借助虛擬化實(shí)現(xiàn)安全性

　　虛擬技術(shù)已從企業(yè)計(jì)算空間轉(zhuǎn)向嵌入式世界。虛擬技術(shù)包括在虛擬計(jì)算機(jī)監(jiān)控器的控制下提取系統(tǒng)資源，有時(shí)稱為系統(tǒng)管理程序。系統(tǒng)管理程序使運(yùn)行同時(shí)執(zhí)行環(huán)境具有可能性，每個環(huán)境孤立存在，分別運(yùn)行在基礎(chǔ)硬件平臺的一個虛擬代表上。

　　從器件整合和資源最優(yōu)化的角度來說，虛擬計(jì)算機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)。它們可以采用不同設(shè)計(jì)方法，從“純粹”的或“完全”的虛擬到“部分虛擬(Paravirtualization)”，部分虛擬是嵌入式應(yīng)用中最常用的方法。在部分虛擬中，進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分，包括微內(nèi)核、微調(diào)度程序和輕薄的產(chǎn)品，這種輕薄產(chǎn)品實(shí)際上擴(kuò)大了硬件抽象層，使之包括了虛擬特性。

　　從安全的角度來看，虛擬技術(shù)的使用，允許設(shè)計(jì)者通過執(zhí)行特權(quán)分離和最小權(quán)限原則7，8，來減輕計(jì)算機(jī)安全攻擊的潛在危害。

　　特權(quán)分離要求應(yīng)用程序被分為有特權(quán)部分和無特權(quán)部分，有特權(quán)的部分應(yīng)保存得越小越好，來減小攻擊的表面。因此，一個成功的、針對對更大的、不安全的組件的攻擊，只會獲得對敏感數(shù)據(jù)的極低的訪問能力。

　　最小權(quán)限要求，每個軟件模塊僅能獲得合理用途所需的信息和資源。

　　各種各樣不同的虛擬技術(shù)的一個共同點(diǎn)就是整齊。對于純粹虛擬和完全虛擬，VMM負(fù)責(zé)捕捉和處理所有由客戶操作系統(tǒng)執(zhí)行的指令。這種方法的好處是客戶操作系統(tǒng)可以不更改地運(yùn)行。另外，由于操作系統(tǒng)是與硬件完全脫鉤的，才有可能創(chuàng)造更高的便攜式應(yīng)用，其應(yīng)用平臺多樣化且在應(yīng)用程序中。這種方法的缺點(diǎn)是在系統(tǒng)功耗方面是一個重大的支出，特別是當(dāng)硬件平臺沒有配置軟件虛擬支持的情況下。

　　純粹虛擬技術(shù)依靠具有重要硬件支持的底層硬件平臺來實(shí)現(xiàn)，如Intel公司的VT體系機(jī)構(gòu)和AMD的Pacifica。在這些系統(tǒng)中，虛擬計(jì)算機(jī)資源的狀態(tài)在硬件中維持，而且VMM的性能消耗大幅度減小。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它類似于全虛擬，表現(xiàn)在客戶操作系統(tǒng)可以無修改地運(yùn)行。缺點(diǎn)是那些運(yùn)用這一技術(shù)的產(chǎn)品占用的裸片面積稍大一些，而且現(xiàn)有可用的嵌入式裝置中納入這種水平的支持能力者并不多。

　　部分虛擬技術(shù)(Paravirtualization)是這樣一種技術(shù)，其特定操作系統(tǒng)的指示，一般具有“特權(quán)”和內(nèi)核模式指示，被“hypercalls”或API對管理程序的調(diào)用所代替。這減輕了處理所有客戶指示的負(fù)擔(dān)，降低了系統(tǒng)的開銷，明顯地提高了執(zhí)行績效。缺點(diǎn)是客戶操作系統(tǒng)必須被“觸及”，但是，實(shí)際上這種影響是很小的。

　　例如，分析Linux時(shí)，發(fā)現(xiàn)/dev/arch中具有優(yōu)先權(quán)的指令僅存在15個文件中。

　　在普通的部分虛擬技術(shù)種類中，存在一些系統(tǒng)管理程序的子程序。

　　微調(diào)度器(如圖2)，正如其名稱所暗示的那樣，是按照一個固定的進(jìn)度表來分配系統(tǒng)資源的程序。商業(yè)上典型的具體實(shí)施方法是在內(nèi)核模式下運(yùn)行微調(diào)度程序，并且作為主控來控制一個客戶操作系統(tǒng)，該OS也在類似的內(nèi)核模式下進(jìn)行操作。從安全的角度來說，這意味著客戶操作系統(tǒng)一定得是一個“良好的市民”，因?yàn)榭蛻敉耆赡芾@過微調(diào)度程序。這使得整個空閑的存儲器易受攻擊。為了消除這個弱點(diǎn)，微調(diào)度程序的開發(fā)者增加了一個可供選擇的安全引擎，以監(jiān)測和控制硬件的訪問。

圖2  使用微調(diào)度器的虛擬化

　　微內(nèi)核(圖3)本質(zhì)上是一個操作系統(tǒng)，這個系統(tǒng)移去了大量的典型操作系統(tǒng)服務(wù)，并代之以可以在用戶級別執(zhí)行服務(wù)的機(jī)制。從安全的角度來看，它的優(yōu)點(diǎn)是，用戶模式實(shí)體訪問底層硬件時(shí)不具有危險(xiǎn)性，因?yàn)閮?nèi)核模式指令調(diào)用已被移去。其缺點(diǎn)主要是多重處理域的維護(hù)，當(dāng)執(zhí)行從微核的本地處理區(qū)運(yùn)行到客戶操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序處理區(qū)時(shí)，這些處理域需要具體實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的進(jìn)程間通信(IPS)機(jī)制和額外的環(huán)境轉(zhuǎn)換。

圖3  基于微內(nèi)核的虛擬化方法

　　虛擬的另一個途徑是產(chǎn)生一個硬件抽象層(HAL)，并增加額外的服務(wù)，以照顧多重執(zhí)行環(huán)境(圖4)的需求。HAL是一個硬件微薄轉(zhuǎn)換層，它可以使得軟件具有更好的可移植性。為增加對多重執(zhí)行環(huán)境的支持，開發(fā)者創(chuàng)造了超微內(nèi)核，盡管這種表述不是很準(zhǔn)確。在實(shí)踐中，這種途徑和微核型解決方案的不同之處是，雖然微核在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮到要運(yùn)行某種客戶操作系統(tǒng)，而HAL更趨向于以硬件為中心，而且并不了解操作系統(tǒng)的具體情況。

圖4  利用HAL或者超微內(nèi)核性管理程序?qū)崿F(xiàn)的虛擬化

　　從安全的角度來說，最關(guān)鍵的因素是所有商業(yè)管理程序控制對硬件資源(如MMU系統(tǒng))訪問的能力。例如，如果一個客戶端應(yīng)用程序(比如web瀏覽器)被一個流氓HTML站點(diǎn)所破壞，并試圖侵入存儲器禁區(qū)，那么系統(tǒng)管理程序就會向存儲器強(qiáng)加邊界，并適當(dāng)?shù)乇Ｗo(hù)敏感數(shù)據(jù)。通過使用安全的系統(tǒng)管理員，根據(jù)駐留在特定的執(zhí)行環(huán)境中的應(yīng)用程序的已知邊界檢查可疑的重填數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)由軟件填充的TBL不受侵?jǐn)_，由此保證程序的執(zhí)行處于“界限內(nèi)”。在路由器或其他客戶端裝置中，系統(tǒng)管理程序可以用來提供一定程度的DoS保護(hù)，這可以通過使用多重VM來控制對任何特定資源的訪問或是要求提供適當(dāng)?shù)耐ㄐ凶C來實(shí)現(xiàn)的，這樣做可以避免VM使用“界限外”的資源。
在虛擬化架構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中，虛擬計(jì)算機(jī)之間的默認(rèn)通信途徑要盡可能減少，理想的情況是，如果從VM到VM沒有公開昭示的授權(quán)的話，最好沒有任何通信。

　　由于增加一個VM的開銷是很低的，用VM自己已經(jīng)完成引導(dǎo)的、處于掛起狀態(tài)的“候補(bǔ)”操作系統(tǒng)來生成”候補(bǔ)”VM是可能的。那么，當(dāng)一個處理域被DoS所危及時(shí)，一直在自己的執(zhí)行環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)健康度監(jiān)督程序，可以將被危及的VM的執(zhí)行掛起，將激活的程序轉(zhuǎn)移到候補(bǔ)的VM，并繼續(xù)執(zhí)行。這種方法在受到攻擊的情況下維持更長的計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行時(shí)間。

　　由于VM一般來說必須從CPU時(shí)間和可用內(nèi)存的角度來公開地界定，VM所需要的資源在DoS面前僅呈現(xiàn)一個很小的“攻擊面”，在一些情況下，可以通過限制收到的消息數(shù)量來進(jìn)一步限制弱點(diǎn)的發(fā)展，從而避免飽和攻擊。

　　將認(rèn)證機(jī)制擴(kuò)展到虛擬計(jì)算機(jī)上可以使安全導(dǎo)入機(jī)制變得更健全。硬件引導(dǎo)完成后，安全引導(dǎo)機(jī)制標(biāo)記第一個VM。第一個虛擬機(jī)可以執(zhí)行第二個層次的安全引導(dǎo)，通過額外標(biāo)記和經(jīng)過驗(yàn)證的VMs來擴(kuò)展“信任鏈”，直到系統(tǒng)飽和以及所有物理、虛擬計(jì)算機(jī)序列導(dǎo)入完成。

　　就所有系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分而言，需要分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。系統(tǒng)管理程序提供了一個高水平的安全性和執(zhí)行環(huán)境之間的隔離。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)必須在環(huán)境之間共享時(shí)，會發(fā)生什么情況呢？很多系統(tǒng)管理程序通過生成通信渠道或是共用執(zhí)行環(huán)境中的存儲器區(qū)域來處理這個問題。這隨之又造成了第二個層次上的弱點(diǎn)，所以應(yīng)該確定這些通道不會被惡意軟件利用來將數(shù)據(jù)從安全的/可信任的區(qū)域轉(zhuǎn)移到不安全/不可信任的區(qū)域。在這些種類的環(huán)境中，可以運(yùn)用分層的方法。例如，可以納入一個激勵/響應(yīng)機(jī)制，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通過共用存儲器在各執(zhí)行環(huán)境之間的轉(zhuǎn)移。當(dāng)這種機(jī)制就位時(shí)，不可信區(qū)域的安全就會到危脅，危險(xiǎn)就會侵入共用存儲器區(qū)域，但它仍不能從可信區(qū)獲得數(shù)據(jù)。舉對Web瀏覽器的例子來說，攻擊者可能會獲得進(jìn)入存儲器共享區(qū)的許可，但它們不能侵入激勵/響應(yīng)機(jī)制，因此，敏感數(shù)據(jù)就不會從安全區(qū)轉(zhuǎn)移到共用存儲器區(qū)。

　　另一個系統(tǒng)級問題會影響虛擬化的運(yùn)用的地方，是系統(tǒng)管理程序的響應(yīng)時(shí)間。如果響應(yīng)時(shí)間使實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)不能在系統(tǒng)管理程序?qū)哟芜m當(dāng)?shù)剡\(yùn)行，那么RTOS一般就會在微核模式下運(yùn)行，并通過優(yōu)先指令直接接觸系統(tǒng)硬件。這就形成了，或更準(zhǔn)確地說，遺留了一個可通過對RTOS的破壞來擊破的弱點(diǎn)。

　　與設(shè)計(jì)的許多其他方面一樣，少就是多。系統(tǒng)管理程序所占用的區(qū)域越小，需要去防范的的攻擊面積就越小，而且對超級調(diào)用(hypercall)的服務(wù)響應(yīng)時(shí)間就越短。一個小的覆蓋區(qū)允許系統(tǒng)管理程序根映像被保存在芯片上，從而減小外界對存儲器總線的探測和代碼細(xì)節(jié)的暴露。(下集預(yù)告：將批露ARM、MIPS、PowerPC處理器的安全策略與系統(tǒng)加固。)

參考文獻(xiàn)：

　　4. Kana Shimizu. The Cell Broadband Engine processor security architecture (17 April 2006). http://www-03.ibm.com/industries/media/doc/content/bin/Cell_Processor_Security_Arch_NAB_April_06.pdf 
　　5. Ronald F. Buskey, Barbara B. Frosik. Proceedings of the 2006 International Conference on Parallel Processing Workshops (ICPPW'06).
　　6. Dan Wendlandt, David G. Andersen, Adrian Perrig. FastPass: Providing First-Packet Delivery. Carnegie Mellon University (CMU-Cylab-06-005 March 29, 2006). http://www.cylab.cmu.edu/files/cmucylab06005.pdf
　　7. Niels Provos, Markus Friedl, Peter Honeyman. Preventing Privilege Escalation. http://niels.xtdnet.nl/papers/privsep.pdf
　　8. Jerome H. Saltzer and Michael D. Shroeder. "The Protection of Information in Computer Systems" (Communications of the ACM 17, 7 July 1974).