云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)研究

1、云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)研究 I m a the bil ofCloud proving Dependity 。一 一。一 Com puti ngSystems HaiboChen Supervisor： ProfBinyuZang Schoolof Science，F(xiàn)udan Computer University October2021 in Submittedtotal the PhD of requirementsyo，the fulfilment degreeof in Architecture Computer 目 錄 目錄 1 摘要 Xl Abstract XV 第一章緒論 1

2、11云計(jì)算背景 1 12云計(jì)算平臺(tái)可信性的重要性 3 121 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可信性的定義 3 122計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可信性的重要性 5 123 云計(jì)算平臺(tái)可信性的突出問(wèn)題 6 13相關(guān)研究 7 131云計(jì)算平臺(tái)架構(gòu) 8 132系統(tǒng)虛擬化 9 133計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可信性 3 14本文的主要奉獻(xiàn) ，上1l 6 141之前研究工作的缺乏1l6 142本文的主要奉獻(xiàn) 7 15本文結(jié)構(gòu)安排 1上1l 8 第二章基于動(dòng)態(tài)信息流跟蹤技術(shù)的系統(tǒng)平安增強(qiáng)技術(shù) 21 21 引言 21 22背景知識(shí)與相關(guān)工作 23 云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)的研究 221動(dòng)態(tài)信息流跟蹤技術(shù) 船 一222二進(jìn)制混淆 縱 223猜想執(zhí)行及其硬件支持

3、弱 23 SHIFT：基于動(dòng)態(tài)信息流跟蹤的入侵檢測(cè)系統(tǒng)拍 231設(shè)計(jì)。卯 232與猜想執(zhí)行的整合 凹 233 實(shí)現(xiàn) 凹 24 BOSH：基于動(dòng)態(tài)信息流跟蹤的代碼混淆技術(shù)n 241 BOSH的主要想法乩 242流敏感的二進(jìn)制混淆 243基于延遲異常的實(shí)現(xiàn)弱 25評(píng)測(cè) 盯 251評(píng)測(cè)環(huán)境。盯 252 SHIFT的性能弘 253 SHIFT的平安性 254 Bosh的性能如 255 Bosh的抗攻擊性乾 26小結(jié) 必 第三章 基于動(dòng)態(tài)更新的可用性與可維護(hù)性增強(qiáng)技術(shù) 45 31 引言 45 32 相關(guān)工作及其缺乏 47 321主要相關(guān)工作 47 322前人工作的主要缺乏 48 33 基于雙向?qū)懘┩降?/p>

4、動(dòng)態(tài)更新技術(shù)的想法 49 34 基于雙向?qū)懘┩郊夹g(shù)的動(dòng)態(tài)更新系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 51 目錄 341動(dòng)態(tài)補(bǔ)丁 娩 342動(dòng)態(tài)補(bǔ)丁的自動(dòng)生成弱 343補(bǔ)丁應(yīng)用與狀態(tài)維護(hù) 弘 344函數(shù)的重定向 弱 345更新回調(diào)函數(shù)7弱 346動(dòng)態(tài)補(bǔ)丁的回滾 35 LUCOS-針對(duì)操作系統(tǒng)內(nèi)核的更新系統(tǒng)W 351設(shè)計(jì)考慮 W 352架構(gòu)。 W 353 實(shí)現(xiàn) 弱 36 POLUS：針對(duì)應(yīng)用軟件的更新系統(tǒng) 騮 361獲得對(duì)運(yùn)行進(jìn)程的控制 的 362狀態(tài)一致性維護(hù) 的 363棧掃描 37評(píng)測(cè) 371 LUCOS系統(tǒng)的更新體驗(yàn) 372 LUCOS系統(tǒng)的性能測(cè)試 眈 373 POLUS系統(tǒng)的更新體驗(yàn) 夠 37互POLUS系統(tǒng)的性

5、能測(cè)試的 38小結(jié) 卯 第四章基于動(dòng)態(tài)虛擬化技術(shù)的可靠性與性能結(jié)合技術(shù)研究 69 41引言 69 42相關(guān)工作以及其缺乏。 70 43動(dòng)態(tài)虛擬化系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 72 431虛擬化敏感性 72 云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)的研究 432虛擬機(jī)監(jiān)控器的動(dòng)態(tài)插入與刪除。73 433動(dòng)態(tài)虛擬化系統(tǒng)的要求 74 434操作系統(tǒng)的執(zhí)行模式 75 44 76 Mercury系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 441 Mercury的實(shí)現(xiàn)概覽76 442動(dòng)態(tài)虛擬化的支持 77 45動(dòng)態(tài)虛擬化系統(tǒng)的應(yīng)用 8O 451在線硬件維護(hù) 80 452操作系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)更新80 453硬件容錯(cuò)81 46實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 81 461 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 81 462微程序測(cè)

6、試數(shù)據(jù) 81 463應(yīng)用級(jí)測(cè)試數(shù)據(jù) 82 464模式切換時(shí)間 82 47小結(jié) 663 第五章基于虛擬化的云計(jì)算應(yīng)用的可信性增強(qiáng)技術(shù) 85 51引言 85 52相關(guān)工作 86 521其他基于虛擬機(jī)監(jiān)控器的工作87 522體系結(jié)構(gòu)支持 87 523信息流控制與入侵檢測(cè) 88 524基于程序語(yǔ)言與設(shè)計(jì)的方法88 53設(shè)計(jì)目標(biāo)與威脅模型 88 531 行為約束的定義 88 目 錄 532假設(shè)與威脅模型 88 54 89 CHAOS；不可信環(huán)境下云計(jì)算效勞的隱私性保護(hù) 541 CHAOS系統(tǒng)概覽89 542 CHAOS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)92 55 Shepherd：不可信環(huán)境下云計(jì)算效勞的外在攻擊防御 551

7、Shepherd系統(tǒng)的架構(gòu)。 552 Shepherd系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 1l 56平安性評(píng)測(cè) 毗 561 1J嘰 CHAOS系統(tǒng)的平安性 562 1l 吆 Shepherd系統(tǒng)的平安性 57性能評(píng)測(cè) 1l略 571 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和測(cè)試程序 1 572 CHAOS系統(tǒng)的性能1 573 1畸 Shepherd系統(tǒng)的性能 58小結(jié)與展望 l 寶 第六章總結(jié)與展望 107 61工作總結(jié)107 ?62工作展望108 621現(xiàn)有工作整合與應(yīng)用108 622 云計(jì)算平臺(tái)的可伸縮性與可信編程模型的探索109 參考文獻(xiàn) 111 發(fā)表文章目錄 129 致謝 131 云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)的研究 表 格 11主要云計(jì)算平臺(tái)

8、提供商及其產(chǎn)品和相關(guān)研究工程 2 12根據(jù)2000年InternetWeek的主要計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的當(dāng)機(jī)的開銷6 21 SHIFT對(duì)代碼長(zhǎng)度的影響39 22 SHIFT中的局部平安策略40 23 SHIFT中的平安評(píng)測(cè)結(jié)果40 24 4l BOSH的二進(jìn)制混淆引起的代碼長(zhǎng)度的變化 Kbytes 25 42 BOSH混淆引起的編譯時(shí)間的增加 s 26 BOSH對(duì)SPENINT2000的混淆效果圖。伽鼠o和昂娜。分別 表示程序的原有控制流邊，轉(zhuǎn)化為基于異?？刂屏鞯倪呉约皞卧?代碼中增加的邊 43 63 31更新和回滾LUCOS動(dòng)態(tài)補(bǔ)丁的時(shí)間 nanosecond 32三個(gè)效勞器軟件的更新統(tǒng)計(jì) 65

9、33 66 vsftpdsshd與 d這三個(gè)效勞器軟件的性能測(cè)試方法 34三個(gè)效勞器軟件的原始性能，更新一次以后的性能，以及更新多 次以后的性能 66 41 81 Mercury：運(yùn)_行l(wèi)mbench的性能 胭 42 83 Mercury在三種模式之間的切換時(shí)間 ns 51 90 CHAOS行為約束層對(duì)云計(jì)算應(yīng)用的保護(hù) 52 96 53 98 Shepherd的局部平安策略 54 Shepherd在Xen中增加的代碼行數(shù)及其分布：PA，AD，IM，MISC分 別代表權(quán)限審計(jì)器，異常檢測(cè)器，隔離管理器和其他一些輔助代碼 101 云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)的研究 55 102 Shepherd系統(tǒng)對(duì)

10、云計(jì)算相關(guān)平安攻擊的檢測(cè)效果。 56 Shepherd系統(tǒng)的測(cè)試程序及測(cè)試方法103 57 CHAOS中文件相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用的性能開銷105 58 插 圖 11云計(jì)算架構(gòu)示意圖 1 12計(jì)算機(jī)可信性定義 13計(jì)算機(jī)系統(tǒng)虛擬化示意圖 10 14本文的主要奉獻(xiàn)以及云計(jì)算架構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 17 21 2005年與2006年計(jì)算機(jī)病毒與攻擊行統(tǒng)計(jì)與分類21 22動(dòng)態(tài)信息流蹤實(shí)例 23 23一個(gè)簡(jiǎn)單的不透明表達(dá)式的例子 25 24一個(gè)控制猜想的例子 26 25 27 SHIFT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工作流程 26標(biāo)簽位圖與程序虛存空間的映射 30 27 30 SHIFT中對(duì)存放器的不信任標(biāo)簽的設(shè)置與去除 28 31

11、 SHIFT對(duì)st與ld指令的插裝 29一個(gè)使用動(dòng)態(tài)信息流跟蹤技術(shù)的二進(jìn)制混淆的例子和BOSH的主 要想法 32 210 36 BOSH的混淆變換步驟的例子 211違返反混淆器假設(shè)的控制流混淆例如36 212對(duì)ld和branch指令進(jìn)行混淆的例子37 213 38 SHIFT對(duì)SPECINT2000的相對(duì)性能 215 的控制流邊的性能開銷。 41 216冒泡排序的混淆效果圖， 43 云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)的研究 31 50 DSync 賄寫穿同步技術(shù)的機(jī)制 32基于雙向?qū)懘┩郊夹g(shù)動(dòng)態(tài)更新系統(tǒng)的工作流程 5l 33 55 DSync中的函數(shù)重定向例如圖 34 LUCOS的系統(tǒng)架構(gòu)圖58 35

12、 POL"US的系統(tǒng)架構(gòu)圖59 36 Native and 62 Linux，Xen-LinuxLUCOSXen-Linux的相對(duì)性能 37 sshd中的main函數(shù)64 38三個(gè)效勞器軟件的更新與回滾時(shí)間 毫秒 66 39 67 Apache d艮務(wù)器在高負(fù)載情況下進(jìn)行更新的效勞影響圖 310三個(gè)效勞器軟件在應(yīng)用所有更新內(nèi)存使用 68 41支持動(dòng)態(tài)虛擬化的操作系統(tǒng)的三種執(zhí)行模式 75 42 76 Mercury的實(shí)現(xiàn)的架構(gòu) 43 82 Mercury系統(tǒng)相對(duì)于Linux的性能 51 CHAOS的邏輯圖與實(shí)際結(jié)構(gòu)90 52 CHAOS的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)及其處理流程92 53 CHAOS中的系

13、統(tǒng)調(diào)用的中問(wèn)截獲93 54 CHAOS中的密鑰管理機(jī)制95 55 96 Shepherd進(jìn)程監(jiān)控系統(tǒng)及其邏輯視圖 56 97 Shepherd系統(tǒng)中的系統(tǒng)調(diào)用流程 5。7在系統(tǒng)調(diào)用后Shepherd重新獲得控制權(quán)100 5。8 CHAOS系統(tǒng)在specintfih的性能開銷104 59 CHAOS系統(tǒng)對(duì)vsftpd與apache d的性能開銷104 510 105 Shepherd中三個(gè)應(yīng)用的連接時(shí)間與傳輸速率的性能。 摘 要 云計(jì)算是當(dāng)前計(jì)算模型的一次重要革新。通過(guò)將各種互聯(lián)的計(jì)算資源進(jìn)行 有效整合并實(shí)現(xiàn)多層次的虛擬化與抽象，云計(jì)算有效地將大規(guī)模的計(jì)算資源以 可靠效勞的形式提供應(yīng)用戶，從而將

14、用戶從復(fù)雜的底層硬件邏輯，軟件棧，與網(wǎng) 紛紛推出其云計(jì)算解決方案。同時(shí)，學(xué)術(shù)界也不斷的對(duì)云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行深入研 究。 云計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵需求是其根底架構(gòu)與效勞的可信性。其中包括： 1 平 臺(tái)的平安性，云計(jì)算平臺(tái)必須提供可靠的安傘保障技術(shù)，以防止來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的安 全攻擊； 2 可維護(hù)性，云計(jì)算平臺(tái)必須有效地處理各種軟硬件維護(hù)需求，從而 有效地降低各種軟件硬件維護(hù)對(duì)云計(jì)算效勞的可用性造成影響； 3 可用性，云 計(jì)算平臺(tái)必須有效地屏蔽各種軟硬件錯(cuò)誤，從而為云計(jì)算效勞提供24X7的可用 性； 4 可信性，云計(jì)算平臺(tái)必須確保用戶的各種應(yīng)用的可信性，從而防止包含商 業(yè)機(jī)密的用戶隱私數(shù)據(jù)和代碼的泄露等。 當(dāng)前，云計(jì)

15、算方興未艾，針對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的可信性研究也在不斷進(jìn)行。目前， 針對(duì)云計(jì)算系統(tǒng)可信性的研究主要可以分為以下幾個(gè)方面： 1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 級(jí)的研究，致力于通過(guò)對(duì)當(dāng)前處理器結(jié)構(gòu)，設(shè)備，總線等進(jìn)行擴(kuò)展以提供硬件級(jí) 的平安，容錯(cuò)等解決方案。例如，XOM通過(guò)對(duì)CPU增2n Jn密模塊，擴(kuò)展緩存和寄 存器等，以提高運(yùn)行于處理器上的關(guān)鍵應(yīng)用的平安性和隱私性： 2 操作系統(tǒng)級(jí) 的解決方案，力圖對(duì)當(dāng)前操作系統(tǒng)的平安和可靠性進(jìn)行增強(qiáng)，包括重新設(shè)計(jì)新 的平安操作系統(tǒng)，以提高關(guān)鍵應(yīng)用的平安性，隱私性與容錯(cuò)性。例如，Asbestos， HiStar等基于強(qiáng)制訪問(wèn)控制的操作系統(tǒng)通過(guò)對(duì)應(yīng)用的信息流進(jìn)行控制，以提高應(yīng) 用的平安

16、性； 3 應(yīng)用級(jí)的解決方案，力圖提供在編譯器、二進(jìn)制翻譯器以及程 序語(yǔ)言層次的支持，以增強(qiáng)應(yīng)用程序的可信性。例如Ginseng通過(guò)對(duì)編譯器進(jìn)行 擴(kuò)展，以支持軟件的動(dòng)態(tài)更新，從而提高軟件的高可用性。LIFT通過(guò)在動(dòng)態(tài)二進(jìn) 制翻譯的過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行跟蹤和控制，以提高應(yīng)用程序的平安性。 然而，當(dāng)前針對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)乃至云計(jì)算系統(tǒng)的可信性的研究尚存在著一些 問(wèn)題：大多數(shù)研究?jī)H關(guān)注于系統(tǒng)的某一個(gè)方面，而較大地忽略或者犧牲了其他 方面。例如，一些研究在提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的平安性同時(shí)，卻對(duì)于系統(tǒng)的功能，后 向兼容性以及易用性方面帶來(lái)較大的限制，使得其較難應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中去。 如Asbestos和Eros均不支持現(xiàn)

17、有應(yīng)用，而是要求用戶將應(yīng)用移植到這些系統(tǒng)并且 限制了應(yīng)用程序的功能。另外，一些系統(tǒng)在增強(qiáng)系統(tǒng)可信性的同時(shí)，卻造成了較 大的性能損失，從而限制了其在性能敏感場(chǎng)合下的應(yīng)用。如LIFT對(duì)運(yùn)行于其中 系 能 摘 要 3首次提出了并實(shí)現(xiàn)基于軟件的動(dòng)態(tài)虛擬化技術(shù)，以允許操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地在 真實(shí)硬件與具備完整功能的虛擬機(jī)監(jiān)控器上進(jìn)行切換，從而在獲得系統(tǒng) 虛擬化帶來(lái)的高可用性的同時(shí)保證系統(tǒng)性能。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的Mercury系統(tǒng) 通過(guò)動(dòng)態(tài)的將一個(gè)計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行自虛擬化，即將一個(gè)虛擬機(jī)監(jiān)控器動(dòng)態(tài) 地插入到一個(gè)運(yùn)行的操作系統(tǒng)下，從而使一臺(tái)物理機(jī)器具備遷移以及在 線維護(hù)等功能，并且有效地防止了虛擬化所帶來(lái)的性能損失。實(shí)驗(yàn)結(jié)

18、果表 明Mercury系統(tǒng)所帶來(lái)的平均性能損失小于1。 4首次提出了對(duì)云計(jì)算平臺(tái)及其應(yīng)用的雙向行為約束機(jī)制 代號(hào)為Talos 。設(shè) 計(jì)并實(shí)現(xiàn)CHAOS與Shepherd系統(tǒng)，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)操作系統(tǒng)的行為約束，以防 止惡意操作系統(tǒng)竊取應(yīng)用的數(shù)據(jù)，以及對(duì)應(yīng)用的行為約束，以防止云計(jì)算 應(yīng)用對(duì)操作系統(tǒng)與運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行破壞。CHAOS系統(tǒng)使用虛擬機(jī)監(jiān)控器保 護(hù)云計(jì)算應(yīng)用的隱私性，從而在操作系統(tǒng)與其他應(yīng)用不可信的情況下保證 應(yīng)用的隱私數(shù)據(jù)不會(huì)被惡意泄露。Shepherd通過(guò)對(duì)云計(jì)算應(yīng)用進(jìn)程的系統(tǒng) 調(diào)用進(jìn)行權(quán)限審計(jì)，異常檢測(cè)以及將應(yīng)用對(duì)關(guān)鍵系統(tǒng)資源的修改良行隔離， 以防l上一個(gè)惡意的云計(jì)算應(yīng)用對(duì)云計(jì)算平臺(tái)的攻擊。

19、目前Talos可信計(jì)算框 架已經(jīng)被EMC的可信云計(jì)算平臺(tái)Daoli采用作為其可信根底。 關(guān)鍵詞：云計(jì)算，可靠性，虛擬化，軟件平安，動(dòng)態(tài)更新，自虛擬化 中圖分類號(hào)：TP314 V 云計(jì)算平臺(tái)可信性增強(qiáng)技術(shù)的研究 Abstract isan innovationofmodern mode Cloud computing computingappealing resourcesand them dif- networked through Byintegratingcomputing virtualizing levelsof user8massive ferent provides computi

20、ng abstractions，cloudcomputing resourcesacommon hidesthecorn- using interfaceFurther，cloudcomputing in and ofhardware stackand deploymentmanagement resources，software plexity from awareofits researchers usersBeing importance，both networkingprotocols incloud and have efforts computing industryputsignificant Oneofthe ofcloud isthede- requirementcomputingsystems indispensable oftheinfrastructureaswellasthe pendability running cloud should the computingsystem satisfyfollowing cloud can boththe andthe the systemprotect computingsystems running requires thatthe be to requires systemeasymaintain，