xv6 上实现 RSA 加密系统调用的完整设计方案

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核心设计思路

完整设计参考: rsa

实现真正的安全性：

1. 密钥完全隔离

   • 私钥永不离开内核：私钥 d 存储在进程的内核结构体中，用户空间无法访问。
   • 公钥可查询：用户只能获取公钥 (n, e) 用于加密。
   • 解密必须通过内核：所有解密操作都在内核态完成。

2. 进程级密钥管理

struct proc {
    // 每个进程独有的 RSA 密钥对
    struct rsa_keypair rsa_keys;
    int key_permissions;  // 密钥权限控制
};

1. 动态密钥生成算法

• Miller-Rabin 素性测试：高效判断素数。
• 扩展欧几里得算法：计算模逆元。
• 安全的随机数生成：基于系统时钟和内存地址。

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安全特性

a) 进程隔离

// 子进程无法解密父进程的文件
if (pid == 0) {  // 子进程
    genrsakey();  // 生成新密钥
    decryptfile("parent_file");  // 失败！密钥不同
}

b) 权限管理

// 可以主动撤销私钥访问权限
sys_revoke_key();  // 之后无法解密

c) 加密给特定进程

// 加密文件只有目标进程能解密
encryptfile("secret.txt", target_pid);

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使用流程示例

# 编译并运行
$ make qemu

# 在 xv6 中测试
$ rsatest
=== xv6 Secure RSA System Test ===

Step 1: Generating RSA keypair for current process...
New RSA keypair generated for PID 3
Public key (n=15877, e=17)
(Private key is securely stored in kernel space)

Step 2: Creating test file...
Created file with content: This is a secret message!

Step 3: Forking child process...
[Parent] Encrypting file for myself (PID 3)...
[Parent] Encrypted content (hex): a3 1f 8c 92 ...

[Child] Generating my own RSA keypair...
[Child] My public key: n=18293, e=17
[Child] Attempting to decrypt parent's file...
[Child] ✓ Cannot decrypt - different private key!

[Parent] Decrypting file with my private key...
[Parent] Decrypted content: This is a secret message!

✓ RSA encryption/decryption successful!
✓ Private key never left kernel space!

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关键优势

1. 真正的安全性

   • 私钥物理隔离在内核空间。
   • 进程间密钥隔离。
   • 无法通过用户空间程序窃取私钥。

2. 灵活的密钥管理

   • 每个进程独立密钥。
   • 动态生成，非硬编码。
   • 支持密钥撤销。

3. 数学严谨性

   • 实现完整的 RSA 算法。
   • Miller-Rabin 素性测试。
   • 正确的模运算和密钥生成。

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可扩展性建议

1. 密钥存储优化

struct key_cache {
    int pid;
    struct rsa_keypair keys;
    struct key_cache *next;
};

1. 文件元数据

struct inode {
    int encrypted_for_pid;  // 记录文件加密目标
    uint32 encryption_timestamp;
};

1. 密钥交换协议

sys_exchange_keys(int target_pid);

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数学证明与分析

1. RSA 正确性证明

   • 如果 $c = m^e \mod n$，则 $m = c^d \mod n$。
   • 使用欧拉定理：$m^{\phi(n)} \equiv 1 \mod n$。

2. 安全性分析

   • 大数分解困难性。
   • 离散对数问题。
   • 选择明文攻击（CPA）安全性。

3. 复杂度分析

   • 加密：$O(\log e)$ 模乘运算。
   • 解密：$O(\log d)$ 模乘运算。
   • 空间复杂度：$O(1)$。

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可选授权/密钥管理方案（按复杂度与安全性排序）

1. 内核保管私钥、内核执行解密（最安全、最易演示）

   • 私钥永远不出内核空间，用户不能直接读取。
   • 用户调用 sys_decrypt_file(path)，内核检查权限；若通过，执行解密。
   • 优点：私钥不会泄露、易做审计。
   • 缺点：内核承担加密工作量。

2. 内核密钥库 + 授权票据（中等复杂度，灵活）

   • 管理员用 sys_grant_decrypt(target_uid, path, ttl) 给用户授予短期授权票据。
   • 用户在有效期内调用 sys_decrypt_with_token(path, token_id)。
   • 优点：支持细粒度与时限控制。

3. 内核存储私钥但通过能力/权限检查（简单）

   • 只有特定 UID（如 root）或拥有特定 capability 的进程可以调用 sys_decrypt()。
   • 优点：实现最简单，演示清晰。

4. 用户态密钥守护进程 + 内核协作（复杂）

   • 私钥由用户态守护进程管理，解密请求通过受控 IPC 发送给守护进程。
   • 优点：设计接近真实 Linux keyring；缺点实现复杂。

5. 硬件绑定密钥（TPM/SEAL，理论方案）

   • 私钥封存在可信硬件，只有满足策略环境才能解封。
   • 在 xv6 中难以实现。

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扩展建议

1. 添加密钥管理

   • 实现密钥生成系统调用。
   • 密钥存储在专用内核结构。

2. 支持大文件

   • 流式加密。
   • 添加进度报告。

3. 错误处理增强

   • 完整性校验（MAC）。
   • 错误恢复机制。

4. 性能基准测试

   • 不同文件大小的加密时间。
   • 与其他加密算法对比。

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总结

该实现方案结合了系统编程和数论知识：

• 展示了对 xv6 内核的理解。
• 展示了完整 RSA 算法在内核态的实现。
• 项目规模适中（2–3 周可完成）。
• 具有良好的可扩展性，并适合作为 GitHub 项目进行演示和报告撰写。