計(jì) 策，肖 軍，呂 翔

（中國(guó)人民解放軍31401 部隊(duì)70 分隊(duì)，黑龍江 哈爾濱 150096）

在信息泄露問(wèn)題日益嚴(yán)重的背景下，如何保障虛擬機(jī)間通信安全就成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題?？缬蛱摂M機(jī)雖然也能夠起到一定的安全保護(hù)效果，但是不能從源頭上解決入侵破壞帶來(lái)的信息泄露風(fēng)險(xiǎn)。本文從設(shè)計(jì)通信安全模型方面展開(kāi)研究，利用安全模型實(shí)現(xiàn)對(duì)通信環(huán)境的監(jiān)控和維護(hù)，從而為虛擬機(jī)跨域通信營(yíng)造了安全環(huán)境，具有更強(qiáng)的實(shí)用性。

1 跨域虛擬機(jī)間通信安全模型設(shè)計(jì)

1.1 PROCESS-A

在Xen 虛擬機(jī)中，XenStore 的主要作用是連接應(yīng)用軟件和底層硬件，保證了底層硬件能夠根據(jù)應(yīng)用軟件下達(dá)的各項(xiàng)指令作出相應(yīng)的動(dòng)作。PROCESS-A 就是基于XenStore 的這一功能，從而實(shí)時(shí)、全面地掌握物理主機(jī)上的運(yùn)行信息。特權(quán)虛擬機(jī)通過(guò)識(shí)別信息來(lái)源，將發(fā)送該信息的物理主機(jī)定義為A。同時(shí)，根據(jù)控制指令，將信息發(fā)往的目標(biāo)主機(jī)定義為B。判斷A 和B 是否為同一臺(tái)物理主機(jī)。如果判定結(jié)果為“是”，說(shuō)明信息交換在物理主機(jī)內(nèi)部完成，這種情況下只需要啟用物理主機(jī)上的殺毒軟件或安全系統(tǒng)（如防火墻），即可達(dá)到保障通信安全的目的；如果判定結(jié)果為“否”，說(shuō)明信息交換在兩臺(tái)不同的物理主機(jī)之間完成，這種情況下就需要利用TEDCM 安全通信機(jī)制，保證跨域虛擬機(jī)的通信安全。

1.2 TEDCM

基于TEDCM 構(gòu)建的通信安全模型，主要實(shí)現(xiàn)兩種功能：其一，核實(shí)被保護(hù)信息的發(fā)出系統(tǒng)和發(fā)往系統(tǒng)是否位于同一臺(tái)物理主機(jī)。其二，經(jīng)核實(shí)信息發(fā)出與接收的兩臺(tái)虛擬機(jī)，均位于相同的物理主機(jī)，調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部的鉤子函數(shù)，通過(guò)提取信息特征對(duì)其做加密保護(hù)，借助于前端驅(qū)動(dòng)、后端驅(qū)動(dòng)然后完成信息傳輸；經(jīng)核實(shí)信息發(fā)出與接收的兩臺(tái)虛擬機(jī)，位于不同的物理主機(jī)，基于鉤子函數(shù)加密之后，借助于真實(shí)網(wǎng)卡、外置通訊裝置等，將信息傳輸?shù)搅硪慌_(tái)物理主機(jī)上的虛擬機(jī)。其流程如圖1 所示。

圖1 基于TEDCM 的信息加密傳輸過(guò)程

結(jié)合上述流程可以發(fā)現(xiàn)，TEDCM 功能的實(shí)現(xiàn)，首先要依賴于鉤子函數(shù)對(duì)于傳輸信息特征值的提取。而鉤子函數(shù)判斷并提取特征信息的關(guān)鍵，就在于PROCESS-A。根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行PROCESS-A 的結(jié)果，可以準(zhǔn)確判斷發(fā)出該信息的虛擬機(jī)，與將要接受該信息的虛擬機(jī)，是否位于相同物理主機(jī)上。如果是同一臺(tái)物理主機(jī)上的內(nèi)部通信，說(shuō)明該信息在發(fā)送前已經(jīng)被加密，此時(shí)TEDCM 要進(jìn)行解密；如果是不同物理主機(jī)上的跨域通信，為了保證信息在外部網(wǎng)絡(luò)中的傳輸安全，此時(shí)TEDCM 要進(jìn)行加密。

1.3 安全分析

Xen 虛擬機(jī)由兩部分組成，即特權(quán)虛擬機(jī)和非特權(quán)虛擬機(jī)。在部署安全模型時(shí)，為提高響應(yīng)速度和減輕虛擬機(jī)運(yùn)行負(fù)載，需要將安全模式放在特權(quán)虛擬機(jī)上。當(dāng)位于不同物理主機(jī)上的兩臺(tái)虛擬機(jī)進(jìn)行信息交互時(shí)，同時(shí)啟動(dòng)加/解密系統(tǒng)。此時(shí)，虛擬機(jī)將加密后的信息，依次通過(guò)前端、后端驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入到帶有安全模型的特權(quán)虛擬機(jī)中。在接收信息后，安全模型調(diào)用鉤子函數(shù)，利用該函數(shù)可以快速檢索XenStore 中存儲(chǔ)的表數(shù)據(jù)。完成一邊數(shù)據(jù)檢索后，鉤子函數(shù)作出判斷并根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。若判斷結(jié)果為“否”，經(jīng)過(guò)加密后的數(shù)據(jù)可以通過(guò)通信回路，從虛擬機(jī)轉(zhuǎn)到物理主機(jī)，再經(jīng)由物理主機(jī)上的網(wǎng)卡以及外部網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)街付ǖ牧硪慌_(tái)物理主機(jī)上。經(jīng)過(guò)虛擬化處理后，信息進(jìn)入到特權(quán)虛擬機(jī)上，XenStore 執(zhí)行解密操作，依次經(jīng)過(guò)后端、前端驅(qū)動(dòng)后，最終達(dá)到另一臺(tái)虛擬機(jī)上。

2 跨域虛擬機(jī)間通信安全模型實(shí)現(xiàn)

2.1 相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1.1 基于特權(quán)虛擬機(jī)的安全模型

基于TEDCM 安全通信機(jī)制的安全模型，其正常運(yùn)行與功能實(shí)現(xiàn)需要使用到netfilter 框架。安全模型啟動(dòng)之后，首先要進(jìn)行初始化設(shè)置，可以通過(guò)一個(gè)init（）程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖2 所示。

圖2 netfilter 的初始化程序

上述程序除了進(jìn)行安全模型的初始化處理外，還具有兩個(gè)判斷功能。功能之一是對(duì)所有輸入的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，目的在于識(shí)別這些數(shù)據(jù)包的來(lái)源；功能之二是對(duì)所有輸出的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷，目的在于識(shí)別這些數(shù)據(jù)包的去向。其判斷依據(jù)主要是IP 地址，通過(guò)IP 是否一致最終判斷兩臺(tái)虛擬機(jī)是否部署在同一臺(tái)物理主機(jī)上。

2.1.2 基于非特權(quán)虛擬機(jī)的安全模型

非特權(quán)虛擬化操作系統(tǒng)發(fā)送消息抵達(dá)前端后，會(huì)進(jìn)入blkif_queue_request 函數(shù)中，對(duì)保存在數(shù)組中的數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解密處理，根據(jù)DES 加解密的特點(diǎn)，里面有一個(gè)循環(huán)條件。循環(huán)加密流程為：安全模型提取前端驅(qū)動(dòng)中的特征數(shù)據(jù)，執(zhí)行判斷條件“全部數(shù)據(jù)是否執(zhí)行加/解密處理”。此時(shí)TEDCM 會(huì)對(duì)所有送達(dá)的數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一驗(yàn)證。完成第一遍篩選后，根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。若結(jié)果判定為“是”，則循環(huán)加密程序結(jié)束；反之，若結(jié)果判定為“否”，則重新返回，進(jìn)行第二遍加/解密。完成處理后再進(jìn)行第二次驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)束后進(jìn)行條件判定，重復(fù)上述步驟，直到所有數(shù)據(jù)均完成加/解密處理后，跳出循環(huán)條件，完成整個(gè)循環(huán)加/解密流程。

2.2 模型的使用

TEDCM 安全模型是基于Linux 環(huán)境開(kāi)發(fā)的，上文中提到的netfilter 也是Linux 系統(tǒng)中的一種通用框架。在模型的使用過(guò)程中，只需要借助于Makefile 文件，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各類(lèi)文件夾、數(shù)據(jù)包的篩選與判斷，從而簡(jiǎn)化了安全模型在信息加密和風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等方面的流程，提高了該安全模型的運(yùn)行效率。尤其是對(duì)于跨域虛擬機(jī)之間的大數(shù)據(jù)流量，也能夠完全滿足安全檢測(cè)需求，對(duì)提高通信安全效果有積極幫助。另外，TEDCM 安全模型使用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程，豐富了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、提高了設(shè)計(jì)自由度，讓TEDCM安全模型的功能更加強(qiáng)大。

3 跨域虛擬機(jī)間通信技術(shù)研究

3.1 信息交互操作實(shí)現(xiàn)過(guò)程

早期的Xen 虛擬機(jī)，多采用半虛擬化技術(shù)，在程序運(yùn)行時(shí)需要借助于物理主機(jī)上的客戶端，雖然其性能更加優(yōu)越，但是在信息交互時(shí)也面臨著更大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在進(jìn)行跨域通信時(shí)，半虛擬化技術(shù)已經(jīng)逐漸被淘汰。相比之下，Xen 虛擬機(jī)的完全虛擬化運(yùn)行方式，則可以將所有程序，甚至包括客戶端都包含在虛擬機(jī)以內(nèi)，保證了運(yùn)行環(huán)境的安全。基于完全虛擬化環(huán)境的信息交互操作，需要考慮的問(wèn)題有：（1）信息借助于何種路徑完成通信？（2）該通訊路徑的安全環(huán)境如何，以及可能存在何種安全風(fēng)險(xiǎn)？（3）在明確風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)制定何種策略來(lái)保障通信安全？

3.1.1 基于一臺(tái)物理主機(jī)的操作

理論上來(lái)說(shuō)，一臺(tái)物理主機(jī)盡可能少部署虛擬化操作系統(tǒng)，可以降低不同系統(tǒng)之間在信息交互時(shí)發(fā)生串?dāng)_的概率。但是在實(shí)際工作中，出于成本、功能等方面的考慮，每臺(tái)物理主機(jī)上可能同時(shí)運(yùn)行了若干虛擬化操作系統(tǒng)。這種情況下，就對(duì)Xen 虛擬機(jī)的可操作性和協(xié)調(diào)能力提出了極高的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，在特權(quán)虛擬機(jī)中只保留了后端驅(qū)動(dòng)，而將前端驅(qū)動(dòng)分別置于不同的客戶虛擬機(jī)中。不同虛擬機(jī)之間的通信路徑如圖3 所示。

圖3 位于同一物理主機(jī)上的客戶虛擬機(jī)，分別設(shè)有一個(gè)前端驅(qū)動(dòng)。并且利用通用接口，與特權(quán)服務(wù)器上的后端驅(qū)動(dòng)相連接。具體的流程為：客戶端虛擬機(jī)上的任何一項(xiàng)指令（包括信息的輸出與輸入指令），首先到達(dá)本機(jī)的前端驅(qū)動(dòng)上。但是在虛擬化操作系統(tǒng)中，該指令無(wú)法直接傳達(dá)到底層的設(shè)備。這種情況下，就需要通過(guò)跨域通信的方式，讓前端驅(qū)動(dòng)中的信息傳遞到位于特權(quán)虛擬機(jī)上的后端驅(qū)動(dòng)。然后從特權(quán)虛擬機(jī)上，實(shí)現(xiàn)控制信息與底層設(shè)備的連接，實(shí)現(xiàn)程序響應(yīng)或控制設(shè)備動(dòng)作。

圖3 同一臺(tái)物理主機(jī)上不同虛擬機(jī)之間的通信路徑

3.1.2 基于不同兩臺(tái)物理主機(jī)的操作

隨著云技術(shù)的發(fā)展，各類(lèi)云平臺(tái)的出現(xiàn)為虛擬機(jī)的跨域通信帶來(lái)了更多的方便。目前，云存儲(chǔ)因?yàn)榫哂腥萘可舷薷?、安全性能更好等諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的物理服務(wù)器，成為一種主流選擇。將虛擬化操作系統(tǒng)置于兩臺(tái)云服務(wù)器中，開(kāi)展信息交互的路徑如圖4 所示。

結(jié)合圖4 可知，客戶虛擬機(jī)發(fā)布指令或消息以后，首先到達(dá)本機(jī)的前端驅(qū)動(dòng)上。然后借助于通用接口，準(zhǔn)備向特權(quán)虛擬機(jī)的后端驅(qū)動(dòng)傳輸。在傳輸過(guò)程中，Xen 虛擬機(jī)的監(jiān)視程序（VMM）啟動(dòng)，并且對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行檢測(cè)和過(guò)濾，確保該信息的安全性。通過(guò)檢測(cè)之后，數(shù)據(jù)包到的后端驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)過(guò)特短虛擬機(jī)最終傳輸?shù)轿锢碇鳈C(jī)上的網(wǎng)卡中。

圖4 兩臺(tái)云服務(wù)器間的虛擬通信路徑

3.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

在風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容有：其一，選擇實(shí)力較強(qiáng)、信譽(yù)良好的虛擬化供應(yīng)商，有助于保證虛擬機(jī)間通信環(huán)境的安全性；其二，加強(qiáng)對(duì)信息交互過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免跨域通信過(guò)程中出現(xiàn)信息泄露或攔截等風(fēng)險(xiǎn)。在信息傳輸前進(jìn)行加密，在信息接收后再進(jìn)行解密，同時(shí)還要加強(qiáng)對(duì)傳輸媒介的監(jiān)管，才能讓整個(gè)通信流程更加安全，避免涉密信息的丟失、泄露，確保通信安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

大數(shù)據(jù)時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)通信需求激增，用虛擬機(jī)代替物理主機(jī)，除了降本增效外，還可以為用戶提供更加便捷的操作和更加豐富的功能，因此得到了推廣使用。隨著虛擬機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨之而來(lái)的跨域通信也成為常態(tài)，保障跨域通信的信息安全，成為當(dāng)下研究的熱門(mén)課題。通過(guò)設(shè)計(jì)基于TEDCM 的安全模型，以及加強(qiáng)虛擬通信路徑安全管理等綜合措施，營(yíng)造出安全水平較高的跨域通信環(huán)境，進(jìn)而支持虛擬機(jī)功能的更好發(fā)揮。