應(yīng)對系統(tǒng)虛擬化數(shù)據(jù)安全問題

服務(wù)器虛擬化屏蔽硬件的差異，為數(shù)據(jù)中心帶來更高的可用性、可靠性及可維護(hù)性，但同時(shí)也帶來了諸多安全問題，一類是惡意攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常服務(wù)的攻擊，另一類是以竊取私密信息為目的的攻擊。

系統(tǒng)虛擬化為客戶機(jī)提供分區(qū)和隔離，高效整合服務(wù)器資源，提高硬件資源利用率，而且極大地降低了管理和運(yùn)維成本。但是由于共享資源的本質(zhì)，服務(wù)器虛擬化天生存在著諸多安全問題。這些安全問題主要有兩類，一類是惡意攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常服務(wù)的攻擊，另一類是以竊取私密信息為目的的攻擊。傳統(tǒng)物理主機(jī)場景下攻擊不易取得客戶數(shù)據(jù)，但是虛擬化場景下如果主機(jī)遭到入侵，那么運(yùn)行其上的所有的客戶機(jī)都處于威脅中。研究并解決這些安全問題對更好地利用虛擬化技術(shù)，提供安全可靠服務(wù)，具有重要意義。

系統(tǒng)虛擬化概述

虛擬化技術(shù)從1965 年的IBMSystem/360 Model 40 VM 起， 經(jīng)過了近三十年的沉寂，在近二十年得到快速發(fā)展。系統(tǒng)虛擬化是指將一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬化為一臺(tái)或多臺(tái)虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。每個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（簡稱客戶機(jī)）都擁有自己的虛擬硬件，提供一個(gè)獨(dú)立的客戶機(jī)執(zhí)行環(huán)境。提供客戶機(jī)運(yùn)行環(huán)境的虛擬化層稱之為客戶機(jī)監(jiān)控器（Virtual Machine Monitor,VMM）。隨著X86 架構(gòu)對其虛擬化漏洞的修復(fù)，推出VT/AMD-v 技術(shù)，X86 平臺(tái)的虛擬化技術(shù)發(fā)展迅猛，出現(xiàn)了諸多的基于硬件輔助虛擬化的VMM,如VMware ESX、XEN、KVM、VirtualBox、Hyper-V 等等，也相應(yīng)誕生了一大批虛擬化商業(yè)產(chǎn)品與方案，如VMware ESX、Huawei、 FusionSphere、Citrix XEN、Red hat RHEV、Oracle Virtual Box、Microsoft 等。

系統(tǒng)虛擬化技術(shù)推進(jìn)了新一輪的數(shù)據(jù)中心改造，源于虛擬化技術(shù)帶來的好處：

1、封裝：以客戶機(jī)為粒度進(jìn)行封裝，可以方便地實(shí)現(xiàn)快照（snapshot）、克?。╟lone）、遷移（migration）、掛起（suspend）和恢復(fù)（resume）。從而大大提供系統(tǒng)可維護(hù)性，降低IT 管理維護(hù)成本。

2、提高資源使用率：多臺(tái)客戶機(jī)運(yùn)行在VMM 上進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，這些客戶機(jī)可以共享硬件資源，并交替忙閑運(yùn)行，可以極大提高硬件資源的使用效率。

3、隔離：由于客戶機(jī)是運(yùn)行在VMM之上的一個(gè)獨(dú)立的實(shí)例，因此一個(gè)客戶機(jī)的故障不會(huì)影響到另外一個(gè)客戶機(jī)的運(yùn)行。但是隔離也不是完全的，也存在一些安全隱患，也就是本文要討論的問題。

4、抽象：由于VMM 的存在，客戶機(jī)并不感知硬件的差別，可以自由的在不同的硬件上方面的遷移，屏蔽了硬件的多樣性和復(fù)雜性，便利服務(wù)的提供和部署。

X86 平臺(tái)的虛擬化技術(shù)可以分為三類（不包括不同體系結(jié)構(gòu)的虛擬化）：

1、軟件完全虛擬化

優(yōu)先級壓縮（Ring Compression）和二進(jìn)制代碼翻譯（Binary Translation）相結(jié)合。基本原理是：將Guest OS 運(yùn)行在較低特權(quán)級別上，執(zhí)行遇到特權(quán)指令時(shí)被VMM 截獲進(jìn)行虛擬化。X86 架構(gòu)下存在虛擬化漏洞，即作特權(quán)操作卻沒有觸發(fā)異常的這些指令需要特殊處理，即動(dòng)態(tài)掃描執(zhí)行代碼，如果發(fā)現(xiàn)這些指令便將其替換為支持虛擬化的指令塊。

2、硬件輔助完全虛擬化

為了解決虛擬化漏洞的問題，處理器生產(chǎn)商推出相應(yīng)的虛擬化解決方案，即Intel VT/AMD-v 技術(shù)。與軟件完全虛擬化不同，硬件輔助虛擬化將客戶機(jī)運(yùn)行在一個(gè)新的模式下（non-root mode），該模式具有一套完全的運(yùn)行環(huán)境，當(dāng)運(yùn)行到特權(quán)指令時(shí)被處理器截獲并報(bào)告給VMM.VMM 進(jìn)行處理并反饋給客戶機(jī)運(yùn)行環(huán)境。

3、半虛擬化

半虛擬化是指通過修改操作系統(tǒng)的內(nèi)核代碼從而避免虛擬化漏洞。在現(xiàn)在的虛擬化系統(tǒng)中，也利用半虛擬的思想優(yōu)化I/O 路徑。

硬件輔助虛擬化是現(xiàn)在虛擬化主要采用的虛擬化方案，如VMware、XEN、KVM 等VMM 都屬于該類型（XEN 也有半虛擬化架構(gòu)）。

由圖1 可以看出，VMM 將Guest OS作為自己的應(yīng)用實(shí)例運(yùn)行在其之上，提供Guest OS 運(yùn)行所需的資源，如運(yùn)行時(shí)資源（內(nèi)存、相關(guān)寄存器）、存儲(chǔ)、I/O（如網(wǎng)絡(luò)）等，另外為了提升效率或可管理性，也提供了一個(gè)PV Tools 安裝在Guest OS中，并在VMM 中有對應(yīng)的后端。這些資源對于Guest OS 來說是透明的，不過對于VMM 來說是完全感知的。

存儲(chǔ)

Guest OS 的磁盤在VMM 看來是一個(gè)文件，即鏡像文件，這個(gè)文件具有多種格式，常見的有VMDK、VHD、VDI、QED、QCOW2、RAW 等。這些鏡像文件都可以通過VMM 平臺(tái)的工具進(jìn)行掛載讀取。若Guest OS 在安裝時(shí)未作磁盤加密，那么這些鏡像文件在掛載后，Guest 的磁盤文件就可以被讀取。而為了管理方面虛擬化方案提供商往往提供未加密的磁盤鏡像文件。比較傳統(tǒng)主機(jī)，虛擬化場景下的虛擬主機(jī)的磁盤文件更容易被竊取和攻擊。

內(nèi)存

無論是使用影子頁表還是EPT/NPT等內(nèi)存虛擬化技術(shù)，HOST 都掌握著GuestOS 的內(nèi)存信息。以KVM 為例，Guest OS的內(nèi)存都是通過qemu 用戶進(jìn)程分配。HOST OS1 若遭到入侵，無論是HOST 所用的內(nèi)存區(qū)域還是Guest 所用的內(nèi)存區(qū)域遭破壞都會(huì)影響系統(tǒng)的服務(wù)，且數(shù)據(jù)可能被泄露，這對一些運(yùn)行關(guān)鍵應(yīng)用的Guest來說是具有風(fēng)險(xiǎn)的。

網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)在主流方案中使用HOST 的軟交換實(shí)現(xiàn)Guest 之間，Guest 與HOST 之間的IP 交換，例如Bridge、Openvswitch 等開源組件或vNetwork Standard Switch （vSS） 等商業(yè)組件。不像傳統(tǒng)主機(jī)模式下，每個(gè)物理服務(wù)器都有一套安全防護(hù)產(chǎn)品，外部設(shè)有防火墻，且通信直接和二、三層的網(wǎng)絡(luò)硬件通信，不易被侵入。而虛擬化環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)交換完全通過軟件實(shí)現(xiàn)，主機(jī)一旦被侵入，所有的客戶機(jī)通信數(shù)據(jù)也很容易被捕獲。

PV Tools

這里的PV Tools 是虛擬化方案中對Guest OS 增強(qiáng)或管理需要，而安裝的一些組件的統(tǒng)稱。不同的廠商對該工具有不同的名稱，如VMware Tools、 Oracle Virtualbox Guest Additional.這些工具包含兩類組件，一類是為了加強(qiáng)性能的虛擬化工具，另一類是為了管理監(jiān)控等用途的工具。無論是哪類工具，都是從HOST 到Guest 建立了通信通道，并自定義了通信協(xié)議。這些通道和工具的漏洞也可能成為惡意客戶機(jī)“租戶”進(jìn)行攻擊的通道。

客戶機(jī)遷移、HA 等特性

客戶機(jī)在物理服務(wù)器間進(jìn)行遷移，是通過同步存儲(chǔ)和內(nèi)存數(shù)據(jù)到一致狀態(tài)，然后進(jìn)行暫停、恢復(fù)客戶機(jī)的操作完成的。遷移是通過物理網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)摹＿@個(gè)遷移過程也存在安全風(fēng)險(xiǎn)。而HA（High Availability）是在不同的物理機(jī)上運(yùn)行同一客戶機(jī)的相同實(shí)例，當(dāng)一個(gè)虛擬機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，業(yè)務(wù)系統(tǒng)迅速切換到另一臺(tái)實(shí)例上，從而保證高可用性。HA 往往時(shí)在不同的物理機(jī)上提供，運(yùn)行過程中需要時(shí)刻同步運(yùn)行信息，這些運(yùn)行時(shí)刻的信息都通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，信息傳輸過程遷移特性一樣也帶來安全風(fēng)險(xiǎn)。

應(yīng)對策略

現(xiàn)有的云計(jì)算方案都是通過核心虛擬化系統(tǒng)之外的安全組件完成。本文主要針對虛擬化技術(shù)方案， 通過底層的安全加強(qiáng)和設(shè)計(jì)增強(qiáng)安全，針對上一小節(jié)提出的安全問題，提出以下應(yīng)對策略。

嚴(yán)格控制權(quán)限等級和接口，采用加密存儲(chǔ)（可考慮GPU 加密）

現(xiàn)在架構(gòu)下超級管理員對HOST/VMM有完全的控制權(quán)限，而且HOST 上也裝有讀取客戶機(jī)磁盤鏡像文件的工具，獲得管理員口令或繞開登錄認(rèn)證后即可獲取客戶機(jī)所有的磁盤文件信息。因此嚴(yán)格控制管理員權(quán)限，控制管理員可訪問的接口，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序間的認(rèn)證和鑒權(quán)策略，避免人為干預(yù)。另外，操作系統(tǒng)在安裝時(shí)選擇加密選項(xiàng)，從策略層面規(guī)避安全隱患。為了進(jìn)一步避免存儲(chǔ)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，也可以考慮加密存儲(chǔ)。

加強(qiáng)內(nèi)存虛擬化完整性設(shè)計(jì)

虛擬化VMM 的內(nèi)存管理延續(xù)了傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的內(nèi)存管理機(jī)制，內(nèi)核對應(yīng)用程序的內(nèi)存具有讀寫權(quán)限。虛擬化場景下，客戶機(jī)的內(nèi)存都暴露給VMM 或HOST,客戶機(jī)的用戶私密性得不到保證。為了保護(hù)客戶機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)的私密和安全性，需要進(jìn)一步加強(qiáng)HOST 內(nèi)存完整性和安全設(shè)計(jì)。

調(diào)整傳統(tǒng)安全組件結(jié)構(gòu)，新型網(wǎng)絡(luò)和安全框架融合

引入軟件交換和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDL）之后，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的物理邊界已經(jīng)消失，傳統(tǒng)的單一防火墻結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適用虛擬化架構(gòu)的安全需求，需要有整體的安全框架統(tǒng)一規(guī)范虛擬化環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)。

規(guī)范PV、監(jiān)控協(xié)議

目前虛擬化解決方案廠商的半虛擬化驅(qū)動(dòng)、監(jiān)控組件都沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，客戶機(jī)運(yùn)行在高危狀態(tài)下（如果含有不合法或惡意的程序段），用戶服務(wù)和數(shù)據(jù)沒有絲毫安全可言。因此需要統(tǒng)一規(guī)范半虛擬化驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控程序的統(tǒng)一規(guī)范，制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，使得這些工具能夠被客戶機(jī)安全軟件所監(jiān)控，而不像現(xiàn)在的方案中，這些工具完全不受客戶機(jī)安全軟件的限制。

加密傳輸遷移、HA 數(shù)據(jù)

虛擬機(jī)遷移、HA 給虛擬化帶來了更高的可操作性和可用性，這些功能都依賴網(wǎng)絡(luò)傳輸操作系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。采用加密數(shù)據(jù)傳輸可很大程度上避免信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。

虛擬化為信息中心帶來了低廉的運(yùn)維成本、便捷和靈活的部署與操作及高可用性，由于其技術(shù)方案的原因，同時(shí)也帶來了諸多的安全問題。不解決這些安全問題，虛擬化仍然不能被安全相關(guān)的關(guān)鍵應(yīng)用所接受。本文針對系統(tǒng)虛擬化的存儲(chǔ)、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、PV Tools 以及遷移和HA 等特性的現(xiàn)有方案討論了這些方面信息泄露相關(guān)的安全問題，并給出初步的應(yīng)對策略。虛擬化安全不光是個(gè)別安全技術(shù)的堆砌，而是整體的考慮和設(shè)計(jì)。作者下一步著手虛擬化的存儲(chǔ)加密模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并陸續(xù)展開對其他安全問題的研究。

（作者單位為蘭州大學(xué)通信與網(wǎng)絡(luò)中心）

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