虚拟机中的通信机制的安全问题研究

自从1960年前后IBM成功推出VM/370,虚拟机的发展已经有了40多年的历史,尤其是最近几年VMware和Xen等针对X86架构的虚拟机产品的问世把对虚拟机的研究推到了工业界和研究界的前沿。人们在考虑虚拟机带来资源利用率提高的同时,也在关注着虚拟机的引入对计算机网络信息安全的影响。虚拟化能实现部分隔离功能,能增加系统的安全性。本文对完全硬件仿真虚拟机、半虚拟化虚拟机以及操作系统级虚拟机中的通讯机制的安全性进行分析,详细描述了目前的研究情况、存在的问题以及一些有针对性的优化方法。     

基于共享内存的Xen虚拟机间通信的研究

当虚拟机技术应用在服务器整合等领域时,虚拟机之间的通信会非常频繁.虚拟机本身的通信机制将成为瓶颈.目前,在Xen中不同的虚拟机间进行通信时,不仅通信路径长.而且虚拟机间的切换会造成很大的性能开销.在深人研究Xen虚拟机通信机制的基础上,提出了一种基于共享内存的通信方法,用于提高同一台物理机器上不同虚拟机之问通信的性能.实验结果表明,该方法极大地增加了虚拟机之间的通信带宽,并且有效平衡一f各个虚拟机的CPU利用率.     

基于Xen平台的虚拟机安全监控系统的研究

针对虚拟机安全监控系统的灵活性和安全性不足的问题,在Xen平台上研发虚拟机安全监控系统来解决该问题.对Xen虚拟机技术和虚拟机监控技术进行了详细描述,对虚拟机安全监控系统的框架进行了详细分析,给出了系统安全决策模块和安全呼叫模块之间的协商机制,并给出了系统模块的部分实现.对系统安全工程人员和项目架构人员都具有积极的作用.     

基于多核的共生虚拟机通信加速机制XenVMC的优化

在当前的虚拟化平台中,采用共享内存加速位于同一台物理机上的共生虚拟机间的通信是一种被普遍采用的通信加速思路。XenVMC是这些优化方案中的一种,具有效率高、多层透明、支持在线迁移的特点。多核技术的发展为XenVMC提供了进一步的改进空间。基于XenVMC特殊的通信场景,设计了一种多核优化方法,通过设计多核场景下XenVMC的环形共享内存缓冲区,并调度接收方的多个CPU运行,使接收方可以多核并发地接收数据。实验结果表明,使用多核优化后,XenVMC显著地提高了通信事务的吞吐率,并在一定条件下提高了数据的吞吐率。     

虚拟机监控器Xen的可靠性优化

对一个开源的、主流的虚拟机监控器Xen进行了优化研究。用通信顺序进程(CSP)和软件体系结构等形式化方法描述了Xen的块设备I/O体系结构,增加了约束其构件并发交互行为的设计准则,理论上确保了并发交互不死锁,提高了系统的可靠性。以这些设计准则为指导,重新优化设计了相关程序。实验表明优化虽然减小了I/O吞吐量,但系统的可靠性得到了增强,优化仍具有价值。     

基于虚拟机的计算机系统安全研究

该文分析了当前计算机系统面临的严峻的安全现状、现有的安全保护措施及其不足,并介绍了虚拟机技术,提出了用虚拟机技术保护计算机系统安全的新的措施.     

XHydra:面向虚拟机Xen的安全增强架构

针对开源虚拟化平台Xen的管理虚拟机Dom0服务臃肿和可信计算基庞大等问题,提出了一种基于Xen的安全虚拟机架构XHydra。该架构采用微内核的设计思想和最小特权安全理论,将Dom0分离成多个功能独立、相互隔离且具有最小特权的迷你服务域,并设计了一个服务监视器进行管理。服务监视器通过构建用户虚拟机与迷你服务域之间设备通信的专用通道,实现用户虚拟机和迷你服务域之间的双向隔离。最后基于Xen4.4开发了XHydra的原型系统,提高了平台的安全性,验证了架构的可行性。同时,针对虚拟化平台的存储性能和网络性能进行基准测试,实验结果表明所提方案性能相对于原始Xen仅降低了3%。     

基于内存迭代拷贝的Xen虚拟机动态迁移机制研究

为减少虚拟机动态迁移时间,Xen采用了Pre-Copy算法来选择合适的时间进行停机拷贝,以保证在低负载或空负载时的虚拟机迁移的优越性能,但在高负载环境下,Pre-Copy算法对内存页的重复迭代严重影响了虚拟机迁移的效率。基于Xen虚拟机内存迭代拷贝算法,提出了一种内存分片迭代拷贝机制,即通过缩短迭代拷贝的终止时间来减少虚拟机动态迁移所花费的时间。实验结果表明,内存分片迭代机制可以有效提升Xen虚拟机动态迁移的性能。     

一种云计算环境下基于Xen的虚拟机调度机制

目前Xen下的经典的虚拟机调度算法忽略了服务操作系统的I/O处理能力对系统整体性能的影响,同时未考虑增加延迟敏感型任务的响应速度,为此,设计了一种云计算环境下的改进的Credit调度算法;首先,设计了一种新的Credit值自适应计算方法,然后设计了一种根据服务操作系统的请求处理速度来确定各虚拟客户操作系统和服务操作系统CPU物理时间片的权值确定方法并描述了权值更新时机,最后,对改进的VCPU调度算法进行了定义和描述,在算法中通过优先考虑延迟敏感任务和缓存关联任务作为下一步调度的VCPU以进一步提高算法性能;实验结果表明:文中方法有效实现Xen框架下的虚拟CPU调度,较其它方法相比,将CPU利用率提高了8%以上,是一种有效的适用于云计算的虚拟机调度方法,具有很强的可行性。     

基于Xen的X86虚拟机性能调优

目前针对虚拟机环境的性能测试工具很少，测试主要还停留在运行一些基准测试程序的基础上，对虚拟机性能的调优帮助有限。文章提出了一个Xen虚拟机环境下的性能调试工具Exentrace，介绍了其Lasylog和Smartfilter两大特性。演示了利用Exentrace在不同负载的虚拟机上收集、分析数据。利用这些数据发现并解决了一个关键的性能问题。     

基于Xen的虚拟显示性能测试与评价

针对虚拟化环境下图形显示的特点,该文充分考虑了在虚拟化环境下显示性能的特殊性,选取了六个不同的应用．将其作为评价虚拟化环境下显示性能的重要指标;与此同时提出了一个虚拟化环境下虚拟机显示性能的评价标准．作为判断虚拟环境下虚拟机显示性能好坏的依据。     

基于Xen的虚拟显示性能测试与评价

针对虚拟化环境下图形显示的特点,该文充分考虑了在虚拟化环境下显示性能的特殊性,选取了六个不同的应用,将其作为评价虚拟化环境下显示性能的重要指标;与此同时提出了一个虚拟化环境下虚拟机显示性能的评价标准,作为判断虚拟环境下虚拟机显示性能好坏的依据。     

基于VMI的虚拟机攻击防护机制研究

首先介绍了云计算基础设施即服务所存在的安全隐患,在此基础上对垫脚石攻击的防护机制作了分析。针对此攻击,提出了一种新的保护机制,即VMI攻击拦截机制,并对VMI攻击拦截机制进行了实现。     

基于Xen的虚拟机迁移时内存优化算法

为了在云计算环境下进行虚拟机迁移,Xen迁移时采用比较传递页位图和跳过页位图的方式来判断内存页是否重传.针对页位图比较带来多次重传增加网络传送开销的问题,提出基于AR模型的内存优化算法,该算法根据所有记录的内存页修改时间间隔来预测内存页的下次修改时间,当下次修改时间大于某个阈值时进行重传.实验结果表明,基于AR模型的内存优化算法缩短了虚拟机迁移的时间,减少了虚拟机迁移时的网络开销,保证了同台服务器上其它虚拟机的网络带宽应用.     

IVirt:基于虚拟机自省的运行环境完整性度量机制

完整性度量是检测程序篡改的重要方法,但是在虚拟化环境下传统的检测方法已体现出不足.例如,度量软件与被度量对象处于相同操作系统中易受攻击.该文从安全性和性能两方面出发,提出了一种基于虚拟机自省的完整性度量机制IVirt(Integrity for Virtualization).该机制从虚拟机外部通过地址转换和内容定位得到所需的虚拟机内存数据,从而对虚拟机内部的程序进行完整性度量,以检验程序是否遭到篡改.该文以典型的虚拟机监视器Xen为例实现了IVirt原型系统.相比于同类工作,IVirt一方面将度量软件与被度量对象分离,防止度量软件遭到攻击;另一方面采用地址转换来度量运行时状态,这区别于采用事件拦截机制的度量方法,以降低性能开销.实验结果表明,该方法能够检测出虚拟机运行时的软件篡改,而且在性能上不会引入过高的代价.     

Xen虚拟化技术研究

对开源Xen虚拟化平台的体系结构、域的管理与控制、虚拟机通信机制、vcpu调度、虚拟化存储系统等进行了研究,并搭建试验环境进行了测试和模拟。     

虚拟机全系统回放技术研究

研究了虚拟化体系结构下全系统回放的方法,设计实现了基于半虚拟化设备模型的虚拟机回放系统VMRS(virtual machine based replay system)。通过在虚拟机管理器中记录虚拟机内发生的不确定性事件并在回放时模拟不确定性事件的发生,从而完整重现系统的执行流。实验表明系统具有良好的性能和可扩展性。     

虚拟机检测与反检测技术研究

目前恶意代码研究领域普遍使用虚拟机来动态分析恶意代码,然而众多恶意代码都使用了虚拟机检测的技术来对抗。本文首先简单介绍了虚拟机技术,然后对虚拟机检测技术及其相应检测算法进行了研究,最后介绍了一些反虚拟机检测技术。     

基于VMFUNC的虚拟机自省触发机制

虚拟化技术作为云计算的基础得到了广泛应用,但随之而来的虚拟机安全问题日趋严重.虚拟机自省作为一种从外部监控虚拟机内部运行状态的方法,为解决虚拟机安全问题提供了新视角,但同时也引入了巨大开销,阻碍了实际应用.提出了一种基于VMFUNC的虚拟机自省(virtual machine introspection, VMI)触发机制.该机制借助CPU硬件特性VM-Function以及RDTSC指令模拟,将调用时产生VM Exit开销降至最低;利用VMFUNC的功能为目标虚拟机切换备用扩展页表,避免VMI程序运行时对虚拟机执行的中断;通过重载VMFUNC指令和Xentrace的功能实现高效的触发与信息传递机制,主动触发VMI程序运行,克服了VMI程序常驻带来的大量资源消耗.实现了虚拟机自省即服务系统,并进行了实验验证.结果表明：本系统带来额外性能开销不超过2%,使VMI在实际云环境中的广泛应用成为了可能.