虚拟计算平台远程可信认证技术研究

与传统的单机系统按照可信平台模块、可信BIOS、操作系统装载器、操作系统内核的信任链传递方式不同,虚拟化计算环境信任链按照可信平台模块、可信BIOS、虚拟机监控器和管理虚拟机、用户虚拟机装载器、用户虚拟机操作系统装载器、用户虚拟机操作系统内核的方式进行.文章对虚拟计算平台远程完整性验证的安全需求进行了分析.为防止恶意的虚拟机监控器篡改虚拟机的完整性证明,文章提出虚拟机平台和虚拟机管理器两级的深度认证.在对虚拟机认证过程中,远程挑战者需要通过虚拟机或者直接与虚拟平台建立联系来认证平台的虚拟机管理器层.为防止中间人攻击,文章提出将物理平台寄存器映射到各虚拟平台寄存器的方式解决虚拟机与物理平台的绑定问题.     

基于Unikernel技术的移动通信网络虚拟可信管理技术研究

虚拟化技术提高了物理资源的利用效率,但是虚拟化技术也面临虚拟机逃逸、跳跃攻击、虚拟机蔓延、隐通道、DMA攻击等安全风险,可信芯片技术可以从源头保证平台可信性,保证虚拟域的安全可信。本方案提出一种基于Unikernel技术的虚拟可信管理服务器构建方案,能够实现虚拟化环境下可信安全管理,不再将虚拟可信管理组件和可信平台模块放在特权域Domain0中,而是将虚拟TPM的管理组件与所需操作系统功能库编译并链接为一个密封的、具有单独地址空间的、专门的虚拟机镜像,直接运行在Hypervisor之上,能够为虚拟域提供可信管理服务。     

无线移动网络跨可信域的直接匿名证明方案

基于信任委托的思想,提出一种移动环境下的跨可信域的直接匿名(direct anonymous attestation,简称DAA)证明方案,采用代理签名技术和直接匿名证明方法,实现对移动终端在多可信域之间漫游时的可信计算平台认证,并在认证过程中协商会话密钥,增强了远程证明体系的安全性.利用Canetti-Krawczyk(CK)模型对方案的认证协议的认证安全性和匿名安全性进行了形式化分析和证明.分析表明,该方案能够抵抗平台伪装攻击和重放攻击,其性能适用于无线网络环境.     

具有瀑布特征的可信虚拟平台信任链模型

将虚拟化技术与可信计算相结合构建的可信虚拟平台及其信任链模型是目前的一个研究热点。目前大部分的研究成果采用在虚拟平台上扩展传统信任链的构建方法,不仅模型过粗且逻辑不完全合理,而且还存在底层虚拟化平台和顶层用户虚拟机两条分离的信任链问题。为此,提出一种具有瀑布特征的信任链模型——TVP-QT,该模型以硬件可信平台模块（TPM）为起点,在底层虚拟化平台和顶层用户虚拟机信任链之间加入可信衔接点。当信任链从底层虚拟化平台传递到可信衔接点时,由可信衔接点负责对用户虚拟机的可信虚拟平台模块（vTPM）进行度量,之后将控制权交给vTPM,由vTPM负责对用户虚拟机启动的组件及应用进行度量。该模型中可信衔接点具有承上启下的瀑布特征,能满足虚拟化环境的层次性和动态性特征,保证了整个可信虚拟平台的可信性。不仅从理论上证明了该模型的正确性,而且对实例系统的分析和讨论也表明了该模型的通用性与可行性;在Xen中对该模型进行了仿真实验,实验结果表明该信任链传递理论可以保证可信虚拟化环境在整个运行过程是安全可信的。     

基于无干扰理论的虚拟机可信启动研究

云计算作为一种新型高价值计算系统,目前被广泛应用于各行业领域;等保2.0中也提出了对其应用主动免疫可信计算技术进行动态可信验证的要求.云计算模式下,虚拟机作为用户使用云服务的直接载体,其可信启动是虚拟机运行环境可信的基础.但由于虚拟机以进程的形式运行在物理节点上,其启动过程呈现出高动态性,且多虚拟机域间存在非预期干扰等特点;而现有的虚拟机可信启动方案存在虚拟机启动过程的动态防护性不足、缺乏多虚拟域间非预期干扰性排除等问题.针对上述问题,提出一种基于无干扰理论的虚拟机可信启动研究方案.首先,基于无干扰理论,提出了虚拟机进程的运行时可信定理;进一步地,给出了虚拟机可信启动的定义并证明了虚拟机可信启动判定定理.其次,依据虚拟机可信启动判定定理,基于系统调用设计监测控制逻辑,对虚拟机启动过程进行主动动态度量与主动控制.实验结果表明所提方案能够有效排除复杂云环境下多虚拟机间非预期干扰,保证虚拟机启动过程的动态可信性,且性能开销较小.     

基于无证书环签名的虚拟机可信证明方案

由于虚拟环境的复杂性和动态性,使用传统方法证明其安全状态时会出现运算效率低下的情况;而环签名具有运算效率高、匿名性强的特点,利用无证书公钥系统可解决密钥管理问题。为此,提出一种采用无证书环签名机制的虚拟机可信证明方案。私钥生成中心（PKG）验证平台物理环境的状态可信后,由PKG和虚拟可信平台模块（vTPM）管理器利用无证书算法共同生成vTPM签名密钥,虚拟机对外证明时采用环签名机制,将证明者的信息隐藏在环成员列表中,从而实现虚拟机对外的匿名身份证明和状态证明。在完成证明准备工作后,虚拟机不需要在每次证明和迁移时重复生成虚拟身份证明密钥（vAIK）证书,因此大大提高了证明效率;另外方案具有很强的安全性和匿名性,适用于虚拟机数量巨大的云计算环境。     

IaaS环境可信证明方法研究

提出一种基于时间戳的基础设施即服务(IaaS)动态可信证明方法。通过对云节点进行实时的动态度量,并将度量结果与度量时间绑定,验证云节点的当前运行状态可信。基于该方法,结合IaaS的服务业务流程,设计云节点注册证明、虚拟机启动证明及虚拟机关闭证明等远程证明方法,证明用户虚拟机运行于状态可信的云节点上,同时保证虚拟机数据的完整性和机密性。     

无线移动网络跨可信域的直接匿名证明方案?

基于信任委托的思想,提出一种移动环境下的跨可信域的直接匿名(direct anonymous attestation,简称DAA)证明方案,采用代理签名技术和直接匿名证明方法,实现对移动终端在多可信域之间漫游时的可信计算平台认证,并在认证过程中协商会话密钥,增强了远程证明体系的安全性。利用 Canetti-Krawczyk(CK)模型对方案的认证协议的认证安全性和匿名安全性进行了形式化分析和证明。分析表明,该方案能够抵抗平台伪装攻击和重放攻击,其性能适用于无线网络环境。     

基于VMI的虚拟机远程证明方案

可信计算组织（TCG,trusted computing group）提出的虚拟机远程证明方案可以为云计算平台提供虚拟机完整性验证服务,而直接使用 TCG 提出的方案性能较低,并且会受到布谷鸟攻击的威胁。利用虚拟机自省技术（VMI,virtual machine introspection）设计了新的虚拟机远程证明方案。通过在虚拟机监视器（VMM,virtual machine monitor）中获取虚拟机远程验证证据的方法消除在虚拟机内执行布谷鸟攻击的路径,利用物理可信平台模块（TPM,trusted platform module）保证虚拟机远程验证证据的完整性,减少了身份证明密钥（AIK,attestation identity key）证书的产生数量,降低了私有证书颁发机构的负载。实验表明,方案可以有效验证虚拟机的完整性状态,在虚拟机数量较多的情况下,性能优于TCG提出的虚拟机远程证明方案。     

可信虚拟平台中的双AIK签名机制

在Xen虚拟平台中,用于完整性认证的虚拟可信平台模块(TPM)存在身份证明密钥(AIK)泄露隐患。为此,提出一种适用于可信虚拟平台的双AIK签名机制,以及与之配合的远程完整性认证协议,使用不同AIK对物理平台完整性信息及虚拟机内部完整性信息进行分开签名。安全性分析表明,该机制能解决Xen平台的身份密钥泄露问题。     

虚拟可信平台模块动态信任扩展方法

将可信计算技术应用到虚拟计算系统中,可以在云计算、网络功能虚拟化（network function virtualization,简称NFV）等场景下,提供基于硬件的可信保护功能.软件实现的虚拟可信平台模块（virtual trused platform module,简称vTPM）基于一个物理TPM（physical TPM,简称pTPM）,可让每个虚拟机拥有自己专属的TPM,但需要将对pTPM的信任扩展到vTPM上.现有方法主要采用证书链来进行扩展,但在虚拟机及其vTPM被迁移后,需要重新申请vTPM的身份密钥证书,可能会存在大量的短命证书,成本较高,且不能及时撤销旧pTPM对vTPM的信任扩展,也不能提供前向安全保证.提出了一种vTPM动态信任扩展（dynamic trust extension,简称DTE）方法,以满足虚拟机频繁迁移的需求.DTE将vTPM看作是pTPM的一个代理,vTPM每次进行远程证明时,需从一个认证服务器（authenticaiton server,简称AS）处获得一个有效的时间令牌.DTE在vTPM和pTPM之间建立了紧密的安全绑定关系,同时又能明显区分两种不同安全强度的TPM.在DTE里,vTPM被迁移后,无需重新获取身份秘钥证书,旧pTPM可及时撤销对vTPM的信任扩展,而且DTE可提供前向安全性.从原型系统及其性能测试与分析来看,DTE是可行的.     

面向云计算的计算平台远程证明

云计算是一种新兴的计算服务模式,其安全问题已经成为亟待研究的问题。本文将可信计算中的远程证明机制引入云计算中,针对云计算服务的特点,采用基于属性的远程证明思想,设计了一种面向云计算的计算平台远程证明方法,通过证明代理,实现云计算环境下计算平台安全属性的远程证明,使用户能够对云计算虚拟计算环境中的实际计算平台的安全属性进行验证。     

基于TPCM的容器云可信环境研究

容器技术是一种轻量级的操作系统虚拟化技术,被广泛应用于云计算环境,是云计算领域的研究热点,其安全性备受关注。提出了一种采用主动免疫可信计算进行容器云可信环境构建方法,其安全性符合网络安全等级保护标准要求。首先,通过 TPCM 对容器云服务器进行度量,由 TPCM 到容器的运行环境建立一条可信链。然后,通过在 TSB 增加容器可信的度量代理,实现对容器运行过程的可信度量与可信远程证明。最后,基于Docker与Kubernetes建立实验原型并进行实验。实验结果表明,所提方法能保障云服务器的启动过程与容器运行过程的可信,符合网络安全等级保护标准测评要求。     

基于可信移动平台的跨身份标志域访问模型*

重点研究了不同身份标志域中用户与服务提供者之间的信任关系建立问题,提出了基于可信移动平台的移动身份管理框架。将可信移动平台提供的可信引导、远程平台证明和可信票据机制集成到框架中以建立不同身份标志域间的信任关系。由于移动平台的计算和存储能力有限,该框架协议呈现了服务器完成了大部分计算的不平衡特征。该框架以用户为中心并抵抗各种攻击,增强了安全性能。