隨著云計算的不斷普及，云平臺安全問題日益凸顯。云平臺資源共享、邊界消失、動態變化等特點，使得傳統基于邊界的旁路式、外掛式防御手段無法有效應對云內安全威脅。因此，通過將安全機制與云平臺融合設計，實現了對云平臺內部威脅和攻擊的可視、可控、可防，確保安全機制的不可繞過和性能開銷最小。

　　0　引　言

　　云計算技術作為當前信息領域影響最大的技術之一，其發展應用給社會生活和國防領域帶來了顯著影響。云計算本質是一種新的IT資源（硬件、平臺、軟件）的組織和使用技術，引入了新的技術體系架構和組織管理模式，隨之也帶來了許多新的安全風險。其具有集中計算、資源動態變換、邊界消失以及軟件定義等特點，對傳統基于邊界的防護手段提出了新挑戰。

　　云平臺的安全威脅可以分為外部威脅和內部威脅，典型關系滿足冰山理論觀點。外部威脅容易被關注，屬于冰山之上的部分；內部威脅難以察覺，但其影響巨大，屬于冰山之下的部分。兩者的主要區別表現在以下3個方面。

　　（1）從安全威脅上看，外部威脅通常影響云平臺用戶使用和應用運行，屬于被大眾所關注得到的冰山之上的威脅。內部威脅來自安全邊界內部，可以躲避防火墻、入侵檢測等外部安全設備的檢測。

　　（2）從攻擊來源上看，內部威脅遠大于外部威脅。據2018年 Cybersecurity Insiders 發布的“2018年內部威脅報告”顯示，當今最具破壞性的安全威脅不是來自外部的惡意人員或惡意軟件，而是來自可信賴的內部人員，無論是惡意的內部人員還是疏忽的內部人員。外部威脅影響的可能是冰山一角的某個業務或者服務，但內部威脅影響的是整個冰山下的信息系統基礎設施。

　　（3）從攻擊面上看，內部威脅的攻擊面遠大于外部威脅。外部威脅只有有限的攻擊路徑和攻擊方式，但內部威脅容易選擇從安全防御最薄弱的環節入手，威脅整個云環境的安全。所以，隨著云平臺在國防、民生等領域的廣泛應用，除云平臺外部安全以外，其自身的安全性研究更加迫切。

　　#1　云安全現狀概述

　　目前，云安全聯盟CSA在云安全指南基礎上推出的“云安全控制矩陣CCM”成為云計算信息安全行業黃金標準，提供了評估云供應商整體安全風險的基本安全準則。CCM圍繞云計算體系架構，提出了16個安全域，包括應用程序和接口安全、審計保障與合規性、業務連續性管理與運營恢復、變更控制和配置管理、數據安全與信息生命周期管理、數據中心安全、加密與密鑰管理、治理與風險管理、人力資源安全、身份與訪問控制、基礎設施與虛擬化安全、互操作與可移植性、移動安全、安全事件管理、電子發現與云取證和供應鏈管理以及透明與可審計、威脅、脆弱性管理。通過這 16個安全域構建了統一的云安全控制框架，期望減少云中的安全威脅和弱點，從而為強化現有的信息安全控制環境提供標準化的安全和運營管理。

　　在云安全產業層面，亞馬遜、阿里云、華為云等云計算廠商都推出了云安全責任共擔模型，明確區分了用戶的安全責任和云廠商的安全責任。云上由租戶承擔，云下由云廠商提供，而用戶的安全通常由安全廠商來保障。云安全共享責任模型，如圖1所示。

　　圖1　云安全共享責任模型

　　1.1　云上安全

　　云上安全方面，各個安全廠商基于云平臺的特點，主要在虛擬主機安全、云平臺東西向網絡安全以及南北向網絡安全方面做了很多努力，提出了如下一代防火墻、安全資源池、vWAF、vIDS/IPS等虛擬化安全產品。

　　天融信云計算安全方案包含從外到內的3層縱深防御體系，主要由傳統物理邊界安全設備、安全資源池、分布式防火墻以及vSecCenter云安全管理平臺等組成。

　　綠盟云安全方案參考了安全域縱深主動防御思想，具備完整的云平臺東西向安全防御、南北向安全防御以及安全資源池統一管理和控制能力。

　　1.2　云平臺安全

　　云平臺安全方面，各個云平臺廠商也構建了較為全面的云平臺安全防御能力。

　　阿里云提出了“五橫兩縱”的7個維度的安全架構保障。兩個縱向維度分別為賬戶安全（身份和訪問控制）以及安全監控和運營管理。五個橫向維度包括最底層的云平臺層面安全、租戶層面的基礎安全、數據安全、應用安全和業務安全。

　　華為云提出了多維全棧的云安全防護體系，核心包括物理與環境安全、網絡安全、平臺安全、API應用安全以及數據安全5部分。

　　綜上，無論是針對云平臺的安全標準制定，還是云廠商的安全防護建設，學者和工程師們都進行了大量研究和實踐。但是，從公開的資料來看，針對云平臺自身核心組件和機制的安全體系研究較少。因此，本文將結合云平臺機理，從攻擊的角度出發，探索云平臺安全風險，并結合內生安全的設計思想，探討云平臺的內生安全技術。

　　#2　云平臺IaaS結構分析

　　眾所周知，云平臺分為IaaS、PaaS和SaaS共3層。IaaS是基礎，管理云計算環境下所有的服務器、網絡、存儲等物理設備，并將其虛擬化為虛擬機、容器、虛機網絡、虛擬磁盤等動態、可調度的云資源。PaaS 層基于這些抽象出來的云資源為上層應用構建平臺級服務。SaaS 層基于部分平臺服務和云資源構建云上應用服務。所以，研究云平臺的自身安全需要從源頭出發，通過打開IaaS層的黑盒，分析其組件功能和運行機理，從而找出潛在的安全風險。

　　云平臺的IaaS層定義為通過隱藏特定計算平臺的實際物理特性，為用戶提供抽象的、統一的、模擬的計算環境。宿主機內提供這一虛擬化能力的組件稱為虛擬機監視器（Virtual Machine Monitor，VMM），如圖2所示。

圖2　開源KVM云平臺架構

　　（1）Qemu。用戶態的一個虛擬化模擬程序，提供一個完整的虛擬主機設備模擬，包括BIOS、CPU、內存、磁盤、網卡、聲卡等虛擬設備。一個Qemu進程對應一個VM運行空間。

　　（2）KVM.ko。linux內核中為Qemu提供虛擬化中斷和IO支持的模塊。

　　（3）libvirt。一個虛擬機管理的標準庫，運行在宿主機，支持管理KVM、XEN等平臺虛機，提供虛機創建、啟動、暫停、關機以及銷毀等接口。

　　（4）存儲虛擬化。后端SAN存儲通過LVM切割劃分為LV，提供給虛擬機作為虛擬磁盤使用，或者分布式存儲直接提供塊設備作為虛擬磁盤。

　　（5）網絡虛擬化。通過OVS虛擬交換機為虛擬機提供通信功能。Qemu模擬的虛擬網卡與虛擬交換機相連，交換機與物理網卡相連。

　　（6）虛擬化管理平臺。對宿主機集群及其虛擬化資源進行統一管理，包括虛機動態遷移、宿主機彈性伸縮、虛擬機磁盤、CPU以及內存管理等。

　　（7）VDI協議。用戶在網絡可達的任意位置通過遠程連接協議對虛擬機進行遠程訪問。

　　#3　云平臺IaaS層安全風險分析

　　針對IaaS層的安全風險，本文從分層模型和攻擊路徑兩個視角進行分析。

　　3.1　分層模型視角的安全風險分析

　　從分層模型來看，它主要包括虛擬機安全風險、數據和存儲安全風險、虛擬化監視器安全風險、網絡虛擬化安全風險以及管理平面安全風險5個部分。

　　3.1.1　虛擬機安全風險

　　虛擬機面臨傳統主機系統的所有安全風險：操作系統和數據庫被暴力破解、非法訪問的行為；對服務器的Web應用入侵、上傳木馬以及上傳webshell等攻擊行為；補丁更新不及時導致的漏洞利用；不安全的配置和非必要端口的開放導致的非法訪問和入侵。

　　3.1.2　數據和存儲安全風險

　　在云計算環境中，存儲虛擬化的引入、物理存儲資源的共用和復用、虛擬機的數據（磁盤內容）以文件的形式存儲在物理存儲介質上（可通過網絡方式訪問）等，會帶來以下安全風險：

　　（1）數據在傳輸過程中受到破壞而無法恢復；

　　（2）在虛擬環境傳輸的文件或者數據被監聽；

　　（3）虛擬機的內存和存儲空間被釋放或再分配后被惡意攻擊者竊取；

　　（4）同一個邏輯卷被多個虛擬機掛載，導致邏輯卷上的敏感信息泄露；

　　（5）云用戶從虛擬機逃逸后獲取鏡像文件或其他用戶的隱私數據；

　　（6）虛擬機遷移和敏感數據存儲漂移導致的不可控；

　　（7）數據安全隔離不嚴格導致惡意用戶可以訪問其他用戶數據；

　　（8）虛擬機鏡像遭到惡意攻擊者篡改或非法讀取。

　　3.1.3　虛擬化監視器安全風險

　　在云計算環境中，資源是通過虛擬化監視器（hypervisor等）的方式對資源進行邏輯切分，存在以下安全風險：

　　（1）hypervisor 管理器缺乏身份鑒別，導致非法登錄hypervisor后進入虛擬機；

　　（2）攻擊者控制單臺虛擬機后，通過虛擬機漏洞逃逸到hypervisor獲得物理主機的控制權限；

　　（3）攻擊者控制單臺虛擬機后，通過hypervisor漏洞訪問其他虛擬機；

　　（4）缺乏QoS機制，導致虛擬機因異常原因產生資源占用過高發生宿主機或宿主機下的其他虛擬機的資源不足問題，出現正常業務異常或不可用的情況；

　　（5）缺乏對虛擬機的“監、控、防”機制，不能及時發現攻擊行為，待攻擊者攻破虛擬系統后，可以進行任意破壞行為、網絡行為以及對其他賬戶的猜解和長期潛伏；

　　（6）虛擬機可能因運行環境異常或硬件設備異常等原因出錯，影響其他虛擬機；

　　（7）hypervisor等核心組件缺乏完整性檢測，存在被破壞和被篡改的風險。

　　3.1.4　網絡虛擬化安全風險

　　在云計算模式下，網絡虛擬化的引入、物理網絡資源的共享、傳統邊界的消失等，會帶來以下安全風險：

　　（1）傳統的防火墻、IDS、IPS等網絡安全設備只能部署在物理網絡的邊界，無法對虛擬機之間的通信進行細粒度訪問控制；

　　（2）網絡資源虛擬化后，導致傳統網絡邊界消失，無法有效對云環境流量進行審計、監控和管控；

　　（3）單臺虛擬機被入侵后對整片虛擬機進行滲透攻擊，并導致病毒等惡意行為在網絡內傳播蔓延，直接威脅到整個虛擬網絡甚至計算平臺的安全運行；

　　（4）虛擬機之間進行的 ARP 攻擊、嗅探；

　　（5）云內網絡帶寬的非法搶占；

　　（6）內部用戶之間或者虛擬機之間的端口掃描、暴力破解以及入侵攻擊等行為。

　　3.1.5　管理平面安全風險

　　管理平面安全風險主要涉及如下方面：

　　（1）虛擬化管理軟件自身存在安全漏洞，導致被攻擊者入侵，通過管理平面破壞云平臺；

　　（2）缺乏統一的、高安全的認證和鑒權體系，導致云平臺管理員因賬號非法冒用、暴力破解等帶來安全威脅；

　　（3）管理員權限集中，缺乏審計和回溯機制，導致管理平面安全風險；

　　（4）管理平面缺乏安全設計，導致對服務器、宿主機、虛擬機等進行操作管理時存在被竊聽、重放的風險。

　　3.2　攻擊路徑視角的安全風險分析

　　從攻擊路徑來分析，IaaS層安全風險主要分為宿主機攻擊、虛機逃逸攻擊、VDI協議攻擊以及接口攻擊，如圖3所示。

　　3.2.1　宿主機攻擊

　　如圖3中的攻擊路徑①，惡意管理員或者系統黑客對宿主機進行密碼破解、漏洞滲透后進入系統，能夠對虛擬磁盤進行惡意讀取、毀壞，造成數據泄露、破壞等安全威脅，同時也將威脅Qemu、libvirt等核心虛擬化組件，通過替換、病毒注入等方式，從下往上侵入虛擬機，造成信息泄露等安全風險。

　　圖3　云平臺IaaS層攻擊路徑

　　3.2.2　虛機逃逸攻擊

　　如圖3中的攻擊路徑②，虛機用戶利用Qemu中模擬設備驅動漏洞獲取在宿主機的用戶態甚至內核態特權，從而完成從虛機到宿主機的入侵；通過截獲虛機管理控制流，實施竊取密碼或者回放攻擊、同駐攻擊等；通過惡意Dump或者讀取其他虛機的內存，實施內存跨域攻擊；通過宿主機訪問云管理網絡，從而攻擊其他相鄰主機，造成DDoS、入侵等攻擊蔓延。

　　3.2.3　VDI 協議攻擊

　　如圖3中的攻擊路徑③部分，目前，大量使用開源VDI協議組件。用戶使用惡意VDI客戶端冒充合法用戶連接虛機，對協議中的圖像數據進行竊取、破壞、篡改等。

　　3.2.4　接口攻擊

　　如圖3中的攻擊路徑④，通過抓包竊取用戶賬戶，惡意執行管理調度行為，如惡意執行快照回滾造成數據丟失、引發遷移風暴耗盡云資源等。

　　#4　云平臺IaaS層內生安全設計

　　針對以上IaaS云平臺內部威脅，采用安全機制與云平臺融合設計的理念，探索云平臺內生安全設計，如圖4所示。通過對云平臺內VMM、VDI協議、管理平臺等組件從“監”“控”“防”3個維度進行設計改造，確保云平臺IaaS層的內部威脅“看得見”“控得住”“防得了”。

　　圖4　云平臺 IaaS 層內生安全設計

　　（1）“看得見”。在VMM層加入監視模塊，確保能及時發現進入宿主機的攻擊。通過在宿主機操作系統層開放內核跟蹤功能，對系統調用、指令序列、信息流、IO序列等進行跟蹤，目標是對從攻擊路徑①②進入宿主機系統發起的中斷風暴、非法磁盤IO讀取寫入（非法/敏感文件路徑）、惡意系統調用（Dump）、非法控制流等攻擊進行監控、上報。在網絡虛擬化安全方面，內核網絡協議棧增加內生防火墻模塊，在虛擬網卡和虛擬網橋之間建立虛擬機流量的過濾和監控機制。相比安全廠商通過引流到旁路防火墻進行過濾和監控的機制，這種方式更不容易被繞過，且效率更高。

　　（2）“控得住”。在VMM層加入控制模塊和控制驅動，確保攻擊一旦被發現，能夠有效阻斷，限制其攻擊和蔓延。這主要包括：在宿主機操作系統層，增加對惡意逃逸虛擬機的Qemu進程的控制模塊，如增加降低風險虛擬機進程調度優先級控制指令，限制風險虛擬機的資源占用；通過在內核網絡協議棧的內生防火墻模塊，限制風險虛擬機的網絡流量轉發、傳播行為；通過在宿主機內核數據路徑側限制風險虛擬機存儲讀寫速率，限制其對存儲資源的占用。在存儲訪問控制方面，增加在執行敏感指令時的多員確認機制，如磁盤的銷毀、復制、快照回滾、來自其他進程的 IO 訪問等，從而防止磁盤惡意破壞、惡意越權訪問等攻擊。在虛擬化管理方面，增加三員分權管理，對管理權限進行三員劃分，減少超級權限帶來的安全風險，增加對管理操作的審計，防止惡意管理員的蓄意攻擊。

　　（3）“防得了”。通過將加密、認證、可信等安全防御技術融入IaaS層云平臺內部，從而強化IaaS層云平臺的安全防護能力。在IaaS層云平臺組件安全方面，通過在VMM中增加組件完整性度量模塊，在虛擬化組件啟動前或者運行中，對Qemu、libvirt、KVM等關鍵組件的可執行程序和配置進行完整性度量，防止病毒注入、組件替換等攻擊。在數據安全方面，虛擬機磁盤、快照、鏡像是IaaS層數據的核心資產。通過加密、完整性校驗和剩余信息擦除技術，在虛擬機的全生命周期對虛機磁盤、快照、模板鏡像全鏈路加密、完整性校驗以及殘余信息擦除，確保虛擬機在遷移、備份、導入導出等場景下，磁盤、快照、模板未被非法訪問、篡改以及病毒植入等。在管理平面安全方面，增加API安全保護機制，增加時間戳超時機制、拒絕重復調用，限制在一段時間內同一用戶調用次數，防止重放攻擊，同時對IaaS云平臺管理鏈接口調用（管理平臺→libvirt→Qemu）進行層層鑒權認證，防止中間非法調用和指令下發。

　　#5　結　語

　　針對云平臺內部安全威脅，通過將安全機制與云平臺融合的內生安全防護設計，可以有效避免目前旁路式、外掛式云安全防護手段無法實施、高效應對云平臺內部安全威脅的問題，并具有不可繞過、性能開銷小等優點。從試驗結果來看，該機制能夠有效應對內部惡意管理、虛擬機逃逸、越權訪問等多種云內部安全威脅場景，具備較為廣闊的應用前景。

　　但是，該機制需要與云平臺內部組件和機制相結合，對云平臺組件改造和接口開放要求較高，需要云平臺廠商和安全廠商深度配合才能完成。未來，隨著云安全的逐步深化，有望通過云的安全標準促進云廠商自身內在安全的發展，通過開放更多標準化接口吸納安全廠商的云平臺加固組件，從而推動云平臺內生安全的發展和應用。