密碼存在內存裏安全嗎？

問：

我剛剛意識到在任何語言裏，當你把密碼保存到一個變量裏，它將以文本的形式存放在內存裏。

我認爲操做系統將發揮做用，禁止進程相互訪問彼此分配的內存。可是我也認爲這多少有些不是靠譜的作法。所以我想知道這是否是真正安全的，是否有更加安全的存儲密碼的方法，來確保外部進程不能訪問它們。

我沒有指定操做系統或者語言，由於個人問題是很是廣泛的。這更像是一個計算機常識問題、而不是具體的問題。

答：

你點到了一個痛處……

從歷史上講，計算機是大型機，容許許多不一樣的用戶在相同的物理機上創建會話和進程。類Unix系統（好比Linux），還有VMS和其相關親戚（和包括全部NT、和此後的2000，XP, Vista, 7, 8…… 的Windows家族，），設計之初是爲了支持大型機模型。這樣，硬件提供權限級別。操做系統最重要的部分是內核，它以最高權限級別運行（是的，我知道對於虛擬化有些微妙），並管理權限級別。應用程序以較低級別運行，內核禁止它讀、寫其餘應用程序的內存。應用程序按頁（page，一般4或8KB）從內核得到RAM。若是一個應用程序試圖訪問另外一個應用程序的頁，內核就會阻止它，而且受到嚴重懲罰（「segmentation fault」, 「general protection fault」）。

當一個應用程序再也不須要頁（特別是在該應用程序還存在的時候）時，內核會控制該頁，可能會分給另外一個應用程序。現代操做系統在使用這些頁的時候，會「清空」（blank）該頁，這裏的「清空」指「用零填充」，從而阻止數據從一個進程泄露到另外一個進程。注意，Windows 95/98/Millenium沒有清空頁，泄露有時候會出現……可是，這些操做系統是針對單臺機器的單個用戶的。

固然，有不少繞過內核的方法：應用程序有一些方式來獲取「足夠的權限」（沒有上面權限高的、同種類型權限）。Linux系統有ptrace，內核容許一個進程經過ptrace()讀寫另外一個進程的內存，此時這兩個進程須要運行在同一個用戶ID下，或者運行ptrace()進程的是「root」用戶。類似的功能也存在於Windows。

底線是RAM裏的密碼沒有操做系統容許的安全。按照定義，在進程內存裏存儲一些機密數據有個前提，就是你相信操做系統不會把數據給第三方。操做系統是你的朋友，由於若是它是敵人，那麼你就失去了一切。

有意思的環節到了。既然操做系統負責進程的隔離，仍是有不少人試着找到了穿透防禦的辦法。這裏是他們找到的有趣的辦法……

應用程序看到的「RAM」不是真正須要的「內存」。內核是假象的管理者，分配實際不存在的頁。假象是經過經過磁盤上的專用空間來交換RAM內容，磁盤上的空閒空間是至關大的；這被稱爲虛擬內存。應用程序無需關心，由於內核會根據須要取回這些頁（固然，磁盤比RAM慢不少）。不幸的後果是，一些數據，特別是位於RAM中的數據，使得RAM變成 數據被覆蓋以前的 物理載體。尤爲是當電源被切斷時，它仍然呆在那裏。當壞傢伙搞走這臺機器，隨後就能獲取數據了。或者機器退役後在eBay賣出，系統管理員忘記了完全清除磁盤內容。

Linux提供了一個mlock的系統調用來阻止內核把某些特定的頁發送到swap區。既然鎖住RAM裏的頁可以大大減小其餘進程獲取RAM資源的狀況，那麼你須要一些權限（仍是root）來使用這個功能。

惱人的地方在於，追蹤真正保存在RAM裏的密碼必然是不太容易的。作爲一個程序員，你是經過編程語言提供的抽象方式來訪問RAM的。尤爲是使用垃圾回收的編程語言會明顯地複製RAM裏的對象（由於它對不少GC算法有幫助）。大多數編程語言就是這樣被影響的（像Java, C#/.NET, Javascript, PHP……清單幾乎沒有盡頭）。

hibernation彷佛爲了復仇帶來了一樣的問題。原本，hibernation必須把整個RAM寫回磁盤——包括mlock()涉及的頁，甚至CPU註冊的內容。爲了不hibernation泄露數據，你不得不採起像加密整個磁盤之類的猛烈的措施——這天然意味着只要你喚醒機器，就能夠鍵入解除鎖定的密碼。

大型機模型假定它可以運行一些彼此友好的進程，且保持極好的和平和隔離。現代硬件加重了這一難度。當兩個進程運行在同一個CPU時，它們共享資源，包括緩存內存；內存訪問比緩存以外的任何地方都要快，可是緩存大小十分有限。這催生了一個進程使用來自於另外一個進程的恢復密鑰。使用其餘類緩存的資源變體也有了，好比CPU裏的分支預測（branch prediction）。隨着對高度機密的、集中於密鑰的研究，它可以真正應用於任何數據。

還有種狀況，顯卡可以作直接內存存取（Direct Memory Access，DMA）【注1】。DMA是否不會被濫用去讀寫其餘進程的內存 取決於 文檔不全的硬件、閉源的驅動程序和內核是如何協做確保合適的訪問控制的。我不會爲此賭我一件上次穿過的襯衣的……

結論：是的，當你在RAM存放密碼時，你是相信操做系統會確保機密的。是的，這個任務很艱鉅，甚至在現代系統上是不可能的。若是你的數據高度機密，你就不該該使用大型機模型，也不要容許潛在友好的實體在你的機器上運行代碼。（順便說一句，這意味着託管的虛擬主機和雲計算根本是不安全的。若是你對安全比較在乎，請使用專有硬件。）

注1：DMA：http://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E7%9B%B4%E6%8E%A5%E8%A8%98%E6%86%B6%E9%AB%94%E5%AD%98%E5%8F%96

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翻譯 臘八粥