基于布隆过滤器的跨平台USB存储设备管控方案

1、前言

U盘作为移动存储设备之一，是我们日常生活中接触最多和最常用的存储介质。正因如此，针对U盘内容的管理也因为使用场景的多样和复杂性，变得难以实现。
我们的设计思路是先通过某些手段对U盘进行病毒，并在查杀完成后对U盘进行认证。在后续使用过程检测认证U盘是否被篡改以保证U盘的安全性。

2、设计

本方案的设计主要包含两个部分：U盘认证和U盘检测。

2.1 认证

检测当前设备是否USB存储设备
根据U盘内容创建合适的布隆过滤器
遍历U盘文件，以文件名 + 时间戳 + 文件大小的方式生成标志字符串，添加到布隆过滤器中
保存布隆过滤器
保存布隆过滤器的时间戳

2.2 检测

检测当前设备是否USB存储设备
根据布隆过滤器的时间戳，计算当前系统的时间偏差
加载布隆过滤器
遍历U盘文件，以文件名 + 时间戳 + 文件大小的方式生成标志字符串，检测是否命中

3、实现

3.1 设备检测

#ifdef _WIN32if (driver_[0] != 'A' && driver_[0] != 'B' &&// 判断设备是否可移动介质GetDriveTypeA(driver_.c_str()) == DRIVE_REMOVABLE) {// 判断设备是否加载if (GetVolumeInformationA(driver_.c_str(), NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,NULL, 0)) {return true;}}
#elsestd::ifstream mounts("/proc/mounts");if (mounts.is_open()) {std::string line;while (std::getline(mounts, line)) {std::stringstream ss(line);std::string device, mount_point;ss >> device >> mount_point;if (driver_.substr(0, driver_.length() - 1) == mount_point) {if (0 == strncmp("/dev/sd", device.c_str(), 7)) {ss.str("");ss << "/sys/block/";// 获取块设备for (size_t i = 5; i <= device.length(); ++i) {  //if ('0' <= device[i] && '9' >= device[i]) {break;}ss << device[i];}std::error_code err;std::string dev_pci_name =fs::read_symlink(ss.str(), err).generic_string();// 检测pci总线中是否包含"usb"标识if (dev_pci_name.find("usb") != std::string::npos) {return true;}}return false;}}}
#endifreturn false;

3.2 文件遍历

  std::stringstream ss;try {for (fs::recursive_directory_iterator it(driver_path);it != fs::recursive_directory_iterator(); it++) {std::string path = it->path().generic_u8string().substr(driver_path.size(), std::string::npos);// 跳过认证文件if (strcmp(kBloomFilterPath, path.c_str()) == 0 ||strcmp(kTimeMarkPath, path.c_str()) == 0 ||strcmp(kUsbAuthDir, path.c_str()) == 0)continue;if (!fs::is_directory(it->path()) && !fs::is_regular_file(it->path()))continue;ss.str("");ss << path;// 获取文件的filetimeauto time = tm_::duration_cast<tm_::seconds>(it->last_write_time().time_since_epoch()).count();ss << (time - elapse);size_t file_size = 0x1000;if (fs::is_regular_file(it->path())) {file_size = it->file_size();}ss << file_size;if (!bf_.BloomAdd(ss.str())) {return error_code::kIOFailure;}}} catch (fs::filesystem_error &e) {return error_code::kIOFailure;}

3.3 布隆过滤器

  // Hash算法：Fnv1a_64 uint64_t hash = 0xcbf29ce484222325ull;const uint8_t *bytes = static_cast<const uint8_t *>(data);for (size_t i = 0; i < numBytes; ++i) {hash ^= bytes[i];hash *= 0x100000001b3ull;}uint8_t seed_arr[32] = {0};
#ifdef _WIN32numBytes = sprintf_s((char *)seed_arr, sizeof(seed_arr) - 1, "%d", seed);
#elsenumBytes = snprintf((char *)seed_arr, sizeof(seed_arr) - 1, "%d", seed);
#endiffor (size_t i = 0; i < numBytes; ++i) {hash ^= seed_arr[i];hash *= 0x100000001b3ull;}return hash;

4、难点记录

4.1 时间戳获取

C++17标准中提供的std::filesystem::last_write_time()函数返回的类型为std::filesystem::file_time_type。
查阅官方文档可知，file_time_type在C++17中的实现是基于平台的，不支持跨平台。
在MSVC的代码中可以发现，Windows平台提供的file_time_type是基于FileTime实现的。即在Windows C++中，FileTime的计算方式是从1601年1月1日开始的100纳秒为单位的时间。
因此当我们需要将std::filesystem::last_write_time()转换为UTC时间戳时，首先需要使用duration_cast将单位转换为秒。

auto time = tm_::duration_cast<tm_::seconds>(it->last_write_time().time_since_epoch()).count();

通过上一步，我们取得了从1601年1月1日开始的秒为单位的时间戳。下一步，我们需要减去FileTime和UTC时间之前的差值。

从C++文档中我们可以查到std::chrono::system_clock使用的正是1970年开始的UTC时间，因此可以通过以下手段获取秒为单位的差值。

auto elapse = tm_::duration_cast<tm_::seconds>(fs::file_time_type::clock::now().time_since_epoch() - tm_::system_clock::now().time_since_epoch()).count();

最后，通过以上两个数据，我们计算出文件修改时间的UTC时间戳。

auto mtime = time - elapse

4.2 时间戳不一致

在实际测试中发现，即同一个文件在Windows和Linux系统中获取的时间戳在某些情况会出现不一致的问题。
经过调查发现，是由于Windows 与 Linux 看待硬件时间的方式不同。
Windows 把电脑的硬件时钟（RTC）看成是本地时间，即 RTC = Local Time，Windows 会直接显示硬件时间；
而 Linux 则是把电脑的硬件时钟看成 UTC 时间，即 RTC = UTC，那么 Linux 显示的时间就是硬件时间加上时区。
针对这个问题，和团队成员讨论后最终决定了一个方案。通过在认证阶段生成一个标识时间戳，在检测阶段计算和标识时间戳的差值来重新对齐时间。

// 生成标识时间
auto time = tm_::duration_cast<tm_::seconds>(fs::last_write_time(bf_path).time_since_epoch()).count();
struct {uint64_t magic;time_t base_time;
} bin = {kTmMagic, time - elapse};// 获取标识时间, 计算差值
auto time = tm_::duration_cast<tm_::seconds>(fs::last_write_time(bf_path, err).time_since_epoch()).count();
auto time_diff = bin.base_time - (time - elapse);  // Get System Time Diff between auth and scan