
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文檔簡介
1、本課題得到中南民族大學(xué)校重點(diǎn)基金(yz208009)資助。王新年,1969 年生,男,講師,博士,主要研究方向:信息安全、軟件工程。聯(lián)系方式 e-mail:,非中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)會(huì)員虛擬機(jī)異地在線遷移安全通信虛擬機(jī)異地在線遷移安全通信機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)研究機(jī)制關(guān)鍵技術(shù)研究research of secure communication mechanism for the off-site live virtual machine migration 摘摘 要:要:在企業(yè)云計(jì)算平臺(tái)部署的虛擬機(jī)中需要進(jìn)行遠(yuǎn)程異地在線遷移通信,因?yàn)閹捄蛷V域網(wǎng)安全防護(hù)的因素會(huì)導(dǎo)致延遲、無法穿透或安全
2、性不夠,通信過程中容易被假冒、竊取和重放攻擊,需要新的遷移結(jié)構(gòu)和通信機(jī)制,以保證遷移的安全可靠地進(jìn)行。本文面向保密性、完整性和穿透性需求,設(shè)計(jì)了一種異地遷移體系結(jié)構(gòu),提出了一種新的底層安全通信協(xié)議 sudp,討論了認(rèn)證和消息傳遞的安全性。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:云計(jì)算;虛擬機(jī);異地遷移;在線遷移;sudp;安全通信機(jī)制 abstract. the virtual machines of cloud computing platform deployed in the enterprise need remote off-site live migration, but the bandwidth and
3、 wan security factors could cause communication delay and can not penetrate the firewalls two-way, at the same system has the shortcomings of counterfeiting and vulnerable during communication, so we need a new structure and the communication mechanism of live migration to ensure migration safe and
4、reliable. this paper designs the off-site live migration structure for confidentiality, integrity and penetration requirements, and puts forward a new secure communications protocol underlying sudp to discuss the authentication and messaging security. key words: cloud computing; virtual machine; liv
5、e virtual machine migration; off-site migration; sudp; secure communication mechanism.1 1 引言引言在企業(yè)云計(jì)算平臺(tái)部署的虛擬機(jī)中需要進(jìn)行遠(yuǎn)程在線遷移通信,特別是具有異地雙備份的服務(wù)器,此時(shí)因?yàn)閹捄蛷V域網(wǎng)安全防護(hù)的因素,需要有新的遷移框架結(jié)構(gòu)和重新考慮遷移通信機(jī)制,以保證遷移的安全可靠地進(jìn)行,特別是穿透防火墻的能力。目前虛擬機(jī)的在線遷移主要是考慮本地局域網(wǎng)環(huán)境1-2,沒有考慮企業(yè)集中異地遠(yuǎn)程災(zāi)備的環(huán)境,該環(huán)境由于廣域網(wǎng)和災(zāi)備的特殊性,一是要求高的通訊速度,延遲小,目前的面向連接的 tcp 協(xié)議不能滿足要求
6、;二是要求通信能隨時(shí)雙向穿透廣域網(wǎng)防護(hù)體系例如防火墻,面向連接的 tcp 協(xié)議不能隨時(shí)雙向穿透防火墻,這是致命的弱點(diǎn);三是要考慮安全要素,需要對(duì)通信的各方進(jìn)行認(rèn)證,不能存在偽冒、竊取并能防范攻擊;最后,要考慮災(zāi)備要素,目前的遷移框架結(jié)構(gòu)大多考慮的是單一遷移管理中心,一旦該遷移管理中心失效,整個(gè)遷移將會(huì)失效,因此,在異地遠(yuǎn)程將會(huì)有備份遷移管理中心,可以互為備份,同時(shí)可以管理本地的虛擬機(jī)。綜上考慮,本文首先提出了主從異地遷移管理中心遷移框架結(jié)構(gòu),討論了該框架透過廣域網(wǎng)絡(luò)的通信機(jī)制和傳輸過程中防范假冒、竊取、重放攻擊的身份認(rèn)證機(jī)制,這對(duì)企業(yè)云計(jì)算環(huán)境的安全部署具有重要指導(dǎo)意義。2 2 遷移管理系統(tǒng)結(jié)
7、構(gòu)遷移管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1 描述了異地遠(yuǎn)程虛擬機(jī)在線遷移的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?;诋惖氐奶摂M機(jī)在線遷移是由主從遷移管理中心(migration management center, mmc)和由各服務(wù)器上的本地認(rèn)證遷移代理(migration agent, ma)和系統(tǒng)監(jiān)視代理(system monitor agent, sma)組成的。圖 1 虛擬機(jī)異地遠(yuǎn)程遷移系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主遷移管理中心mmc從遷移管理中心mmc廣域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境虛擬機(jī)監(jiān)控器vmm虛擬機(jī)監(jiān)控器vmm系統(tǒng)監(jiān)視代理遷移代理遷移代理系統(tǒng)監(jiān)視代理2.12.1 工作原理工作原理ma 與 sma 都與 mmc 進(jìn)行通信獲取相應(yīng)的策略,服務(wù)器上的 sma 獲取
8、本地服務(wù)器上 cpu、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬等資源的使用情況并向 mmc 提供本地資源使用情況,ma 接收 mmc 發(fā)出的遷移命令并進(jìn)行實(shí)際的遷移操作。在虛擬環(huán)境中,vmm 負(fù)責(zé)對(duì)各虛擬機(jī)進(jìn)行調(diào)度,可以截獲虛擬設(shè)備的各項(xiàng)操作以及相關(guān)的參數(shù),sma 正是通過 vmm 獲取相應(yīng)的參數(shù)并周期性地向 mmc 發(fā)出請(qǐng)求各獨(dú)立節(jié)點(diǎn)上的資源使用情況。sma 獲取資源可以表示為s=s_cpu,s_mem,s_net,其中,s_cpu 為虛擬機(jī)的 cpu 使用率,s_mem 是虛擬機(jī)的內(nèi)存使用情況,s_net 是虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)流量。mmc 從整體上掌握云計(jì)算平臺(tái)中物理資源的使用情況,根據(jù)預(yù)設(shè)策略,按需發(fā)起虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)遷移操
9、作,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)范圍內(nèi)的負(fù)載均衡。mmc 主要控制 ma 和sma,分別有對(duì)應(yīng)的管理模塊。mmc 通過 sma 獲取服務(wù)器和虛擬機(jī)對(duì)于 cpu、內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用情況 s,確定是否發(fā)起以及如何發(fā)起虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)遷移操作。發(fā)起虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)操作,主要是虛擬機(jī)的服務(wù)等級(jí)協(xié)議(service level agreement, sla)不能被滿足,例如 s_netup, up 預(yù)定的 cpu 使用率;s_mem 物理服務(wù)器頻繁發(fā)生內(nèi)存換出。 2.22.2 通信關(guān)系通信關(guān)系 遷移管理中心和代理之間需要協(xié)作完成遷移任務(wù),通信是實(shí)現(xiàn) agent 合作的必不可少的基本條件。通信的安全問題主要反映在 mmc 與 ag
10、ent 之間、各agent 之間的消息和數(shù)據(jù)傳遞。mmc 由于異地進(jìn)行遷移,mmc 主從之間還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)和指令同步,以保證異地遷移成功。從安全上考慮,必須對(duì) agent 進(jìn)行認(rèn)證,mmc 向 agent 發(fā)送認(rèn)證信息,證明目前 agent 運(yùn)行的合法性。agent 與 mmc 通信,主要有:agent 向 mmc 發(fā)送注冊(cè)信息;agent 與 mmc 時(shí)間同步;agent 策略與 mmc 中相應(yīng)的策略保持一致性;agent 向 mmc 發(fā)送日志信息和告警信息;mmc 向各 agent 發(fā)送認(rèn)證信息;mmc 向各 agent 發(fā)送消息,例如動(dòng)作消息等;mmc 之間的數(shù)據(jù)同步。因此,各 agen
11、t 與 mmc 以及 mmc 間需要相互進(jìn)行通信,保持策略數(shù)據(jù)的同步性,以及相應(yīng)的消息傳遞,這將涉及異地虛擬機(jī)遷移安全通信機(jī)制的建立。為了保證 mmc、agent 之間的數(shù)據(jù)傳輸采用了 des 的加密和解密算法,des 相對(duì)于以后提出的非對(duì)稱密碼體制設(shè)想使用廣泛的多。3 3 通信通信機(jī)制機(jī)制agent 通信語言3作為研究 agent 和 mmc 之間通信的一個(gè)重要內(nèi)容,涉及通信語言的定義、表示、處理和語義解釋4。kqml 是目前應(yīng)用得最多的 acl,它是一種接口庫,并不是編譯和解釋型語言,程序員仍需提供代碼處理每一通信原語,更重要的是,kqml 沒有考慮安全通信的要求,不適合于網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的應(yīng)
12、用,雖然有學(xué)者在 kqml 原語的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了安全通信方面的擴(kuò)充,但他們僅僅依據(jù)公開密鑰體制提供了安全通信模型,并沒有具體實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用5-6。3.13.1 sudpsudp 協(xié)議及其特點(diǎn)協(xié)議及其特點(diǎn)一般而言,agent 通信從實(shí)現(xiàn)的底層角度上看可采用二進(jìn)制流的 socket 通信,從高層角度上看可采用 rpc 遠(yuǎn)程過程調(diào)用的抽取機(jī)制7。本文吸收保密通信的一般技術(shù),結(jié)合 agent 在安全領(lǐng)域的特殊應(yīng)用,構(gòu)建了一種采用基于 udp協(xié)議作為消息、代碼、數(shù)據(jù)傳遞的安全底層通信構(gòu)架,本文稱之為 sudp(safe udp)協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)的 tcp/ip 協(xié)議中,udp 比 tcp 發(fā)送速度快得多,程序
13、實(shí)現(xiàn)也較為簡單,缺點(diǎn)就是容易丟包,而且不能自動(dòng)重發(fā)也不能自動(dòng)組包沒有數(shù)據(jù)安全機(jī)制,發(fā)包大小不能超過 2k,否則就出錯(cuò)。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境中,可能需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)包(例如,策略數(shù)據(jù)的復(fù)制)并且需要保證速度,而且這些重要的數(shù)據(jù)不允許丟失,這就需要 sudp 協(xié)議。相對(duì) tcp 而言,首先,在網(wǎng)絡(luò)中,有可能需要跨越防火墻,tcp 無法很好的穿透 nat,來進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。其次,通信過程中需要某些重要的消息不丟失,tcp 需要首先建立連接,每個(gè)包都需要確認(rèn),這樣發(fā)送速度會(huì)慢不少。因此,采用 sudp 發(fā)送任意大小包,可以保證某些重要的包不會(huì)丟失,并且可以輕松穿透 nat 來進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。sudp
14、具有以下特點(diǎn):1) 自動(dòng)分包組包;2) 支持一次性發(fā)送任意大小的包;3) 支持安全控制(支持 amp 消息通信協(xié)議) ;4) 根據(jù)丟包率和網(wǎng)速度動(dòng)態(tài)控制發(fā)包速度。因此,消息通信的底層協(xié)議主要基于 sudp,在該協(xié)議之上還可以自定義其它的協(xié)議。其實(shí)現(xiàn)流程如圖 2。3.23.2 消息傳遞體系結(jié)構(gòu)消息傳遞體系結(jié)構(gòu)各 agent 有時(shí)需要直接進(jìn)行交互,但是主要涉及到消息的通知,發(fā)生量較少,如 mmc 通知遷移 agent 消息,大量的通信還是與 mmc 間發(fā)生直接通信,這與黑板的求解模型類似。agent 間的通信借助黑板,首先從黑板獲得相應(yīng)的身份認(rèn)證,使得 agent間產(chǎn)生相互聯(lián)系,這里的黑板可以認(rèn)為
15、就是 mmc。系統(tǒng)監(jiān)視與遷移十分類似于黑板模型,借助 mmc 黑板能更好地完成系統(tǒng)監(jiān)視 agent 與遷移 agent 間的協(xié)調(diào)任務(wù),提升 agent 的通信質(zhì)量8。消息傳遞結(jié)構(gòu),本質(zhì)是基于 socket 的通信,如圖 2,sudp 的實(shí)現(xiàn)就是基于socket 的通信,socket()是套接字函數(shù),bind()將端口綁定到該套接字上,然后激活偵聽 listen(),accept()接受數(shù)據(jù),read()和 write()相應(yīng)地在緩沖區(qū)讀寫數(shù)據(jù),connect()是連接服務(wù)器的端口。系統(tǒng)中各組件、agent 間采用消息進(jìn)行通信,它是實(shí)現(xiàn)靈活復(fù)雜的協(xié)調(diào)策略的基礎(chǔ),總之,采用的類黑板系統(tǒng)不僅需要對(duì)各
16、類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控,而且反映了問題求解的中間狀態(tài)及各類 agent 之間傳遞信息的中介。其間,agent 在網(wǎng)絡(luò)中是否存在,其身份是否被授權(quán),都是以 mmc 黑板為調(diào)度者,以網(wǎng)絡(luò)消息的形式來表現(xiàn)。圖 2 socket 的消息傳遞流程socket()服務(wù)端客戶端bind()listen()accept()read()write()read()write()connect()socket()請(qǐng)求響應(yīng)建立連接4 4 agentagent 的身份認(rèn)證的身份認(rèn)證4.14.1 agentagent 的身份認(rèn)證體系的身份認(rèn)證體系本文利用對(duì)稱密碼體系,即共享的密鑰保證 agent 間的安全通信。其中,每個(gè) age
17、nt 和 mmc 間都必須相互通信,涉及到通信保密保密問題,mmc 任何識(shí)別 agent 是合法的,在傳輸過程中,又如何能保證共享密鑰的安全性。定義定義 1 1:注冊(cè)碼是 agent 向 mmc 發(fā)起連接請(qǐng)求,mmc 隨機(jī)分配一個(gè)字符串的數(shù)值 m;該注冊(cè)碼只在本次連接會(huì)話中有效,下次如果重新連接將導(dǎo)致新的會(huì)話產(chǎn)生,因此,注冊(cè)碼可以作為過程本身相關(guān)聯(lián)的密鑰。定義定義 2 2:每一個(gè) agent 都有自己固定的 id 號(hào),agent 的 id 號(hào)和注冊(cè)碼m、ip 地址、mac 地址、硬盤 id 號(hào)有關(guān),記作 agent_id。表達(dá)式為:agent_id=m|ip|mac|hd_id。定義定義 3
18、3:agent 與 mmc 共享的密鑰為注冊(cè)碼 m、ip 地址、硬盤 id 號(hào)的 hash值,即 k=gethash(agent_id)。假設(shè)假設(shè) 1 1:注冊(cè)碼 m 是具有 128 位的隨機(jī)字符串,不會(huì)被窮舉得到。命題命題 1 1:網(wǎng)絡(luò)中分布的所有 agent 在不同的域中具有不同的注冊(cè)碼和不同的 agent_id,即具有唯一性,該唯一性一是由隨機(jī)字符串 m 和隨機(jī)硬盤 id 決定的。定義 1 反映出通信實(shí)體之間的區(qū)別,agent 必須為每一次會(huì)話產(chǎn)生一個(gè)會(huì)話密鑰,該密鑰僅用于加密傳輸數(shù)據(jù),而不能參與 agent 身份認(rèn)證,并且在會(huì)話結(jié)束后被丟棄。定義 3 保證了 agent 所擁有密鑰的私
19、密性。假設(shè) 1 是分布式agent 安全通信的前提和基礎(chǔ),足夠長的注冊(cè)碼確保窮舉攻擊獲取密碼幾乎是不可能的。命題 1 用以標(biāo)志 agent 的唯一性,可以通過 agent 登記、注冊(cè)、注銷等方式記錄、檢測(cè)和管理 agent。若 agent 和 mmc 通信,并和其它 agent 通信,協(xié)作完成安全任務(wù),必須首先進(jìn)行認(rèn)證。本文采用授權(quán)驗(yàn)證認(rèn)證方式,該方式簡便易行,有利于系統(tǒng)的推廣,agent 首先向 mmc 申請(qǐng)注冊(cè),在 mmc 控制臺(tái)由管理員人工授權(quán),該 agent獲取一個(gè)注冊(cè)碼 m,并存儲(chǔ)在內(nèi)存中。但是,該方法的弱點(diǎn)是:服務(wù)器端存放的注冊(cè)碼一旦被盜竊,則系統(tǒng)中所有用戶的口令均不安全;不能抵抗
20、重放攻擊9-11,攻擊者可以中途截獲注冊(cè)碼信息,以后使用注冊(cè)碼冒充合法 agent進(jìn)行 mmc 驗(yàn)證請(qǐng)求,從而給系統(tǒng)安全帶來威脅。mmc 不直接存儲(chǔ)用戶的明文 agent_id,而是存儲(chǔ) agent_id 單向 hash 函數(shù)值,可以解決第一個(gè)弱點(diǎn)11-12 ,mmc 根據(jù) m 以及發(fā)送的相應(yīng)的硬件信息生成hash 數(shù)字 kagent存放在 mmc 用戶庫中。4.24.2 c-rc-r 認(rèn)證認(rèn)證agent 在有限信任的生命周期中,與 mmc 通信,必須進(jìn)行認(rèn)證。mmc 為了對(duì)運(yùn)行中的 agent 進(jìn)行不定時(shí)的認(rèn)證,認(rèn)證方式采用簡單的“挑戰(zhàn)一應(yīng)答”(challenge-response)的方式,
21、通過三次握手對(duì)被認(rèn)證對(duì)象的身份進(jìn)行周期性的認(rèn)證,這是 ppp chap 協(xié)議一般采用的認(rèn)證方式。本文吸收該認(rèn)證方式的特點(diǎn),見圖 3。agent1、登錄請(qǐng)求:agent_id2、rs|increment_id3、agent_id,md5(rs|increment_id|k)4、同意訪問或者拒絕訪問mmc圖 3 c-r 認(rèn)證方式mmc 向 agent 發(fā)送遞增改變的標(biāo)識(shí)符和一個(gè)挑戰(zhàn)消息,挑戰(zhàn)消息一般為隨機(jī)數(shù);agent 向 mmc 發(fā)回一個(gè)響應(yīng),該響應(yīng)由 hash 函數(shù)計(jì)算得出,hash 函數(shù)的輸入?yún)?shù)由本次認(rèn)證的標(biāo)識(shí)符、密鑰和挑戰(zhàn)消息構(gòu)成;mmc 將收到的響應(yīng)與自己根據(jù)認(rèn)證標(biāo)識(shí)符、密鑰和挑戰(zhàn)消息
22、計(jì)算出的 hash 函數(shù)值進(jìn)行比較。若相符則認(rèn)證通過,向 agent 發(fā)送“成功”消息;否則發(fā)送“失敗”消息,切斷對(duì)該agent 的服務(wù)。認(rèn)證過程中,傳輸?shù)膬?nèi)容經(jīng)過 hash 函數(shù),如 md5 算法加密,網(wǎng)絡(luò)偵聽無法獲取密鑰明文。另外,由于 mmc 每次選取的隨機(jī)數(shù) challenge 不同,hacker 即使偵聽原先的傳輸內(nèi)容進(jìn)行重放攻擊,也是無法通過認(rèn)證的。圖 3 中遞增改變的標(biāo)識(shí)符為 mmc 的主機(jī)時(shí)間,該時(shí)間用以同步客戶端的主機(jī)時(shí)間,本質(zhì)是為了解決通信中的重放攻擊。4.34.3 復(fù)雜復(fù)雜 c-rc-r 認(rèn)證認(rèn)證agent1、登錄請(qǐng)求:agent_id2、des(rs,k)3、md5(r
23、c),des(rs|rc,k)4、des(rc|ts|loginstate,k)mmc圖 4 復(fù)雜 c-r 認(rèn)證方式復(fù)雜的認(rèn)證方式用來解決 agent 對(duì) mmc 的認(rèn)證。其流程如圖 4 所示,描述如下:mmc 向 agent 發(fā)送消息:“des(rs, k)” 。其中,k 由“k=md5(agent_id)”合并,des 為對(duì)稱加密算法。agent 根據(jù) agent_id 可以對(duì)“des(rs, k)”解密,然后計(jì)算出 rs;agent 向 mmc 發(fā)回一個(gè)響應(yīng):“md5(rc), des(rs|rc, k)” 。其中,消息的前半部分為 agent 產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù) rc 的 hash 值,rs
24、 與 rc 合并后以 k 加密;只有 mmc 的 agent 用戶基本規(guī)則庫中保留有 k 值,在接收到 agent 的響應(yīng)后認(rèn)證中心進(jìn)行解密驗(yàn)證。若 rs 值符合,則解決了 mmc 信任 agent 的問題,之后向 agent 發(fā)送消息:“des(rc|ts|loginstate, k)” ;只有擁有正確密鑰的 agent 可以對(duì)“des(rc|ts|loginstate, k)”解密,然后驗(yàn)證 rc。若相符,則證明 agent 信任 mmc,然后調(diào)整相應(yīng)的 loginstate,并將主機(jī)時(shí)間調(diào)整為 mmc 的時(shí)間 ts,完成一個(gè)信任周期的校驗(yàn)。通過改進(jìn)的流程,解決了 agent 與 mmc
25、的雙向認(rèn)證,可以阻止 hacker 發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)偵聽攻擊、重放攻擊和中間人攻擊。對(duì)于一個(gè)過于簡單的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,一般很容易遭受重放攻擊,只要獲得交互協(xié)議的加密消息,hacker 就可以獲取對(duì)話13-14,并且偽造 ip 地址信息就可以向?qū)Ψ桨l(fā)送信息,對(duì)方將被蒙騙。一般而言,為了抵抗該攻擊,運(yùn)用了needham-schroeder 協(xié)議15,對(duì)密鑰交互協(xié)議增加了認(rèn)證,可以確保交互協(xié)議不被竊取。5 5 結(jié)束語結(jié)束語 本文提出的云計(jì)算平臺(tái)部署上的異地在線虛擬機(jī)遷移的框架結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)企業(yè)異地災(zāi)備的虛擬機(jī)負(fù)載平衡是一種很好的方案,并對(duì)解決現(xiàn)實(shí)中存在通信延遲和安全通信問題也作出了探討,下一步需要在開源虛擬化軟
26、件 xen vmm 和 kvm上作進(jìn)一步的測(cè)試和優(yōu)化。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1fei ma, feng liu, zhen liu. live virtual machine migration based on improved pre-copy approachc. software engineering and service sciences (icsess), 2010 ieee international conference on, july,2010:230-233.2hai jin, li deng, song wu, et al. live virtual machine mi
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