云計算虛擬化典型結(jié)構(gòu)與訪問應用模式

云計算技術(shù)是IT產(chǎn)業(yè)界的一場技術(shù)革命，已經(jīng)成為了IT行業(yè)未來發(fā)展的方向。無論是基于開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境對公眾開放云服務的公有云，還是為企業(yè)內(nèi)部用戶提供服務的私有云，都需要通過構(gòu)建不同規(guī)模的數(shù)據(jù)中心作為提供云服務的基礎(chǔ)設(shè)施支撐。而虛擬化技術(shù)已經(jīng)成為構(gòu)建云計算數(shù)據(jù)中心的關(guān)鍵技術(shù)。

通過不同層次的計算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)通信資源的虛擬化實現(xiàn)資源池化，使云計算能夠在基礎(chǔ)設(shè)施層面實現(xiàn)平臺化服務(IaaS)，如AmazonEC2、IBMBlueCloud、CiscoUCS等典型的IaaS產(chǎn)品。

使用云計算數(shù)據(jù)中心服務的用戶，需要基于瘦客戶端、移動云終端等設(shè)備完成接入，訪問其虛擬化計算資源，并進一步使用各種云計算服務。

云計算數(shù)據(jù)中心可以為不同的用戶群提供不同的服務，用戶群之間、用戶群內(nèi)用戶彼此之間已經(jīng)沒有了明確的物理邊界，而是基于虛擬化技術(shù)實現(xiàn)必要的安全隔離，這種隔離是否具備足夠的安全性，用戶數(shù)據(jù)是否具有足夠的隱私保護和訪問可控性，這些虛擬化安全問題已經(jīng)成為云計算是否能夠取得廣泛應用突破的關(guān)鍵。

如何讓云中各種類型的用戶盡可能安全地使用網(wǎng)絡(luò)，如何讓用戶無縫地接入和使用云計算服務，如何通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建靈活性、擴展性的同時，解決好網(wǎng)絡(luò)安全問題，已經(jīng)成為采用虛擬化技術(shù)構(gòu)建云計算數(shù)據(jù)中心所必須要解決的問題。當前主流廠商有基于VLAN安全區(qū)化、防火墻虛擬化等網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)對云計算數(shù)據(jù)中心所采用的虛擬化網(wǎng)絡(luò)進行保護，但仍然未能解決好用戶訪問的可信以及數(shù)據(jù)交互的機密性、可控性等問題。

文中在研究基于虛擬化網(wǎng)絡(luò)的云計算數(shù)據(jù)中心典型架構(gòu)與訪問應用模式的基礎(chǔ)上，從用戶安全接入、通信隔離與機密性保護等方面分析了數(shù)據(jù)中心虛擬化網(wǎng)絡(luò)安全需求，提出了虛擬化網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)框架，重點針對基于密碼技術(shù)強化虛擬化網(wǎng)絡(luò)安全，保障虛擬機之間的通信保護、信息隔離與安全交換等安全機制進行了分析與設(shè)計，提出了一種可供參考的解決方案。

云計算虛擬化網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)與訪問應用模式

云計算的基礎(chǔ)架構(gòu)主要包含計算(服務器)、網(wǎng)絡(luò)和存儲。對于網(wǎng)絡(luò)，從云計算整個生態(tài)環(huán)境上來說，可以分為3個層面，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)以及泛在的云接入網(wǎng)絡(luò)。

其中數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)包括連接計算主機、存儲和4到7層服務器(如防火墻、負載均衡、應用服務器、IDS/IPS等)的數(shù)據(jù)中心局域網(wǎng)，以及邊緣虛擬網(wǎng)絡(luò)，即主機虛擬化之后，虛擬機之間的多虛擬網(wǎng)絡(luò)交換網(wǎng)絡(luò)，包括分布式虛擬交換機、虛擬橋接和I/O虛擬化等;跨數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)主要解決數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)遷移、多數(shù)據(jù)中心間的資源優(yōu)化以及多數(shù)據(jù)中心混合業(yè)務提供等;泛在的云接入網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)中心與終端用戶互聯(lián)，為公眾用戶或企業(yè)用戶提供云服務。

在此，主要探討使用虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)及其訪問應用方式。因為，數(shù)據(jù)中心大量的虛擬機通過虛擬化網(wǎng)絡(luò)訪問計算資源的安全可控問題，是解決云計算虛擬化網(wǎng)絡(luò)安全問題的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)包括核心層交換機、接入層交換機和虛擬交換機。在使用云計算后，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)需要解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的數(shù)據(jù)同步傳送的大流量、備份大流量、虛擬機遷移大流量問題，因此要求核心層網(wǎng)絡(luò)具備超大規(guī)模的數(shù)據(jù)交換能力以及足夠的萬兆接入能力。接入層交換機要求能夠支持各種靈活的部署方式和新的以太網(wǎng)技術(shù)，包括無損以太網(wǎng)技術(shù)等。

虛擬交換機是在物理服務器內(nèi)部通過虛擬機管理器(Hypervisor)層虛擬出相應的交換機和網(wǎng)卡功能并實施管理，提供了服務器內(nèi)多個虛擬主機虛擬網(wǎng)卡(vNIC)的互聯(lián)以及為不同的虛擬網(wǎng)卡流量設(shè)定不同的VLAN標簽功能，使得服務器內(nèi)部如同存在一臺交換機，可以方便地將不同的網(wǎng)卡連接到不同的端口。Hypervisor為每個VM(虛擬主機)創(chuàng)建一個或者多個vNICs，聯(lián)接Hypervisor中的虛擬交換機，從而支持VM間的通信。Hypervisor還允許虛擬交換機和物理網(wǎng)絡(luò)接口的通信，以及和外部網(wǎng)絡(luò)的高效通信，典型的虛擬交換機如開源的OpenvSwitch。

以目前應用較成熟的Ctrix基于Xen的虛擬化系統(tǒng)為研究對象(與其他VmwareESX、KVM、Hyper-V等有所不同，可參考思路)，分析用戶聯(lián)接虛擬化用戶終端，并進一步訪問數(shù)據(jù)中心計算資源的典型框架如圖2所示。

首先遠程用戶基于瘦客戶端，基于ICA等遠程桌面協(xié)議(Vmware用PCoIP)訪問數(shù)據(jù)中心服務器上的用戶虛擬終端。ICA協(xié)議是基于Xen的 Ctrix虛擬化系統(tǒng)的專有協(xié)議，將顯示器、鍵盤、鼠標操作信息與服務器端管理域交互，可以在Hypervisor上創(chuàng)建、中止相應的虛擬化終端系統(tǒng)，獲得與本地化計算機終端操作相同的使用體驗。同時，管理域OS上還運行了所有外設(shè)的實際驅(qū)動程序，通過后端驅(qū)動模塊與系列客戶終端虛擬機OS上運行的前端驅(qū)動模塊進行交互，實現(xiàn)對各客戶終端虛擬機設(shè)備驅(qū)動的支持。

其次，用戶虛擬終端機之間通過虛擬網(wǎng)卡、虛擬化交換機(包括跨物理服務器的分布式虛擬化交換機)，實現(xiàn)虛擬終端之間以及用戶虛擬終端與虛擬應用服務器之間的高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)基于虛擬化的數(shù)據(jù)集中應用，并訪問各種應用服務器，或進行用戶虛擬機的遷移等。其中分布式虛擬交換機采用使底層服務器架構(gòu)更透明的方法，支持不同物理服務器上虛擬交換機的跨服務器橋接，使一個服務器中的虛擬交換機能夠透明地和其他服務器中的虛擬交換機連接，使服務器間(以及它們的虛擬接口)的VM遷移更簡單。