跨域虛擬通信安全模型設計及通信技術

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摘要：虛擬機不僅具有硬件系統(tǒng)的所有功能，還能夠解決硬件設備不兼容的問題，從而實現(xiàn)了信息資源共享，提高了運行的流暢度。在部署虛擬機時，將多臺虛擬機進行跨域連接，可以提供更多的功能與服務，滿足用戶多樣化的使用需求。但是在跨域信息交流中，也面臨著信息泄露等通信安全問題。文章首先介紹了現(xiàn)階段常用的幾種跨域虛擬機通信安全模型，包括PROCESS-A、TEDCM等，隨后分析了通信安全模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，信息交互操作實現(xiàn)過程，以及安全風險的分析與控制策略。

關鍵詞：跨域虛擬機；通信安全；信息交互；風險分析

在信息泄露問題日益嚴重的背景下，如何保障虛擬機間通信安全就成為人們關注的焦點問題?？缬蛱摂M機雖然也能夠起到一定的安全保護效果，但是不能從源頭上解決入侵破壞帶來的信息泄露風險。本文從設計通信安全模型方面展開研究，利用安全模型實現(xiàn)對通信環(huán)境的監(jiān)控和維護，從而為虛擬機跨域通信營造了安全環(huán)境，具有更強的實用性。

1跨域虛擬機間通信安全模型設計

1.1PROCESS-A

在Xen虛擬機中，XenStore的主要作用是連接應用軟件和底層硬件，保證了底層硬件能夠根據(jù)應用軟件下達的各項指令作出相應的動作。PROCESS-A就是基于XenStore的這一功能，從而實時、全面地掌握物理主機上的運行信息。特權虛擬機通過識別信息來源，將發(fā)送該信息的物理主機定義為A。同時，根據(jù)控制指令，將信息發(fā)往的目標主機定義為B。判斷A和B是否為同一臺物理主機。如果判定結(jié)果為“是”，說明信息交換在物理主機內(nèi)部完成，這種情況下只需要啟用物理主機上的殺毒軟件或安全系統(tǒng)（如防火墻），即可達到保障通信安全的目的；如果判定結(jié)果為“否”，說明信息交換在兩臺不同的物理主機之間完成，這種情況下就需要利用TEDCM安全通信機制，保證跨域虛擬機的通信安全。

1.2TEDCM

基于TEDCM構(gòu)建的通信安全模型，主要實現(xiàn)兩種功能：其一，核實被保護信息的發(fā)出系統(tǒng)和發(fā)往系統(tǒng)是否位于同一臺物理主機。其二，經(jīng)核實信息發(fā)出與接收的兩臺虛擬機，均位于相同的物理主機，調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)部的鉤子函數(shù)，通過提取信息特征對其做加密保護，借助于前端驅(qū)動、后端驅(qū)動然后完成信息傳輸；經(jīng)核實信息發(fā)出與接收的兩臺虛擬機，位于不同的物理主機，基于鉤子函數(shù)加密之后，借助于真實網(wǎng)卡、外置通訊裝置等，將信息傳輸?shù)搅硪慌_物理主機上的虛擬機。其流程如圖1所示。結(jié)合上述流程可以發(fā)現(xiàn)，TEDCM功能的實現(xiàn)，首先要依賴于鉤子函數(shù)對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鍵，就在于PROCESS-A。根據(jù)系統(tǒng)執(zhí)行PROCESS-A的結(jié)果，可以準確判斷發(fā)出該信息的虛擬機，與將要接受該信息的虛擬機，是否位于相同物理主機上。如果是同一臺物理主機上的內(nèi)部通信，說明該信息在發(fā)送前已經(jīng)被加密，此時TEDCM要進行解密；如果是不同物理主機上的跨域通信，為了保證信息在外部網(wǎng)絡中的傳輸安全，此時TEDCM要進行加密。

1.3安全分析

Xen虛擬機由兩部分組成，即特權虛擬機和非特權虛擬機。在部署安全模型時，為提高響應速度和減輕虛擬機運行負載，需要將安全模式放在特權虛擬機上。當位于不同物理主機上的兩臺虛擬機進行信息交互時，同時啟動加/解密系統(tǒng)。此時，虛擬機將加密后的信息，依次通過前端、后端驅(qū)動，進入到帶有安全模型的特權虛擬機中。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)行相應的動作。若判斷結(jié)果為“否”，經(jīng)過加密后的數(shù)據(jù)可以通過通信回路，從虛擬機轉(zhuǎn)到物理主機，再經(jīng)由物理主機上的網(wǎng)卡以及外部網(wǎng)絡，傳輸?shù)街付ǖ牧硪慌_物理主機上。經(jīng)過虛擬化處理后，信息進入到特權虛擬機上，XenStore執(zhí)行解密操作，依次經(jīng)過后端、前端驅(qū)動后，最終達到另一臺虛擬機上。

2跨域虛擬機間通信安全模型實現(xiàn)

2.1相應的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1.1基于特權虛擬機的安全模型基于TEDCM安全通信機制的安全模型，其正常運行與功能實現(xiàn)需要使用到netfilter框架。安全模型啟動之后，首先要進行初始化設置，可以通過一個init（）程序來實現(xiàn)，如圖2所示。上述程序除了進行安全模型的初始化處理外，還具有兩個判斷功能。功能之一是對所有輸入的數(shù)據(jù)包進行判斷，目的在于識別這些數(shù)據(jù)包的來源；功能之二是對所有輸出的數(shù)據(jù)包進行判斷，目的在于識別這些數(shù)據(jù)包的去向。其判斷依據(jù)主要是IP地址，通過IP是否一致最終判斷兩臺虛擬機是否部署在同一臺物理主機上。

2.1.2基于非特權虛擬機的安全模型非特權虛擬化操作系統(tǒng)發(fā)送消息抵達前端后，會進入blkif_queue_request函數(shù)中，對保存在數(shù)組中的數(shù)據(jù)進行加/解密處理，根據(jù)DES加解密的特點，里面有一個循環(huán)條件。循環(huán)加密流程為：安全模型提取前端驅(qū)動中的特征數(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TEDCM會對所有送達的數(shù)據(jù)進行逐一驗證。完成第一遍篩選后，根據(jù)驗證結(jié)果執(zhí)行相應的動作。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，進行第二遍加/解密。完成處理后再進行第二次驗證，驗證結(jié)束后進行條件判定，重復上述步驟，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。在模型的使用過程中，只需要借助于Makefile文件，就能夠?qū)崿F(xiàn)對各類文件夾、數(shù)據(jù)包的篩選與判斷，從而簡化了安全模型在信息加密和風險識別等方面的流程，提高了該安全模型的運行效率。尤其是對于跨域虛擬機之間的大數(shù)據(jù)流量，也能夠完全滿足安全檢測需求，對提高通信安全效果有積極幫助。另外，TEDCM安全模型使用C語言進行編程，豐富了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、提高了設計自由度，讓TEDCM安全模型的功能更加強大。

3跨域虛擬機間通信技術研究

3.1信息交互操作實現(xiàn)過程

早期的Xen虛擬機，多采用半虛擬化技術，在程序運行時需要借助于物理主機上的客戶端，雖然其性能更加優(yōu)越，但是在信息交互時也面臨著更大的風險。因此，在進行跨域通信時，半虛擬化技術已經(jīng)逐漸被淘汰。相比之下，Xen虛擬機的完全虛擬化運行方式，則可以將所有程序，甚至包括客戶端都包含在虛擬機以內(nèi)，保證了運行環(huán)境的安全?；谕耆摂M化環(huán)境的信息交互操作，需要考慮的問題有：（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險？（3）在明確風險的基礎上，應制定何種策略來保障通信安全？

3.1.1基于一臺物理主機的操作理論上來說，一臺物理主機盡可能少部署虛擬化操作系統(tǒng)，可以降低不同系統(tǒng)之間在信息交互時發(fā)生串擾的概率。但是在實際工作中，出于成本、功能等方面的考慮，每臺物理主機上可能同時運行了若干虛擬化操作系統(tǒng)。這種情況下，就對Xen虛擬機的可操作性和協(xié)調(diào)能力提出了極高的要求。為了實現(xiàn)這一功能，在特權虛擬機中只保留了后端驅(qū)動，而將前端驅(qū)動分別置于不同的客戶虛擬機中。不同虛擬機之間的通信路徑如圖3所示。圖3位于同一物理主機上的客戶虛擬機，分別設有一個前端驅(qū)動。并且利用通用接口，與特權服務器上的后端驅(qū)動相連接。具體的流程為：客戶端虛擬機上的任何一項指令（包括信息的輸出與輸入指令），首先到達本機的前端驅(qū)動上。但是在虛擬化操作系統(tǒng)中，該指令無法直接傳達到底層的設備。這種情況下，就需要通過跨域通信的方式，讓前端驅(qū)動中的信息傳遞到位于特權虛擬機上的后端驅(qū)動。然后從特權虛擬機上，實現(xiàn)控制信息與底層設備的連接，實現(xiàn)程序響應或控制設備動作。

3.1.2基于不同兩臺物理主機的操作隨著云技術的發(fā)展，各類云平臺的出現(xiàn)為虛擬機的跨域通信帶來了更多的方便。目前，云存儲因為具有容量上限更高、安全性能更好等諸多優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的物理服務器，成為一種主流選擇。將虛擬化操作系統(tǒng)置于兩臺云服務器中，開展信息交互的路徑如圖4所示。結(jié)合圖4可知，客戶虛擬機指令或消息以后，首先到達本機的前端驅(qū)動上。然后借助于通用接口，準備向特權虛擬機的后端驅(qū)動傳輸。在傳輸過程中，Xen虛擬機的監(jiān)視程序（VMM）啟動，并且對數(shù)據(jù)包進行檢測和過濾，確保該信息的安全性。通過檢測之后，數(shù)據(jù)包到的后端驅(qū)動，并經(jīng)過特短虛擬機最終傳輸?shù)轿锢碇鳈C上的網(wǎng)卡中。

3.2風險分析

在風險分析時，需要重點關注的內(nèi)容有：其一，選擇實力較強、信譽良好的虛擬化供應商，有助于保證虛擬機間通信環(huán)境的安全性；其二，加強對信息交互過程的實時監(jiān)控，避免跨域通信過程中出現(xiàn)信息泄露或攔截等風險。在信息傳輸前進行加密，在信息接收后再進行解密，同時還要加強對傳輸媒介的監(jiān)管，才能讓整個通信流程更加安全，避免涉密信息的丟失、泄露，確保通信安全。

4結(jié)束語

大數(shù)據(jù)時代的網(wǎng)絡通信需求激增，用虛擬機代替物理主機，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。隨著虛擬機應用越來越廣泛，隨之而來的跨域通信也成為常態(tài)，保障跨域通信的信息安全，成為當下研究的熱門課題。通過設計基于TEDCM的安全模型，以及加強虛擬通信路徑安全管理等綜合措施，營造出安全水平較高的跨域通信環(huán)境，進而支持虛擬機功能的更好發(fā)揮。

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作者：計策 肖軍 呂翔 單位：中國人民解放軍31401部隊