载程序无法向用户证明自己的身份，于是受害者根本没办法把被攻破的加载程序和正版的区分开来。⁴ 它生动地证明了：单凭加密，并不能保护一台对手能够亲手触碰的机器。

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