一種面向云計算環(huán)境下虛擬機的威脅建模方法

摘要：針時云計算環(huán)境中虛擬機平臺存在的弱點和漏洞，分析研究了虛擬機可能面臨的威脅和攻擊，基于STRIDE建模技術(shù)構(gòu)建了云計算環(huán)境下虛擬機平臺的安全威脅模型。并對威脅發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度進(jìn)行量化，從而進(jìn)一步評估整個云計算系統(tǒng)面臨的安全威脅。
關(guān)鍵詞：云計算；虛擬機；STRIDE威脅建模

0 引言
云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的新型計算模式，通過彈性動態(tài)分配虛擬化資源給用戶帶來全新的計算體驗，讓用戶從繁重且昂貴的運營與維護中解脫出來。虛擬化技術(shù)是實現(xiàn)云計算最重要的技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)了物理資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示，解決了資源的動態(tài)可重構(gòu)、監(jiān)控和自動化部署問題。在云計算技術(shù)飛速發(fā)展的同時，云計算系統(tǒng)的安全問題也不斷暴露出來。全球綜合性網(wǎng)絡(luò)安全信息解決方案供應(yīng)商安博士公司基于網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)控平臺與安全威脅趨勢，發(fā)布了2011年七大網(wǎng)絡(luò)安全威脅報告，其中指出，針對云計算及虛擬化技術(shù)漏洞的攻擊所占比重越來越大。
云計算的安全問題引起了廣泛的關(guān)注。Chen Qian，Jia Tiejun，J．Schiffman等人分別研究了云計算模型、云安全、云服務(wù)基礎(chǔ)架構(gòu)安全與挑戰(zhàn)等問題。張紅斌等人研究建立了內(nèi)部威脅云模型，實現(xiàn)了基于云模型的內(nèi)部威脅感知算法。本文擬通過分析研究云計算環(huán)境下虛擬機平臺所面臨的常見安全威脅，建立威脅模型來確定和評估云計算系統(tǒng)的安全威脅及系統(tǒng)漏洞嚴(yán)重程度，有助于制定完整的安全策略來對抗云計算系統(tǒng)所面臨的威脅。

1 虛擬機威脅建模流程
STRIDE威脅建模技術(shù)是微軟公司提出的一項技術(shù)，廣泛用于安全系統(tǒng)的威脅建模。STRIDE是6種威脅的首字母縮寫：
(1)欺騙標(biāo)識(Spoofing identity)，使用另一個用戶的用戶名和口令、認(rèn)證信息等。
(2)篡改數(shù)據(jù)(Tampering with data)，惡意修改數(shù)據(jù)。
(3)拒絕履約(Repudiation)，用戶拒絕從事一項活動，而又沒有辦法證明其拒絕履約。
(4)信息泄漏(Information disclosure)，把信息暴露給無訪問權(quán)限的用戶。
(5)拒絕服務(wù)(Denial of Service)，使合法用戶得不到服務(wù)。
(6)特權(quán)提升(Elevation of Privilege)，使沒有特權(quán)的用戶獲得特權(quán)，從而有足夠的能力損壞或摧毀整個系統(tǒng)。
云計算環(huán)境下虛擬機STRIDE安全威脅模型建立過程，可以概括為云系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析、威脅識別、威脅量化評估3個階段。其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析階段是通過對云計算系統(tǒng)的架構(gòu)分析，劃定系統(tǒng)的各個層面和安全邊界。威脅識別階段通過分析、識別云計算系統(tǒng)運行的關(guān)鍵節(jié)點和數(shù)據(jù)所面臨的威脅來構(gòu)建STRIDE模型。威脅量化評估階段是對識別的威脅進(jìn)行量化，進(jìn)而對整個云計算系統(tǒng)面臨的安全威脅嚴(yán)重程度進(jìn)行評估。

2 云計算環(huán)境下虛擬機架構(gòu)分析
虛擬機按照實現(xiàn)架構(gòu)主要分為I型(Bare-Metal，裸機型)和Ⅱ型(Hosted，宿主型)兩大類。I型虛擬機中，虛擬化技術(shù)通過直接在硬件平臺上添加一層虛擬機監(jiān)控器(Virtual Machine Monitor，VMM，也稱Hyper-visor)程序，實現(xiàn)對CPU、內(nèi)存管理器及I／O系統(tǒng)等的虛擬化管理，并負(fù)責(zé)對硬件資源的調(diào)度、所有虛擬機(Virtual machine，VM)的管理并響應(yīng)虛擬機的請求。I型虛擬機主要應(yīng)用于服務(wù)器虛擬化。Ⅱ型虛擬機通過在寄主操作系統(tǒng)中構(gòu)建一個虛擬化管理層實現(xiàn)對虛擬機的管理，該型虛擬機主要應(yīng)用于桌面虛擬化。在云計算環(huán)境下，參照I型虛擬機架構(gòu)，可以將提供云服務(wù)的虛擬化平臺分為用戶層、應(yīng)用層、系統(tǒng)層、監(jiān)控層、硬件層等五個層面，如圖1所示。

虛擬化技術(shù)的引入也帶來了新的安全威脅與挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為以下幾個方面：
(1)虛擬機監(jiān)控器引入新的安全威脅。當(dāng)VMM本身存在的潛在漏洞或配置錯誤被攻擊時，極易造成虛擬機溢出，也稱為虛擬機逃逸，即攻擊者可以獲得對虛擬機監(jiān)控器或虛擬機管理系統(tǒng)的控制。
(2)虛擬機遷移引入新的安全威脅。虛擬機實時遷移技術(shù)可以使虛擬機在不中斷應(yīng)用的情況下在不同的物理主機之間實時進(jìn)行遷移，對于分布式數(shù)據(jù)中心、集群的負(fù)載均衡和災(zāi)難恢復(fù)有重大意義。虛擬機實時遷移過程中，攻擊者可能對遷移控制層、遷移數(shù)據(jù)層、遷移模塊等發(fā)動攻擊，這對虛擬機的可靠運行帶來了安全挑戰(zhàn)。
(3)虛擬機共享機制引入的安全威脅。為了保證應(yīng)用層服務(wù)能夠相對平等高效地共享底層硬件，虛擬化技術(shù)提供了大量的共享資源，而這些共享資源則成為隱蔽通道發(fā)生的源泉。另外數(shù)據(jù)殘留也有可能造成敏感信息泄露。
(4)新增的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管障礙。在虛擬化數(shù)據(jù)中心中采用了新的網(wǎng)絡(luò)模型，幾十個操作系統(tǒng)或應(yīng)用程序以虛擬機的形式同時部署在物理服務(wù)器上，這些虛擬機同時共享該服務(wù)器的硬件資源，虛擬機間的網(wǎng)絡(luò)流量不經(jīng)過傳統(tǒng)的硬件防火墻、IDS和IPS等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，這顯然是網(wǎng)絡(luò)安全防護中的盲點。當(dāng)一臺虛擬機發(fā)生問題時，安全威脅就會通過網(wǎng)絡(luò)蔓延至其他的虛擬機。