虛擬化技術(shù)安全策略探討

◆張?jiān)葡?/p>

（航天恒星科技有限公司（503所） 北京 100086）

虛擬化技術(shù)安全策略探討

◆張?jiān)葡?/p>

（航天恒星科技有限公司（503所） 北京 100086）

隨著虛擬化技術(shù)的不斷普及和應(yīng)用，安全問題的重要性日益顯現(xiàn)，并成為制約虛擬化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。虛擬化技術(shù)本身不僅面臨傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已有的安全威脅，還面臨其自身在安全方面所引入的，諸如安全隔離、受控遷移、權(quán)限訪問等系列安全問題的影響。本文論述了虛擬化技術(shù)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，并提出了針對性的安全策略。

虛擬化技術(shù)；虛擬化安全

0 引言

計(jì)算機(jī)虛擬化（Virtualization）是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行在虛擬硬件之上而不是真實(shí)的物理硬件之上，這種把有限固定的硬件資源根據(jù)不同需求進(jìn)行抽象，重新規(guī)劃成邏輯資源以達(dá)到最大利用率的方法，實(shí)現(xiàn)簡化管理，優(yōu)化資源等目的的解決方案，叫做虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)（Virtualization）起源于20世紀(jì)60年代，作為云計(jì)算領(lǐng)域的核心技術(shù)，在企業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用，并具有巨大的市場前景。

虛擬化技術(shù)有賴于硬件資源的虛擬化技術(shù)，硬件虛擬化技術(shù)即包括CPU虛擬化技術(shù)，內(nèi)存虛擬化技術(shù)，I/O虛擬化技術(shù)等。而虛擬化安全主要是指虛擬機(jī)安全隔離、受控遷移、權(quán)限訪問等。

1 虛擬化安全風(fēng)險(xiǎn)

虛擬化技術(shù)帶來了IT資源的整合以及桌面終端的變革，同時(shí)也引發(fā)了系列安全方面的問題。在虛擬化環(huán)境下，除了面臨在傳統(tǒng)IT架構(gòu)下的安全威脅，如惡意代碼、操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件漏洞、網(wǎng)絡(luò)竊聽和非授權(quán)訪問等，還存在虛擬化自身引入的特有安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 虛擬化架構(gòu)安全

在虛擬化環(huán)境中，首先就是虛擬系統(tǒng)自身架構(gòu)的安全，而系統(tǒng)架構(gòu)安全中最重要的是虛擬機(jī)隔離和訪問控制。虛擬化架構(gòu)具有動(dòng)態(tài)性，虛擬機(jī)可以被創(chuàng)建、修改、關(guān)閉或者遷移到其他物理服務(wù)器上，虛擬化的實(shí)質(zhì)就是通過軟件來模擬底層硬件的操作，從而存在大量的代碼安全漏洞。利用這些虛擬化軟件的漏洞，將可能獲得虛擬機(jī)管理權(quán)限，隨意對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和修改，得到整個(gè)數(shù)據(jù)中心的控制權(quán)，進(jìn)而訪問到系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的涉密應(yīng)用和數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)保密與防護(hù)

在虛擬化平臺(tái)中存在集中的虛擬化管理程序，該程序與其他系統(tǒng)進(jìn)程，以及其他虛擬機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)中通常包含重要的信息，必須對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行保密和完整性保護(hù)。在虛擬化環(huán)境中，所有的服務(wù)器和應(yīng)用都以鏡像的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，這種方式在提供系統(tǒng)恢復(fù)便利性的同時(shí)，也極易導(dǎo)致涉密數(shù)據(jù)的泄露。如果不采取安全保護(hù)措施，使用U盤、SD卡，甚至MP3都可以方便的將服務(wù)器鏡像復(fù)制下來并帶走。

1.3 虛擬環(huán)境網(wǎng)絡(luò)隔離與控制

在虛擬化環(huán)境中，一切都是集中式、共享式的，有可能將不同安全級(jí)別的虛擬機(jī)部署在同一臺(tái)物理主機(jī)上，使得高安全級(jí)別的服務(wù)器有可受到來自低級(jí)別用戶的破壞和攻擊。此外，虛擬服務(wù)器通過虛擬交換設(shè)備連接到一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)中，終端桌面也是虛擬化，集中部署在數(shù)據(jù)中心，使得網(wǎng)絡(luò)邊界變得模糊，而且IP地址經(jīng)常變動(dòng)，虛擬機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)流量可能不通過物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，導(dǎo)致傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)如防火墻、IDS、IPS對虛擬機(jī)之間的通信數(shù)據(jù)包及通信流量不可見，從而逃避傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備的監(jiān)管，造成安全盲點(diǎn)。

1.4 虛擬機(jī)遷移攻擊

在虛擬化環(huán)境中，一臺(tái)服務(wù)器可以跨越不同的物理設(shè)備。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)災(zāi)備或性能擴(kuò)充時(shí)，虛擬機(jī)可以在不同物理設(shè)備之間遷移。這使得數(shù)據(jù)中心更加靈活，節(jié)約開銷，但增加了安全風(fēng)險(xiǎn)，使安全管理更加復(fù)雜，隨著網(wǎng)絡(luò)地址、端口等特性的變化，安全設(shè)置更容易出問題。

當(dāng)虛擬機(jī)從一臺(tái)物理服務(wù)器遷移到另一臺(tái)物理服務(wù)器時(shí)，遷移過程中虛擬機(jī)鏡像數(shù)據(jù)存在竊取和篡改的可能。遷移過程中虛擬磁盤被重新創(chuàng)建，攻擊者能夠改變源配置文件和虛擬機(jī)的特性。

1.5 虛擬機(jī)逃逸

虛擬機(jī)設(shè)計(jì)目的是同一臺(tái)物理服務(wù)器上的多個(gè)VM共享物理硬件，如CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備，并相互隔離，但由于技術(shù)的限制和虛擬化軟件的漏洞，在某些情況下，虛擬機(jī)里運(yùn)行的程序會(huì)繞開底層，取得宿主機(jī)的控制權(quán)，利用宿主機(jī)做某些攻擊或破壞活動(dòng)，這種技術(shù)叫做虛擬機(jī)逃逸技術(shù)。

1.6 拒絕服務(wù)（DoS）攻擊

非法用戶通過暴力破解云存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分發(fā)邏輯。同時(shí)，在虛擬化環(huán)境下，由于虛擬機(jī)和宿主機(jī)共享資源（如CPU、內(nèi)存、硬盤和網(wǎng)絡(luò)），虛擬機(jī)會(huì)強(qiáng)制占用一些資源，從而由于沒有可用資源，造成系統(tǒng)拒絕來自其他虛擬機(jī)的所有請求。

2 虛擬化安全策略

虛擬化系統(tǒng)的安全性密切依賴每個(gè)組件自身的安全，包括Hypervisor、宿主操作系統(tǒng)、客戶操作系統(tǒng)、應(yīng)用和存儲(chǔ)，應(yīng)確保對這些組件的安全防護(hù)。下面根據(jù)虛擬化系統(tǒng)中面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，提出針對性的安全策略。

2.1 以密碼技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全

虛擬化系統(tǒng)主要的安全任務(wù)是涉密信息的機(jī)密性保護(hù)，阻止非法泄密事件的發(fā)生，而確保數(shù)據(jù)的機(jī)密性最核心的仍是密碼技術(shù)。

在虛擬化環(huán)境中，需要考慮進(jìn)行加密保護(hù)的幾個(gè)環(huán)節(jié)包括：鏡像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、鏡像數(shù)據(jù)遷移過程以及遠(yuǎn)程訪問數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)連接等。此外，可以在多個(gè)層來實(shí)現(xiàn)加密保護(hù)，包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層或者是底層存儲(chǔ)設(shè)備層。在虛擬化層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密，可以將同態(tài)加密等技術(shù)運(yùn)用到虛擬化系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)在無需讀取涉密數(shù)據(jù)的情況下對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確保只有在最終本地用戶處才會(huì)顯示明文，降低數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。對鏡像進(jìn)行完整性校驗(yàn)也極為重要，可以防止針對鏡像文件的非授權(quán)篡改。

2.2 可信虛擬機(jī)與訪問控制

在確保共享資源的前提下，實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)的受控訪問?？刂扑械劫Y源池管理工具的訪問，控制對虛擬機(jī)文件的訪問。

虛擬化軟件層是保證虛擬機(jī)多用戶環(huán)境下的相互隔離的重點(diǎn)，必須嚴(yán)格限制任何未經(jīng)授權(quán)的用戶訪問虛擬化軟件層，并對其進(jìn)行完整性和可用性保護(hù)。同時(shí)，選擇直接運(yùn)行在硬件之上硬件的虛擬化管理程序而不是運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的軟件虛擬化管理程序。選擇的底層硬件也應(yīng)能支持虛擬化技術(shù)，這樣可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)層次上的隔離和控制。

同時(shí)，需要對虛擬機(jī)進(jìn)行一定程度的隔離，處理涉密數(shù)據(jù)的虛擬機(jī)與處理非密數(shù)據(jù)的虛擬機(jī)不能共享硬件，最好根據(jù)處理涉密數(shù)據(jù)的級(jí)別和類型來進(jìn)行硬件資源的劃分與隔離。每臺(tái)虛擬服務(wù)器分配一個(gè)獨(dú)立的硬盤分區(qū)，實(shí)現(xiàn)各虛擬機(jī)的邏輯隔離。

在虛擬機(jī)監(jiān)控器中植入可信根構(gòu)建可信虛擬化環(huán)境，從虛擬機(jī)的建立到所提供的服務(wù)建立一條完整的可信信任鏈。可信虛擬機(jī)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可信虛擬機(jī)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)

可信環(huán)境的建立全面制約了云計(jì)算的應(yīng)用，通過虛擬機(jī)的可信環(huán)境創(chuàng)立到系統(tǒng)的安全調(diào)用，都有效阻止了惡意應(yīng)用對云計(jì)算平臺(tái)的安全攻擊，包括信任鏈中每個(gè)環(huán)節(jié)的權(quán)限審查、異常檢測以及完整性驗(yàn)證等。

2.3 跨平臺(tái)虛擬安全管理

在虛擬化環(huán)境中可能既有傳統(tǒng)的IT設(shè)備，也有虛擬化的各類服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)和安全設(shè)備以及終端，運(yùn)行的操作系統(tǒng)、平臺(tái)和應(yīng)用也各不相同，需要有一套能夠同時(shí)解決虛擬環(huán)境和物理環(huán)境安全問題的跨平臺(tái)解決方案，能夠在整個(gè)數(shù)據(jù)中心執(zhí)行統(tǒng)一的安全策略。虛擬安全管理能夠隨著虛擬化環(huán)境的變化而進(jìn)行調(diào)整，能夠動(dòng)態(tài)地進(jìn)行安全策略的配置和監(jiān)控。

2.4 用戶認(rèn)證

用戶認(rèn)證與授權(quán)旨在授權(quán)合法用戶進(jìn)入系統(tǒng)和訪問數(shù)據(jù)，防止非授權(quán)用戶的訪問。在進(jìn)行用戶身份認(rèn)證時(shí)，采用基于非對稱密碼算法的公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施（PKI）以及X.509.3證書的認(rèn)證體系，每個(gè)用戶以及每個(gè)虛擬機(jī)和虛擬設(shè)備都相互通過數(shù)字證書來進(jìn)行身份認(rèn)證。只有通過認(rèn)證的用戶才允許訪問各自經(jīng)過加密的系統(tǒng)鏡像文件，或者將鏡像下載到本地進(jìn)行訪問。

2.5 虛擬機(jī)自省

為了支持合理的安全策略，系統(tǒng)中應(yīng)部署一些常用的安全設(shè)備和各種必要的工具，如系統(tǒng)管理工具、管理清單、監(jiān)管和監(jiān)視工具等。

在虛擬機(jī)外，安全工具從VMM得到的虛擬機(jī)狀態(tài)一般是寄存器，內(nèi)存等低級(jí)別信息。而安全工具則使用程序的高層語義信息如文件行為、進(jìn)程行為、系統(tǒng)服務(wù)行為等。虛擬機(jī)自省通過讀取虛擬機(jī)的狀態(tài)，利用已知的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)知識(shí)，如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)定義等，重建面對復(fù)雜的操作系統(tǒng)環(huán)境特別是非開源系統(tǒng)如何有效正確的應(yīng)用已有的程序分析方法完成自省，仍需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)束語

對于虛擬化環(huán)境下安全的研究，隨著虛擬化技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，研究的重點(diǎn)集中在虛擬機(jī)的隔離，虛擬機(jī)流量的監(jiān)控和虛擬的可信平臺(tái)的穩(wěn)固上，只有解決這些問題，才能夠確保云計(jì)算平臺(tái)的虛擬化安全。解決虛擬化的安全，需要統(tǒng)籌考慮，綜合采取技術(shù)、管理、運(yùn)維等手段，對虛擬化系統(tǒng)生命周期的各個(gè)階段及其系統(tǒng)中各個(gè)層次組件做嚴(yán)密防護(hù)，從而保障系統(tǒng)的安全性。

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