基于可信轻量虚拟机监控器的安全架构

虚拟化技术越来越多地被用于增强商用操作系统的安全性。现有的解决方案通常将虚拟机管理软件(VMM)作为可信集,利用其作为底层架构的优势来为上层软件提供安全功能。这些方案都是基于通用虚拟机管理软件,因而存在以下问题:a)虚拟化性能上开销大;b)作为可信集相对比较庞大;c)不能提供有效的信任链证明自身可信性。针对上述问题,提出以轻量虚拟机监控器作为可信集的安全架构——Cherub架构,Cherub利用主流处理器的安全扩展指令和硬件辅助虚拟化技术在运行的操作系统中插入轻量级的虚拟机监控器,并利用该虚拟机监控器作为可信集用于实现多种安全目标。实验结果证明了该架构的有效性,并具有代码量小、动态可加载和虚拟化开销小等优点。

基于虚拟机监控器的隐私透明保护

操作系统漏洞经常被攻击者利用，从而以内核权限执行任意代码（返回用户态攻击，ret2user）以及窃取用户隐私数据．使用虚拟机监控器构建了一个对操作系统及应用程序透明的内存访问审查机制，提出了一种低性能开销并且无法被绕过的内存页面使用信息实时跟踪策略；结合安全加载器，保证了动态链接库以及应用程序的代码完整性肩皂够确保即使操作系统内核被攻击，应用程序的内存隐私数据依然无法被窃取．在Linux操作系统上进行了原型实现及验证，实验结果表明，该隐私保护机制对大多数应用只带来6％～10％的性能负载．

Trochilidae:面向众核平台的高性能轻量级虚拟机监控器

虚拟化技术在云计算中广泛应用。传统虚拟化技术对操作系统的一些操作都进行了捕捉与封装,使其越来越复杂,同时也影响了操作系统的性能。针对众核平台的发展趋势和特点,面向众核平台设计并实现了一个轻量级的高性能虚拟机监控器——蜂鸟(Trochilidae)。多操作系统可以同时运行在此虚拟机监控器之上,同时对操作系统性能无损失。在提供传统虚拟机监控器功能的基础上,蜂鸟的代码量仅4000行左右(包括汇编与C代码),降低了系统的复杂度,便于系统的维护与调试。

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。

一种虚拟机监控器的时间片动态调整机制

在同一物理主机甚至同一CPU/core上,虚拟化技术使得多个虚拟机能够以公平共享物理资源的方式运行。然而,随着共享同一CPU/core的虚拟机数量的增多,每个虚拟机所经历的物理CPU/core访问延迟也在显著增加,造成异构型应用(运行过程中既有网络I/O需求,也有计算需求)在性能方面的负面影响。为解决上述问题,引入一种应用类型感知的虚拟机管理器时间片动态调整机制。该机制可以根据虚拟机中应用的类型动态调整虚拟机的时间片长度。实验结果表明,与Xen Credit调度机制相比,时间片动态调整机制可使异构型应用(Nginx Web服务器)具有更好的响应能力和吞吐能力。

VMSF-一种内核级虚拟机监控器调度框架

虚拟化技术由于具有提高资源利用率、降低系统总体拥有成本等优点得到越来越多的关注。虚拟机成为计算机系统的一种新型应用模式,但虚拟机应用在服务质量保证和协同运行等方面与传统商用操作系统面向的应用不同,虚拟机监控器应针对此类应用的特点设计相应的调度算法。但是,在传统基于宿主操作系统的虚拟化技术中,虚拟机的调度由宿主操作系统的标准调度器完成。本文提出一种不修改宿主操作系统现有调度机制的虚拟机调度扩展框架VMSF,该框架允许第三方自行开发适于虚拟机系统的调度算法。最后通过在Linux上开源的内核级虚拟机监控器KVM上移植Xen的Credit调度器验证了本文研究的有效性。

基于动态信任根的虚拟机监控器动态完整性度量架构

现有虚拟机监控器(VMM)动态完整性度量架构在度量信任根的安全性方面存在问题,同时没有综合考虑VMM中需要进行完整性度量的数据,为此提出了一种基于动态信任根的VMM动态完整性度量架构。采用基于AMD的安全虚拟机技术构建动态信任根,可以实现对度量程序加载执行前的完整性度量;同时构建封闭独立的执行环境,从而可以有效地解决度量信任根的问题。通过分析VMM运行时的内存状态,对所有需要进行完整性保护的静态持久化数据进行完整性度量,从而可以保证度量内容的完备性。同时给出该架构在Xen上的实现。实验结果表明,该架构可以有效地解决度量信任根的问题,并且对度量内容具有良好的扩展性,从而保证度量内容的完备性;此外,该度量架构与现有架构Hyper Check-SMM相比有23.3%的性能提升。

基于虚拟机监控器的Windows剪贴板操作监控

针对现有剪贴板操作监控无法抵御内核层攻击,且所采取的单一保护策略无法满足现实需求的问题,提出一种基于虚拟机监控器(VMM)的文档内容剪贴板操作监控技术,并提出基于剪贴板操作监控的电子文档分级保护策略。首先,通过修改影子寄存器的方法在VMM层截获并识别系统调用;其次,监控文档打开操作建立进程标识符和文档路径之间的映射表,并在截获到剪贴板操作后通过进程标识符解析文档路径;最后,根据电子文档分级保护策略对剪贴板操作进行过滤。实验结果表明,监控系统给客户机文件系统带来的性能损耗随着文件读写块的增大而减小,当读写块大小达到64 KB以上时,客户机性能损耗在10%以内,对用户影响不大。

虚拟机监控器的安全威胁及规避措施

云计算通过使用虚拟化技术,将大规模数据中心的设备分成独立的小型资源按需租用给用户。这种多租户环境建立的前提是虚拟化平台是安全可靠的,以确保位于同一台物理主机上的不同用户之间的独立性不被破坏。然而现有虚拟机控制器都拥有一个规模较大的可信计算基,使得其管理的虚拟机存在较大安全风险。文中提出一种方法,将传统的控制虚拟机分解为各个组件组成,每个组件执行单一的功能。这样可以带来一些好处:客户共享的服务组件是可配置和可审计的;限制每个组件以所需的最小权限接入Hypervisor,这使得风险明确化;通过配置组件的微重置的频率,可减小单个组件的时间攻击面。

基于监控器时间开销的虚拟机发现方法

针对传统方法只能发现单一类型虚拟机的缺陷,提出基于虚拟机监控器时间开销的虚拟机发现方法。特定指令能使监控器运行时产生显著的额外开销,该方法能利用监控器执行不同指令序列产生的相对时间开销对虚拟机进行判别。实验结果表明,该方法能够准确发现目前3类主流虚拟机。

基于内存混合复制方式的虚拟机在线迁移机制

虚拟机VM(Virtual Machine)在线迁移技术(Live Migration)充分利用虚拟化技术的灵活性和封装性,有利于实现大规模虚拟化环境中负载的动态调整以及应用的灵活部署.已有的在线迁移机制存在内存迭代收敛、迁移数据冗余以及客户操作系统不透明等问题.文中结合内存推送复制以及按需复制两种方式,提出了基于内存混合复制方式的VM在线迁移机制HybMEC,以实现对VM运行状态的快速迁移.基于KVM虚拟机监控器,实现了HybMEC原型系统.多种不同类型应用负载下的实验结果表明,HybMEC能够高效地支持虚拟化环境中低开销、低延时的VM在线迁移,并在总迁移时间、内存同步数据量以及VM停机时间等方面具有显著的性能提升.

面向云计算的虚拟机动态迁移框架

根据云计算平台的特点,提出一种新型虚拟机动态迁移框架,并在Xen和KVM这2种典型的开源虚拟机监控器基础上,实现原型系统。测试结果表明,在不同类型计算资源的环境下,该动态迁移框架具有良好的性能,能够对动态迁移进行实时控制,从而满足服务等级协议的要求。

Xen的虚拟机网络优化研究

针对一类流行的IP网络应用,提出了一个性能优化的虚拟机网络原型。多个虚拟机运行在高性能虚拟机监控器Xen上,通过它复用了其下的一台物理宿主机,Xen创建和管理这些虚拟机。优化原型的核心是一个新的虚拟网卡,所有的虚拟机通过它被互连成一个网络,用于虚拟机间的通信。与Xen的标准相应模型相比,实验和评估表明该原型改善了虚拟机间的通信性能,减少了约42%的用户请求响应时间。

自适应调整虚拟机权重参数的调度方法

在基于特权服务操作系统的虚拟机架构下客户操作系统需要借助特权服务操作系统来访问真实硬件,目前虚拟机调度算法的优化主要是侧重于I/O密集型虚拟机的研究,而忽视了CPU密集型虚拟机,更忽视了特权服务操作系统的I/O处理能力对虚拟机整体性能的影响.针对这些问题,提出了一种基于Credit算法的自适应调整虚拟机权重参数的优化调度方法,将特权服务操作系统的I/O处理能力作为虚拟机参数调整的一个重要参数,同时兼顾I/O密集型虚拟机和CPU密集型虚拟机对资源的需求.实验结果表明该方法能够及时根据当前的I/O请求数量和特权服务操作系统的处理能力合理调整虚拟机的权重参数,从而大大提高了客户操作系统CPU处理性能和硬件设备的访问性能.

Xen虚拟机的虚拟CPU松弛协同调度方法

目前,Xen虚拟机调度算法均采用独立调度虚拟CPU的方式,而没有考虑虚拟机各虚拟CPU之间的协同调度关系,这会使虚拟机各个虚拟CPU之间产生很大的时钟中断数量偏差等问题,从而导致系统不稳定.为了提高系统的稳定性,基于Credit算法提出了一种比RCS(relaxed co-scheduling)算法更松弛的协同调度算法MRCS(more relaxed co-scheduling).该算法采用非抢占式协同调整方法将各个虚拟CPU相对运行的时间间隔控制在同步时间检测的上限门限值Tmax之内,同时利用同步队列中虚拟CPU优化选择调度方法和Credit算法的虚拟CPU动态迁移方法,能够更加及时地协同处理虚拟CPU,并且保证了各个物理CPU的负载均衡,有效地减少客户操作系统与VMM的环境切换次数,降低了系统开销.实验结果证明该方法不但保证了系统的稳定性,而且使系统性能得到一定程度的提升.虚拟机调度算法不仅影响虚拟机的性能,更会影响虚拟机的稳定性,致力于虚拟机调度算法的研究是一项非常有意义的工作.

云计算IPv4/IPv6虚拟机在线迁移系统设计

根据云计算平台的特点,为了实现IPv4/IPv6环境下的云计算基础平台建设,设计了一种基于自适应的NAT-PT与隧道技术协作的IPv4/IPv6虚拟机在线迁移系统。该系统适用于IPv4向IPv6演进的前期、中期、后期。利用设计的全局控制引擎为核心转换连接IPv4/IPv6网络并与特权虚拟机交互完成虚拟机在线迁移,可向客户端跨IPv4/IPv6网络提供云计算服务。该系统应用于IPv4/IPv6过渡期间云计算基础平台构建。

基于协作型VMM的虚拟机执行环境动态配置模型

针对当前各类虚拟机监控器(VMM)在定制虚拟机执行环境过程中灵活性不足、可用性不强方面的问题,提出并设计了一种用户动态配置虚拟机执行环境的模型,并在协作型VMM之上进行了实现。结合Intel VT-x技术的实现机制,充分利用虚拟机控制结构(VMCS)中的执行控制域特性,通过为用户提供接口,对虚拟机配置文件进行操作,实现对虚拟机执行环境的实时动态配置。用户利用该模型能够快速构建具有不同运行时特性的虚拟机执行环境。测试结果表明,该模型能够提高VMM的可用性。

一个基于虚拟机的日志审计和分析系统

SNARE是Linux操作系统的一个日志审计和分析工具,但它容易受到攻击。提出了一个新的方法被用来保护它免受攻击。运用虚拟机监控器的功能,SNARE被移植到运行在虚拟机监控器Xen上的两个虚拟机中,SNARE的两个主要部分——Linux内核补丁和审计后台进程被分隔而分别放入两个被Xen强隔离的虚拟机。Xen提供了两个虚拟机间共享内存的机制,运用这一机制,运行在一个虚拟机上的Linux内核补丁记录并转移审计日志到运行在另一个虚拟机上的审计后台进程。与传统的SNARE相比,新方法使攻击者毁坏或篡改这些日志更加困难。初步的评估表明这个原型是简单而有效的。

计算机虚拟化技术的分析与应用

当今计算机虚拟化技术,不论在硬件方面还是软件方面都快速地发展,企业级的虚拟化实施方案改变了IT基础架构,数据中心服务器的虚拟化应用已成为大势所趋。通过虚拟化技术实现原理的分析,及虚拟化技术优越性的总结,预示了虚拟化技术在计算机科学领域必将拥有光明的前景。

基于显卡直接分配的虚拟机图形加速系统

介绍了设计并实现的基于显卡直接分配的虚拟机图形加速系统Gracias,它的思想是把显卡直接分配给某一台完全虚拟化的虚拟机使用。这样一来,虚拟机中显卡的设备驱动程序对于显卡的使用和访问操作就不会被虚拟机监控器所拦截,也不用通过软件模拟的方式来处理这些访问请求,而是直接交给真实的硬件去完成。这使得对图形处理要求很高的程序在虚拟机中可以获得比普通虚拟化方法高很多的性能提升。