虚拟化与密码技术应用:现状与未来

虚拟化技术是一种典型的资源管控技术,将计算机系统的计算、存储等资源抽象成为隔离的运行环境,供多个独立运行的用户态程序或客户虚拟机使用.在虚拟化系统中,可进一步使用密码技术保护用户态程序或客户虚拟机的数据、代码等运行环境信息,使其免受来自于恶意的程序、虚拟机、操作系统甚至Hypervisor的攻击威胁,实现更完善的安全保障.另一方面,由虚拟化技术构建的隔离运行环境,也能够用于密码系统的安全执行,为密码实现和应用提供额外的安全保障.本文系统地梳理了虚拟化与密码技术应用的结合研究:先从上述两个角度分别介绍了在原有常规计算机系统(使用不带专门硬件安全特性的CPU以及TPM芯片)的各种密码应用安全解决方案,总结了相应的特点和不足;然后,针对近年来出现的支持可信执行环境的计算机系统(使用带专门硬件安全特性的CPU,如Intel SGX、AMD SEV和ARM TrustZone等),介绍了其中的密码技术应用和密码系统构建,总结了现有研究的主要方向.最后,展望了虚拟化系统密码技术应用的未来研究发展方向.

可信密码模块(TCM)芯片的虚拟化设计

本文介绍了一种中国标准可信密码模块(简称TCM)芯片的虚拟化方法,借助于本方法,可以为运行在同一台物理机器上的不同虚拟机分别提供相互隔离的、完整功能特性的虚拟TCM设备,对于虚拟机而言,该设备可以视为标准的TCM硬件进行操作并实现TCM标准所定义的所有完整功能。

基于定制化服务器的可信密码模块应用研究

随着国家对信息安全意识的不断加强,我国开始大力推进提高信息技术自主可控能力,其中可信计算起到十分关键的作用。目前国外主流IT厂商、标准组织建立的是以TPM为核心的技术规范体系,为了打破国外对可信计算的技术垄断,我国相关管理机构、科研组织和科技公司联合制定具有自主知识产权的可信密码模块(Trusted Cryptography Module,TCM)技术体系,推动中国可信计算产业发展。文章提出基于定制化服务器开展TCM应用研究,对系统启动过程进行分析,建立以可信基本输入输出系统(Basic Input Output System,BIOS)为可信根,并将可信性传递到可信主引导记录(Main Boot Record,MBR),最终实现系统可信的可信链。结果显示,基于可信BIOS和可信MBR双重保障的系统具有较好的安全可行性。

基于TCM的国产化虚拟可信计算平台研究

传统可信计算技术在提高计算平台自身安全免疫能力的同时,对计算平台上可以使用的应用软件添加了诸多限制,影响了平台功能的多样性和用户使用的方便性。为此,将虚拟化技术引入到可信计算平台中,利用虚拟化技术的平台隔离性,实现可信计算平台和普通开放式计算平台在同一物理平台上的隔离,使之既能满足安全的需要,也不影响系统的可用性。以国产TCM可信芯片、国产处理器为硬件基础,国产麒麟操作系统为底层软件,构建国产化虚拟可信平台,适用于构建安全的自主可控计算平台。

云环境下国产可信根TCM虚拟化方案研究

将可信计算技术应用于云计算环境中是保证云安全的有效途径。针对国产可信计算的可信根可信密码模块(Trusted Cryptography Module,TCM)只适用于单机平台,无法为多虚拟机的云平台提供安全可信性保障的问题,对TCM的虚拟化方案进行研究,构建云可信根(Cloud TCM,C-TCM)架构。在C-TCM物理环境内部构造宿主可信根和虚拟可信根,分别为物理宿主机和虚拟机提供可信服务,同时在虚拟机监视器层部署虚拟可信根管理机制,实现虚拟可信根对C-TCM硬件资源的共享。该方案可有效保证云平台的安全可信性。

基于密码卡的虚拟化可信平台设计

虚拟化技术实现了云中硬件资源的共享,但也给主机安全带来了新的挑战。从虚拟化环境中主机系统的可信性需求出发,针对传统设计的TPM模块在虚拟化环境中性能和资源的不足,提出利用性能更高、易于灵活扩展的PCI-E接口密码卡替代传统TPM的方法。结合密码卡、虚拟化技术和可信服务功能构建一个高性能的虚拟可信平台,为虚拟平台上的应用提供可信度量、可信存储服务,从而有效地解决云端服务器的安全、可信问题。

一个基于可信密码模块的数字版权管理方案

分析可信计算密码支撑平台可信密码模块的功能和结构,在比较数字水印、防拷贝、加密、激活的数字版权管理技术的基础上,研究可信密码模块在数字版权管理中应用的优势,对数字版权作品的保护,提出用外接可信密码模块加强数字版权管理的方案,不仅与现有的数字版权管理技术兼容支持,而且有利于普及数字版权管理。

虚拟化环境下的可信计算机制应用研究

论文描述了可信计算虚拟化计算环境应用所面临的难题,提出了虚拟化环境下可信计算技术的应用结构框架,并详细介绍了可信计算虚拟化环境应用框架中相关的关键技术。

嵌入式系统可信虚拟化技术的研究与应用

嵌入式系统在生活中的应用日益广泛,传统的安全增强手段已无法有效应对各种安全问题,增强嵌入式系统的安全性成为目前亟需解决的问题。为提高嵌入式系统及其应用程序的安全性,结合嵌入式系统的虚拟化技术与可信计算技术,设计并实现基于虚拟TCM的可信计算平台框架,实现了虚拟TCM和基于虚拟TCM的可信增强技术,提出并实现了一个基于虚拟TCM的会话认证方法,将信任链从硬件操作系统层扩展到了虚拟域的应用软件层。实验结果表明,虚拟TCM与物理TCM相结合能够有效保证嵌入式系统、虚拟域和应用程序的安全可信。

基于可信平台控制模块的可信虚拟执行环境构建方法

针对云计算环境中单个计算节点可信性问题以及虚拟机迁移过程中多个节点间信任关系保持问题,基于我国可信计算技术的可信平台控制模块(trusted platform control module,TPCM)提出了一种可信虚拟执行环境构建方法.该方法通过将国产可信根TPCM虚拟化为云中的每个虚拟机生成了虚拟可信根,并将云信任链从物理层传递到虚拟层,实现了单个计算节点可信执行环境的构造;针对云虚拟机的动态迁移特性,基于多级认证中心设计了适合虚拟可信根迁移的证书生成及管理机制,并提出了一种虚拟可信根动态可信迁移方案,保障了迁移过程中信任关系在多个节点间的保持.实验结果表明:该方案能构造虚拟可信执行环境,实现虚拟可信根的动态可信迁移.

中国可信计算技术:TCM带动IT安全新革命

创新点:传统的防御方式主要通过防火墙、病毒检测、VPN及加密锁等安全体系,都是以被动防御为主,大有兵来将挡、水来土掩之势,结果不仅各种防御措施花样层出,而且防火墙也越砌越高、入侵检测越做越复杂、恶意代码库越做越大,但是信息安全仍然得不到有效保障。如今,最简单的方法,就是建立起中国自主可信计算的技术架构,让我们的计算机像人类的免疫系统那样可以识别计算状态、防泄漏、防木马、防病毒。可信计算平台让我们看到了IT安全新革命的曙光,这也将是未来安全免疫计算的重要基础。

可信平台模块在云计算中的应用

该文分析云计算的发展现状,以及用户的重要数据在云环境下的虚拟数据中心存储过程中所产生的一系列安全问题。针对数据存储过程中所产生的安全问题,我们在云计算中引入了可信平台模块、虚拟化技术以及二者结合的虚拟可信平台模块,并介绍了可信平台模块的基本功能,主机平台上可信链的建立,以及SHA-1算法在云计算中的应用。

基于硬件虚拟化的单向隔离执行模型

提出了一种基于硬件虚拟化技术的单向隔离执行模型.在该模型中,安全相关的应用程序可以根据自身需求分离成宿主进程(host process)和安全敏感模块(security sensitive module,简称SSM)两部分.隔离执行器(SSMVisor)作为模型的核心部件,为SSM提供了一个单向隔离的执行环境.既保证了安全性,又允许SSM以函数调用的方式与外部进行交互.安全应用程序的可信计算基(trusted computing base,简称TCB)仅由安全敏感模块和隔离执行器构成,不再包括应用程序中的安全无关模块和操作系统,有效地削减了TCB的规模.原型系统既保持了与原有操作系统环境的兼容性,又保证了实现的轻量级.实验结果表明,系统性能开销轻微,约为6.5%.

基于PTM的可信虚拟平台方案

在多种信息系统中,将虚拟化技术与可信计算相结合的方式是一种保障系统安全的有效手段.然而,传统基于可信平台模块(TPM)的可信系统存在着系统信任基础不明确与数据迁移计算开销大的不足.本文应用便携式可信模块(PTM)信任模型,基于Xen虚拟化平台提出了一种客户端可信虚拟化平台方案——OASIS,设计并实现了OASIS平台结构、可信启动信任链建立方法及数据迁移机制.本方案具有灵活高效、以用户为中心的特点,使用PTM作为系统信任基础,为用户提供个人化可信计算环境,为用户在多平台间漫游的应用场景提供极大的便利性.原型系统测试结果表明,本方案具有可行性.

面向虚拟化平台的网络存储数据泄漏防护模型

网络存储数据越来越多,其安全性也受到越来越多的重视.基于主动免疫的可信计算思想,将虚拟化技术与可信计算技术结合,基于KVM构建虚拟可信平台,分别建立客户端和服务端网络存储数据泄漏防护模型,通过vTCM对网络存储数据进行加密,将密钥存放在不同虚拟域隔离保护,提高密钥安全,增强网络存储数据安全.

vTCM:一种基于物理可信计算环境虚拟化的虚拟可信密码模块

虚拟机的信任问题是虚拟机安全的关键问题之一,可信密码模块作为计算机信任的源头,其在虚拟机上的应用也引起了越来越多的关注。提出了虚拟可信密码模块(virtual trusted cryptography module, vTCM)方案,该方案将现有可信密码模块(trusted cryptography module, TCM)方案扩展为可切换vTCM场景的vTCM物理环境来支持少量物理vTCM场景,通过vTCM场景的虚拟化调度,从而支持多个虚拟机的TCM访问,为每个虚拟机分配一个绑定的vTCM实例,并使这些实例可以轮流在物理vTCM场景中运行,以使vTCM的安全性分析可以借助TCM结论,增强vTCM的安全性。这一方案在vTCM的管理,包括vTCM迁移等操作上,也体现出了其优势。给出了该方案在KVM虚拟化平台下的实现方法,实现结果表明,该方案不但可行,并且对现有的虚拟机机制有良好的兼容性。

基于VTCM的分布式可信度量方法

为实现多台协同工作的嵌入式计算机安全启动,需在每台计算机内嵌入可信计算模块,但会给资源受限的嵌入式系统带来较大的能耗与管理开销。为此,提出一种结合可信密码模块(TCM)和虚拟可信密码模块(VTCM)的分布式可信度量方法。将已安装TCM模块的嵌入式计算机作为可信基础,在其他计算机上运行VTCM与TCM模块验证配置信息以完成分布式可信度量,从而实现工作域内可信扩展。实验结果表明,该方法满足嵌入式计算机可信启动过程中的机密性和完整性要求,在嵌入式环境下具有安全并行启动的可行性。

云计算中动态可信平台模块的实现

针对目前在云计算环境中用户虚拟计算环境不可信的问题,利用可信平台模块虚拟化技术,在云服务器端为用户构造一个虚拟可信平台模块,然后以虚拟可信平台模块为基石,为用户在云服务器端构造了一个虚拟的可信计算环境,从而使现有的云计算用户中虚拟计算环境的可信情况获得了有效保障。通过与现有的可信平台模块虚拟化方案作对比发现,所提方案不仅周全地考虑了在云计算中虚拟机效率损耗的相关问题,而且相较显著提高了它的安全性和执行效率,更加适合被应用于用户虚拟计算环境。

基于TCM构建安全可信的网络金融系统

本文提出了一种基于TCM可信密码模块构建安全可信的网络金融系统的方法。该可信网络金融系统可有效保证网络交易的完整性、可信性以及安全性,对我国金融信息化进程的加快具有一定意义。

基于SR-IOV的TCM硬件虚拟化构建可信虚拟环境

虚拟可信密码模块(vTCM)架构在安全和性能上均存在缺陷,不满足特殊应用场景下高安全性的需求.本文基于设备虚拟化技术提出了一种TCM硬件虚拟化的实现架构,利用该架构设计密钥结构,得到构建高安全可信虚拟环境的方法,为虚拟机提供硬件级的可信密码服务.可行性验证分析表明,本系统能够增强可信虚拟环境安全性,提高系统效率.