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虚拟机系统安全综述

文档作者：秦中元1 2 沈日胜1 张群芳狄予兴站文档来源： 1．东南大学信息科学与工程学院 2．信息网络安全公安部重点实验室 3．南京炮兵学院			点击数：
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第29卷第5期
2012年5月
计算机应用研究
Application Research of Compute碍
V01．29 No．5
Mav 2012
虚拟机系统安全综述木
秦中元1’2，沈日胜1，张群芳h，狄予兴站
(1．东南大学信息科学与工程学院，南京210096；2．信息网络安全公安部重点实验室，上海201204；3．南京炮
兵学院a．计算机教研室；b．通信教研室，南京211132)
摘要：随着云计算的广泛应用，虚拟机技术得到了复苏和长足的发展，但同时也带来了新的安全威胁，因此对
于虚拟机的安全威胁和防御的研究成为目前计算机安全界的研究热．最。以目前广泛应用的虚拟机xen为例。针
对虚拟机的技术特征分析了所存在的漏洞和威胁，并从计算机安全学的角度提出了相应的防御和保护方法。较
为全面地总结了目前国内外针对虚拟机安全各方面相关的研究成果．通过系统的比较分析，指出了目前存在的
问题，探讨了下一步的研究方向。
关键词：虚拟机；xe“；安全；防御
中图分类号：TP309 文献标志码：A 文章编号：100l-3695(2012)05．1618．05
doi：10．3969／i issn．1001．3695．2012．05．004
Survey on Virhlal machine system seeurity
QIN zhong_yuanl”，sHEN Ri—shen91，zHANG Qun、胁93B，DI Yu一】【in936
(1．姒础矿，咖册Ⅱ勘n＆路啦世E昭i地e嘞，岛H琥皤l踟“椰毋，№咖碍210096，吼加口；2．胁如6Dm幻可矿乜衙踟#溉^rel"矶s酣“一
n寸如胁n西‘_矿凡6如融矾砂，S^o，蛳觚201204，m抛；3．o．c0脚咖脚。咖e眦，6，c。mm“n蛔#洳D甲Ⅱn抛m，Ⅳn，班凡g，瑚疵啪o，
A嘲l如叮co≯，№，耐增211132，吼伽口)
Abs￡阳ct：With the widely spread 0f cl鲫d e。mputing，vinu且l maehine拒ehnol。gy revjves and ge姆rapid development，mean—
whiIe，new threats are also introduced． Researches on the threats and defen8es of virtual肌achines have become a hoc t0Dic．
Thjs paper firstly analyzed the vulnerabilities and threats of virtual machines，taking xen as an ex砌ple． Secondly，it imr0一
duced the defense蛐d proted rIle山o(1s which put forwa柑t0 improve the securi竹．FurtIle瑚Dre，“reviewed the state-of．me—art
me￡hods 0n出e virtual machine secu血y．Fina】ly lhe pa{)er d王Bcussed the exlsted pmblems and presented如ture direc吐ons，
Key words： vinIlal machine；Xen；8ecurity；de如nse
虚拟化技术最早起源于20世纪60年代，是计算领域的一
项传统技术，虚拟化技术支持在一个单一的服务器之上运行多
个操作系统的服务器。虚拟机技术是虚拟化技术在计算机上
的一种体现，通过内存、cPu、网络等虚拟化技术实现资源的隔
离和可靠利用。目前有很多流行的虚拟机，如VMware、KV-Ⅵ、
xen”1“，通过研究分析对比，开源的Xen虚拟机在性能上十分
优越，被认为是未来最有前途的虚拟化解决方案之一-3 J。
虚拟化技术作为云计算的关键核心技术，使得云计算成为
能够提供动态资源池、虚拟化和高可用性的下一代计算平
台H1，给企业和用户带来了很多的益处；硬件和资源的共享既
节约r开销，也为管理带来了方便，同时也革新了许多传统IT
技术。然而从安全角度来分析，却又带来了很多威胁，除传统
的攻击威胁之外，如隐蔽通道【5 J、基于VM的R删bt攻击
(VMBR)∞o以及新的恶意软件等也随之而来。虚拟化技术作
为云计算的核心技术，必须向其用户提供安全性和隔离保
证“。。2009年，在IDc以虚拟化技术为基础的云计算的用户
调查中就显示，安全是用户最关心的关键点[8]。
本文从虚拟机系统的原理、架构入手，从虚拟机系统的关
键技术如资源隔离、共享等方面研究系统可能存在的安全威
胁，然后，根据安全隐患提出理论上的保护方法。在总结前人
研究成果的基础上，较为全面地总结了目前国内外针对虚拟机
安全各方面相关的研究成果，指出了目前存在的问题．探讨了
下一步的研究方向。
1虚拟机技术
虚拟机技术最早由IBM于20世纪60年代提出，被定义为
硬件设备的软件模拟实现，通常的使用模式是分时共享昂贵的
大型机。目前，虚拟机中用到的虚拟化技术主要有网络、内存、
cPU、硬盘虚拟化技术。在虚拟机环境中，硬件层与虚拟机系
统之问存在一层虚拟机监视器(vinual macbineⅡIomtor，
VMM)，是虚拟机的核心层，负责上层虚拟机系统的资源分配
和底层交接。
1．1虚拟机架构
本文将以虚拟机xen为例，介绍虚拟机架构和原理。xen
是由英国剑桥大学计算机实验室开发的一个开源项目归]。
xen主要由两个组成部分，一个是虚拟机监控器VMM，也叫
HypewisoT。聊eⅣisor层在硬件与虚拟机之间，是最先载人到
硬件的第一层。在xen中，虚拟机称为Domain，其中DorIlain 0
收襁日期：20】1一09—30：修回日期：2011 n—12 基金项目：信息网络安全公安部重点实验室开放课题(cll605)；江苏毒网络与信息安
全重．董实验室开放课题基金资助项目(BM2003201)
作者简介：秦中元(1974一)，男．河南安阳人，副教授，博士，主要研究方向为云计算安全(zyqin@8∞．耐u．cn)；沈B胜(1986一)，男，硕士研究生，主
要研究方向为虚拟机安全；张群芳(198l一)，女，助教，硕士，主要研究方向为网络安全；狄予兴(1973．)。男，讲师，硕士，主要研究方向为通信网安奎．
万方数据
第5期秦中元，等：虚拟机系统安全综述·1619·
扮演着很重要的角色，负责其他虚拟机的控制管理和硬件驱动
等，同时Domain 0还负责其他Domain的数据传递。xen的架
构如图1所示。
圈l X∞瘟擂沛请g橱
在xen虚拟机系统中，在安全级别上分为四个等级(0—3一
riIlg)，VMM运行在特权模式(0一ring)，负责控制资源的隔离、
共享、数据处理等，为每个虚拟机虚拟一套独立于实际硬件的
虚拟硬件环境(包括处理器、内存、L／O设备等)，并仲裁虚拟机
0s对底层硬件的访问。
1．2虚拟机安全特征
将虚拟机架构抽象化，那么虚拟机主要由硬件、vMM、vMs
及Domain O四部分组成。下面将列出这四部分的一些关键特
征，以及在安全角度上分析其可能带来的安全影响。
1．2．1硬件
随着虚拟机技术的广泛应用，目前，很多硬件针对虚拟化
技术进行了拓展，如AMD和Intel相继针对全虚拟化拓展了
AMD．V和htel vT【l叫技术，通过多余的指令集来控制虚拟过
程。除此之外，虚拟机技术的硬件特征体现在陷进执行””和
可信模块上”⋯。
a)陷进。在所有x86的硬件平台下，陷进执行是支持虚拟
化的重要特征，虚拟域本身并不能直接访问本虚拟域以外的物
理资源，但是虚拟域可以通过超级调用(hypercall)向脚ervisor
申请各种服务，如MMu更新、∥0处理、对虚拟域的管理等。，
b)可信模块。它是可选硬件特征，目前可信计算已成为
了安全工具的一部分，而通过可信计算来确保VMM代码上的
完整性也是保护虚拟机系统的重要方法之一。。
1．2．2虚拟机管理器
在虚拟机环境中，VMM是核心。VMM可以完成如下一些
功能：a)网络管理，配置网络及网络数据包的转发，而VMM的
这一特征也可以用于数据包过滤，如为上层的安全服务提供入
侵检测阻“．b)安全日志管理，通过监测，VMMs能对VM的事
件行为进行记录，并保存在VM的空间外，可以利用这些丑志
信息对VM进行人侵分析”到；c)认证，当VM运行时，对VM
的关键数据和进程进行h“h存储，当VM系统发生数据改变
或者进程调用时，可以用于认证依据。这个功能在VM完整性
保护和可信模块上可以得到很好的利用”“。
1．2。3 Domain 0
Domain 0是VM的控制域，相当于所有VMs中拥有mot
权限的管理员，其他VM的创建、启动、挂起等操作都由Do—
mainO控制。除此之外，Domain 0还具有直接访问硬件的权
利，在Domain O中安装了硬件的原始驱动，担任着为Domain u
提供硬件服务的角色，如网络数据通信(DMA传输除外)。D0一
main O在接收数据包后，通过虚拟网桥技术，根据虚拟网卡地
址将数据包转发到目标虚拟机系统中，因此，拥有Domian O的
控制权限就控制r上层所有虚拟机系统，这也致使Domain 0
成为了攻击者的又一个主要目标。
1．2．4 VM
vM的0s运行与传统意义上的操作系统并无两样，但是
因为VMM的存在，VMM可以将VM当做软件一样进行镜像存
储和系统快照，以用于复制、备份、状态保留等。
2虚拟机安全分析
在前面的章节中系统地介绍了虚拟机的一些关键特征，并
且从安全角度进行了分析。本章中将从整个虚拟机的架构上
对虚拟机存在的安全威胁进行分析。
2．1攻击威胁
虚拟机系统比起传统的计算机系统存在更多的攻击点及
安全隐患。通过分析，得到虚拟机的攻击模型如图2所示，图
中箭头表明所受攻击威胁来源。本文只考虑虚拟机系统中存
在的安全分析，针对VM的传统攻击，诸如病毒攻击和网络攻
击等将不再细述。
说鲫明M：刘①Ⅷ—l传§统啵攻击《(泌妒呻一l∞VM测弼h0V吼嗡攻击
⑤一v姗的外部攻击
图2虚拟机威胁分析
2．1．1 VMM的外部攻击
目前针对VMM的外部攻击主要有两种，一种是基于VM
的Rootbt攻击，另一种是恶意代码攻击。
a)VMBR_】5’”J。攻击者利用Rootkit隐藏自己的踪迹，通
过保留mot访问权限，留下后门的程序集。VMBR的攻击会在
VMM的启动之前将程序代码写入内存并运行，一旦攻击者得
逞，那么所有虚拟机系统都将在攻击者的控制范围之内。目前
比较出名的VMBR攻击有Blue pill等。检测及防御VMBR攻
击的方法分析如下：(a)通过计时的方法，有一些指令的执行
是通过虚拟出来的，所占用的cPu周期会比真实的时间长，可
以通过这种方法来进行检测；(b)通过可信模块11PM来进行
VMM的保护川，通过启动过程的完整监测，可以防止Rootkit
的隐蔽插入，TPM的设计不但可以抵御VMBR的攻击，同时也
可以防御其他破坏VMM完整性的攻击。
b)恶意代码。攻击者可以利用远程攻击方法，虚拟机系
统的远程管理技术大多足用HTI下}／HⅡPs来连接控制的，因
此，VMM必须运行服务器来接受H7rrP连接。那么攻击者就
可以利用HTrP的漏洞来进行恶意代码的攻击，如xen的xen
API H1frP接口就存在xSs(cross—sit scripting)漏洞，攻击者可
以通过浏览器执行恶意代码脚本。
2．1．2 VM对Domain 0的攻击
Domain 0具有管理其他VM的特权，VM到Domain O的攻
击体现在殍l嘣一to—host的攻击来获取host的特权，而VM es—
capeu剐就是这种模式的攻击。VM通过应用程序，绕过VMM
的监控而直接访问Domain O，从而获取Domain 0的特权，而一
旦获取到了Domain 0的控制权后，就可以控制所有VM。这些
万方数据
·1620· 计算机应用研究第29卷
攻击是利用所发现的bug来实施的，如VMware workstation 6
cVE-2007_4496-l⋯，通过用户授权，进行内存访问和运行恶意
代码。另外，VM还可以利用共享内存通信方式对VMM进行
病毒分析。
2．1．3 VM之间的攻击
VMs之间的攻击体现在通过共同访问的资源来进行恶意
攻击。其中隐蔽通道是一个难以解决的问题，攻击者通过进
程、内存共享或内存错误，甚至其他错误信息来进行代码的植
入和攻击”“，目前也尚未得到很好的解决。
2．2其他安全隐患
a)备份、快照及还原漏洞，在虚拟机中，VMM提供了备
份、快照和还原的功能，一旦系统崩溃了，可以通过快照进行还
原，这为系统的维护带来了方便且具有实效性。然而这也导致
了新的问题发生：(a)这种机制使得VMs容易受到新的攻击，
因为许多安全攻击是依赖于线性时间的，重新访问以前的系统
状态会违反这些协议；(b)还原后，系统以前存在的漏洞会全
部出现，可能没有安全补丁，或旧的安全机制(防火墙规则、反
病毒签名等)，重新激活先前那些封锁的账号和密码，这都带
来了很多的安全隐患。
b)DMA攻击。在虚拟中有一种数据传输不受VMM控
制，这就是DMA传输。VM通过D0main o与硬件建立DMA连
接，而后将数据控制权交由VM进行数据传输，在数据传输的
过程中，数据将直接从网卡传输到目的VM中，在大数据量的
传输效率上有很大的提高。然而，这也为攻击者提供了方便，
攻击者将轻而易举地利用DMA方式将恶意代码或者病毒文
件等传人没有安全防范的目标机中，从而达到攻击的目的。
3虚拟机系统研究现状
目前针对虚拟安全的研究可以分为如下几类，如图3所示。
a)安全Hypervisor。在保护Hypervisor的同时，保护VMs
资源隔离性、数据安全性、通信安全性以及代码完整性等。
b_)针对专门攻击的防御研究。针对特定攻击，如VM—
BR_16。攻击、网络攻击、通信数据保护等。
c)可信计算。以唧M为硬件基础，建立可信Hypervisor、
可信安全域或通过可信链确保上层安全。
d)安全应用。如通过入侵检测和蜜罐等技术来进行系统
保护。
图3虚拟机安全研究分类
3．1 安全Hype嘶sor研究
HypenTisor是虚拟机的核心层，而虚拟机的安全研究也是
以Hypervisor为核心。很多研究人员提出了安全Hypervi80r的
概念，目前针对安全Hypemsor的研究较多。
IBM研究人员Sailer等人。20’提出了一种安全的Hypervisor
架构sHype，利用安全模型，通过访问控制模块(acces8 control
modllle，AcM)来控制系统进程、内存的访问，实现内部资源安
全隔离。sHype町以实行多种安全模型，但只是针对明确数据
流进行限制，而并未过多顾虑隐蔽通道∞1威胁。sailer等人【2lj
在虚拟机xen上进行了sHype架构的实现。目前在xen虚拟
机上，已经可以配置AcM安全模块。
G柚nkel等人H4l提出了基于虚拟机的可信架构Tem，利
用TPM来保护H)rpervisor的启动，然后通过可信虚拟机监视器
对VM进行硬件资源隔离。这种设计保证了Hypentisor启动
的安全，同时可信链的存在可以对系统事件进行认证。但Te—
ra的提出只是在理论上进行了研究分析，在实际中还未完成真
正的实现，这也是Tem架构的一大主要问题。
wang等人“副提出了Hype商舶架构，针对代码和控制数
据的完整性保护提出了相关的模型研究。文中提到了两种技
术：a)Non-bypassable memory lockdowIl，是一种内存保护技术，
通过特殊位wP来控制是否能写，除了安全史新之外，其他时
间都处于保护状态，保证了执行期间的数据和代码完整性-b)
Restricted pointer indexirIg，通过将控制数据指针限制到一个自
己建立的表中进行监控。Hypersafe能灵活地控制数据流的完
整性。
一些研究人员针对当前虚拟机中安全机制的一些漏洞进
行了分析和改进，Jansen等人“2。提出一种PEV(pmtection、en—
forcement、ve商cation)架构，通过加密解封的协议、安全策略等
技术进行数据检测和保护，并使用TPM建立可信区域来保护
关键数据；但是其关键数据是通过数据类型日志形式来保存
的，对数据日志项的加／解密势必影响整个虚拟机系统的性能。
针对DMA攻击，shitK啪wa等人【2⋯通过先开辟内存缓冲区进
行数据检测，然后从缓冲区将安全数据拷贝到目标系统的物理
内存区。他们提出了一个pa“pass—thmugh arcllitecture的架构，
将很多设备的驱动直接交由客户系统本身，而自身只配置了一
个parapass·t}uDugll出vers驱动集，通过在Hypervisor中对指令
和数据的截取来进行安全监控，从而提高了整个系统的可靠性。
Azab等人Ⅲo提出了HyperSentu。当完整性检测模块在
激活时，如果VMM已经被攻击，那么在激活过程中会擦除以
往的攻击痕迹，因此文章提出了一种隐蔽的激活方法，通过外
部的out—of-band信道IPMl来激活，并通过系统管理模块sMM
来保护基本代码和关键数据的安全性。同时在文献[25]中，
他们还提出了一种基于Hvpenrisor的虚拟机系统VMs完整性
测试代理HIMA，可以实现客户系统关键事件的动态监视和客
户内存的保护，在程序完整性测试上通过对加载到内存的代码
和数据段进行哈希计算来确认完整性；在内存保护上，HIMA
通过访问权限限制来保护客户内存，并使用测试虚拟域内存地
址的哈希方法来确保页映射中发生的安全问题。wu等人。2副
研究了基于Hypewisor的系统控制和监视机制，利用Hypenisor
来进行客户系统的安全保护，提出了BMcs(behavior moni—
toring aIld controUing system)的模块来完成系统中的行为监控。
xu等人旧“提出了一种基于VMM的0s内核保护模型uc0N，
通过基于事件的策略持续而实时地检测系统。
3．2针对特定攻击的安全研究
随着虚拟机的广泛应用，日前针对虚拟机的漏洞攻击也有
很多种，主要体现在VMBR攻击¨“、内存错误等隐蔽通道攻
击H’”J、网络攻击等。有很多安全研究人员针对这些攻击进
行了研究，并提出了相关的解决方法。
针对VMBR的攻击，Rhee等人。291利用一些安全策略，通
过监视内核的内存访问来防御动态数据内核Rootkit攻击，Ri-
万方数据
第5期秦中元，等：虚拟机系统安全综述·1621·
ley等人m1提出了通过内存影子来检测内核Rootkit攻击。Ge—
bh“dtd等人旧川提出了利用可信计算来防御Hypervisor的Ro—
o蚰t攻击。
针对虚拟机系统中存在的网络方面的威胁，如拒绝服务攻
击(Dos)，IJakshmi等人”2’提出了一种新的I／0虚拟架构，为
每个VM配置一个虚拟网卡，VM可以通过自身的网卡驱动与
虚拟网卡直接进行通信，然后通过VMM监视每个VM的数据
流，在防御诸如DMA的无控制漏洞和Dos攻击等威胁的同
时，也可以提高网络性能。
隐蔽通道是较难解决的安全问题之一，因为存在的隐蔽通
道通常是用户和系统不可知的传输通道，如基于CPu负载的
隐蔽通道凹”，攻击者利用cPu的负载传输私密数据流，既能
很隐蔽地传输数据，又能成功地避免检测。salaunbo研究了虚
拟机xen上可能存在的隐蔽通道，从xenstore的机制、共享协
议、驱动加载、数据传输等方面分析了可能存在的隐蔽通道。
隐蔽通道的建立和数据传输通常是需要“同伙的存在”，即接
收者和发送者的存在。cheng等人Ⅲo根据这一特征，在chj—
nese wall的安全模型上进行了改进，利用限制冲突集数据传输
来防御隐蔽通道。
3．3可信计算
在前面的介绍中已经提到了，一些研究人员提出用可信计
算来保护系统的完整性。catuogllo等人¨纠研究了一个基于
TcB的可信虚拟域的设计和执行，通过安全策略和TVD协议
实现可靠性。BeEger等人m1则通过软件方法设计了基于硬件
TPM的虚拟1PM来保证多个VM的可靠性。而Ruan等人口“
设计了一个一般的可信虚拟平台架构c下vP，将控制域分为管
理、安全、设备、Os成员、通信五个域，每个域都完成相应的功
能，从而达到了安全、负载均衡和易用等目的。，程川旧81提出了
一种基于xen的信任虚拟机安全访问机制，为用户提供了一
种有效的安全访问敏感数据的模式。其核心思想是利用虚拟
机的隔离性，为数据信息应用提供一个专用的隔离环境，同时
利用可信计算技术保证该虚拟平台配置状态的可信性。
3．4安全应用
中间层VMM的存在使得一些传统的安全技术能得到更
好的利用，因此，一些研究人员利用传统的安全技术如入侵检
测技术来提升系统的安全性。Jansen等人b叫提出了通过虚拟
化来提高系统的安全性和独立性。首先在安全主域配置入侵
检测系统，通过对客户机的用户命令所获取的信息和内核内存
所获取的信息比较来进行人侵分析；然后通过设置保护模块获
取客户机系统调用，进行进程等事件管理，实现完整性保护。
张志新等人Ⅲ1提出了基于xen的入侵检测服务，通过在VMM
层设置入侵检测系统，使得这个入侵检测系统位于监控所有对
操作系统的人侵事件的最佳位置，并处于一个独立于操作系统
之外的受保护的空间内，增强了入侵检测系统的独立性和检测
能力，是传统的基于主机和网络入侵检测系统优点的完美
结合。
3．5尚存在的问题
通过上文的分析可以发现，在国内外针对虚拟机系统的安
全研究已陆续出现很多，针对不同角度的安全研究都存在，从
整体分析来说，尚且存在如下一些问题：
a)没有从整体安全上进行设计，只是从单一的一方面进
行了研究，如sH)rpe汹1只是针对明确数据流，没有考虑到隐蔽
通道等安全。
b)一些研究设计过于复杂。在实施上存在问题，如Tem
架构u4l，虽然作者的设计理念十分突出，但是至今没能设计出
合适的实现平台。
c)忽略了性能的因素。出于安全的考虑，通过策略来进
行系统的完整性保护，如uc0N保护模型‘2”，但是在Linux系
统中，由于资源众多，将存在50 000种策略状态，那么在实际
中将严重影响系统的性能。有些研究人员针对存在的一些系
统复杂性进行了改进，如Pa”e等人H“提出了分层的访问控制
模型，在很大程度上简化了访问控制模块中的主客体关系链。
d)忽略了安全模块自身的安全，一旦安全模块自身被攻
击，那么相关的安全将得不到保障，如HIMA∞1、Bitvisor口⋯。
4结束语
本文旨在进行虚拟机系统的安全分析，总结目前已有的研
究成果，并指出其中存在的问题。首先以虚拟机Xen为例，介
绍了虚拟机的架构和关键技术，并从安全的角度对虚拟机中的
这些特征和存在的漏洞进行了分析，然后系统地介绍了虚拟机
环境中存在的攻击模型，分析了目前存在的一些攻击方式，并
针对这些攻击方式提出了相应的防御方法。其次还对目前针
对虚拟机安全的研究现状进行了概括总结，主要体现在安全
H)，pervisor、安全虚拟机架构、特定攻击安全研究、可信计算等
几个方面。同时，本文还分析了目前研究存在的一些问题。在
后续研究中，笔者将在前人研究的基础上进行安全虚拟机管理
器的研究，设计一个安全可靠的虚拟机管理器架构。
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