CN105095768B - 一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法 - Google Patents

一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法,属于服务器信息可信领域；结合云数据中心的特点，以可信服务器为根基，构建链接固件、虚拟主机、虚拟操作系统和上层应用的软硬一体化“信任链”，保障云主机系统在数据处理和业务运行中的完整性、保密性和可用性。

Description

一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法
技术领域
本发明公开一种可信服务器信任链的构建方法,属于服务器信息可信建设领域，具体地说是一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法。
背景技术
随着云技术的应用不断深入，让云数据中心建设成为企业IT发展的共识。由于云数据中心承载了企业的海量关键业务数据，安全保障的重要性非比寻常；并且由于云技术具有开放性和复杂性的特点，云数据中心面临的安全挑战比传统数据中心更加严峻，其中以窃取企业机密数据和情报为目的高级持续性威胁(APT)，把拥有大量关键业务数据的云主机作为攻击目标，长期、有组织、有计划的窃取数据；虚拟化、BYOD等等新应用元素让云数据中心处于动态变化之中，现有安全防护很难防卫针对云主机的以“Guest OS镜像篡改”、“主机租户攻击”和“虚拟机篡改”等为目的的恶意威胁。本发明提供一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法，结合云数据中心的特点，以可信服务器为根基，构建链接固件、虚拟主机、虚拟操作系统和上层应用的软硬一体化“信任链”，保障云主机系统在数据处理和业务运行中的完整性、保密性和可用性。
发明内容
本发明针对现有安全防护很难防卫针对云主机的以“Guest OS镜像篡改”、“主机租户攻击”和“虚拟机篡改”等为目的的恶意威胁的问题，提供一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法，保障云主机系统在数据处理和业务运行中的完整性、保密性和可用性。
Xen 是一个开放源代码虚拟机监视器，Xen可以在一套物理硬件上安全的执行多个虚拟机。
本发明提出的具体方案是：
一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法， 所述以服务器主板上的TPM安全芯片为信任根，VMM为Xen平台，包括可信硬件层、可信虚拟化层、可信OS层及管理平台；
可信硬件层：基于TPM安全芯片，利用BIOS、引导操作系统加载器及进行可信检测的TBoot组件构建从服务器上电到OS启动之间的信任链；
可信虚拟化层：包括服务端和管理端，通过Xen的安全模块静态度量VMM、VM镜像和VM镜像内的文件，并对Xen下的文件进行管理；服务端负责安全模块静态度量VMM、VM镜像和VM镜像内的文件及远程证明，通过管理端管理虚拟机和其所在主机的可信状态；
可信OS层：包括管理端和客户端，对应用程序进行可信检查，保证应用程序在运行过程中的可信完整；管理端主要提供界面服务操作功能，客户端负责可信检查和内核访问控制，应用程序访问系统资源时内核驱动进行相应的操作检查，检查没有通过则拒绝访问，检查通过则运行访问；
管理平台：包括应用程序度量管理平台和虚拟化管理平台，前者用于管理部署操作系统中的客户端，制订和下发策略、监视客户端应用程序及文件的完整性；后者用于管理内嵌在Xen中的可信软件模块，向可信虚拟化服务端下发度量配置文件、并监视可信虚拟化服务端主机、虚拟机的可信状态。
可信服务器信任链中，以服务器主板上的TPM安全芯片为信任根，VMM为Xen平台，服务器上电后由CPU加载BIOS ACM到内存，BIOS ACM对BOOTBlock进行度量，将其扩展到TPM设定的PCR；
OS Loader加载TBoot、Xen、OS内核、驱动模块，并对其进行度量，生成度量日志；再由TBoot调用SENTER指令，加载SINIT ACM，SINIT ACM对TBoot进行度量，之后基于LCP策略，对服务器组件的完整性进行检测；如果完整性检测通过，则说明服务器组件为可信；
TBoot继续对Xen、HostOS内核、驱动模块进行度量、并检测它们的完整性；Xen接管控制权，Xen和HostOS启动将开机过程中生成的度量日志、度量报告上传到可信虚拟化管理端，通过管理端可信状态判断各组件的可信状态；通过可信虚拟化管理端远程启动虚拟机、Xen度量虚拟机镜像中内核、驱动模块及核心程序的完整性，生成度量日志和度量报告会上传到可信虚拟化管理端，通过管理端的可信状态部分确认启动的虚拟机及其核心程序、文件是否可信；
虚拟机启动，应用程序度量组件将检测应用程序的可信状态，并相应对其进行完整性检测，通过完整性检测的程序运行，完整性被破坏程序，将被阻止文件打开或程序运行并生成日志信息上传。
服务器上电后由CPU加载BIOS ACM到内存，BIOS ACM对BOOTBlock进行度量，形成S-CRTM，将其扩展到TPM设定的PCR，BIOS再完成对BIOS剩余部分、板载设备OpROM及OS引导程序的度量，并将度量结果扩展至对应的PCR。
SINIT ACM对TBoot进行度量，之后基于LCP策略，对BIOS、可信服务器板载设备、MBR及TBoot组件的完整性进行检测；完整性检测通过，则说明BIOS、可信服务器板载设备、MBR及TBoot组件为可信。
本发明的有益之处是：本发明以可信服务器主板上的TPM安全芯片为信任根，为运行于其上的VMM提供安全可靠的硬件环境；度量VMM 、HostOS、及HostOS核心程序数据，为可信虚拟化管理端提供可信虚拟化服务端各组件的可信状态；TBoot确保VMM、HostOS的完整性，可信虚拟化服务端组件度量GuestOS、及其上的核心程序、文件，为应用程序度量组件提供了安全可靠的运行环境；应用程序度量组件确保GuestOS中应用程序、文件的完整性，以此构建从硬件信任根至虚拟化层、VM/OS层再往上到应用程序层的一条完整信任链，可保障云主机系统在数据处理和业务运行中的完整性、保密性和可用性。
附图说明
图1 本发明信任链构建流程示意图。
具体实施方式
结合附图对本发明做进一步说明。
一种基于虚拟化的可信服务器信任链系统，以服务器主板上的TPM安全芯片为信任根，VMM为Xen平台，包括可信硬件层、可信虚拟化层、可信OS层及管理平台；
可信硬件层：基于TPM安全芯片，利用BIOS、引导操作系统加载器OS Loader及进行可信检测的TBoot组件构建从服务器上电到OS启动之间的信任链。
可信虚拟化层：包括服务端和管理端，通过Xen的安全模块静态度量VMM、VM镜像和VM镜像内的文件，如OS Kernel、应用层度量组件等，并对Xen下的文件进行策略、日志、密钥等管理；支持基于B/S架构的集中管理，并可对多个Xen下的文件进行管理；
服务端负责安全模块静态度量VMM、VM镜像和VM镜像内的文件及远程证明，可以包括Domain0和VM的度量，以及远程证明等模块；其中对主机的Host OS、VMM进行静态度量时，可以利用Grub主体在加载命令时调用度量模块对VMM、操作系统内核项，如kernel、initrd、modules及度量配置文件指定的文件进行度量，并通过TPM命令与TPM进行交互，将度量值扩展至PCR，并将记录写入日志文件；远程证明是对服务端做全面的度量，向远程通信方证明自身运行环境是可信的，其主要功能是检查Host启动时是否可信、检查VM启动时是否可信；
通过管理端管理虚拟机和其所在主机的可信状态；管理端包括虚拟机可信状态、主机可信状态管理、密钥管理、基准值管理等功能，当用户登录其虚拟机时，也可以看到虚拟机的可信状态。
可信OS层：包括管理端和客户端，对应用程序进行可信检查，保证应用程序在运行过程中的可信完整；
管理端主要提供界面服务操作功能，如：策略配置、功能控制、资源监控等，控制多客户端，监控主机状态等功能，来达到多客户端集中管理的目的，其中策略配置是该层的核心，包括文件强制、进程强制、用户网络强制等；
客户端负责可信检查和内核访问控制，应用程序访问系统资源时内核驱动进行相应的操作检查，检查没有通过则拒绝访问，检查通过则运行访问；当应用程序访问系统资源时要通过强制访问控制驱动过滤检查驱动，遍历访问控制列表，检查是否允许访问系统资源，如果允许则继续访问，如果不行则拒绝记录违规日志。
管理平台：包括应用程序度量管理平台和虚拟化管理平台，前者用于管理部署操作系统中的度量客户端，制订和下发策略、监视客户端应用程序及文件的完整性；后者用于管理内嵌在Xen中的可信软件模块，向可信虚拟化服务端下发度量配置文件、并监视可信虚拟化服务端主机、虚拟机的可信状态。
一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法，利用上述系统，以服务器主板上的TPM安全芯片为信任根，VMM为Xen平台，服务器上电后由CPU加载BIOS ACM到内存，BIOSACM对BOOTBlock进行度量，将其扩展到TPM设定的PCR，BIOS再完成对BIOS剩余部分、板载设备OpROM及OS引导程序的度量，并将度量结果扩展至对应的PCR；
OS Loader加载TBoot、Xen、OS内核、驱动模块，并对其进行度量，生成度量日志；再由TBoot调用SENTER指令，加载SINIT ACM，SINIT ACM对TBoot进行度量，之后基于LCP策略，对BIOS、可信服务器板载设备、MBR及TBoot组件的完整性进行检测；完整性检测通过，则说明BIOS、可信服务器板载设备、MBR及TBoot组件为可信；
TBoot继续对Xen、HostOS内核、驱动模块进行度量、并检测它们的完整性；Xen接管控制权，Xen和HostOS启动将开机过程中生成的度量日志、度量报告上传到可信虚拟化管理端，通过管理端可信状态判断各组件的可信状态；通过可信虚拟化管理端远程启动虚拟机、Xen度量虚拟机镜像中内核、驱动模块及核心程序的完整性，生成度量日志和度量报告会上传到可信虚拟化管理端，通过管理端的可信状态部分确认启动的虚拟机、及其核心程序、文件是否可信；
虚拟机启动，应用程序度量组件将检测应用程序的可信状态，并相应对其进行完整性检测，通过完整性检测的程序运行，完整性被破坏程序，将被阻止文件打开或程序运行并生成日志信息上传。

Claims (3)

1.一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法，其特征是以服务器主板上的TPM安全芯片为信任根，VMM为Xen平台，建立可信硬件层、可信虚拟化层、可信OS层及管理平台；
可信硬件层：基于TPM安全芯片，利用BIOS、引导操作系统加载器及进行可信检测的TBoot组件构建从服务器上电到OS启动之间的信任链；
可信虚拟化层：包括服务端和管理端，通过Xen的安全模块静态度量VMM、VM镜像和VM镜像内的文件，并对Xen下的文件进行管理；服务端负责安全模块静态度量VMM、VM镜像和VM镜像内的文件及远程证明，通过管理端管理虚拟机和其所在主机的可信状态；
可信OS层：包括管理端和客户端，对应用程序进行可信检查，保证应用程序在运行过程中的可信完整；管理端主要提供界面服务操作功能，客户端负责可信检查和内核访问控制，应用程序访问系统资源时内核驱动进行相应的操作检查，检查没有通过则拒绝访问，检查通过则运行访问；
管理平台：包括应用程序度量管理平台和虚拟化管理平台，前者用于管理部署操作系统中的客户端，制订和下发策略、监视客户端应用程序及文件的完整性；后者用于管理内嵌在Xen中的可信软件模块，向可信虚拟化服务端下发度量配置文件、并监视可信虚拟化服务端主机、虚拟机的可信状态；
可信服务器信任链中，服务器上电后由CPU加载BIOS ACM到内存，BIOS ACM对BOOTBlock进行度量，将度量结果扩展到TPM设定的PCR；
OS Loader加载TBoot、Xen、OS内核、驱动模块，并对其进行度量，生成度量日志；再由TBoot调用SENTER指令，加载SINIT ACM，SINIT ACM对TBoot进行度量，之后基于LCP策略，对服务器组件的完整性进行检测；如果完整性检测通过，则说明服务器组件为可信；
TBoot继续对Xen、HostOS内核、驱动模块进行度量，并检测它们的完整性；Xen接管控制权，Xen和HostOS启动将开机过程中生成的度量日志、度量报告上传到可信虚拟化管理端，通过管理端可信状态判断各组件的可信状态；通过可信虚拟化管理端远程启动虚拟机、Xen度量虚拟机镜像中内核、驱动模块及核心程序的完整性，生成的度量日志和度量报告上传到可信虚拟化管理端，通过管理端的可信状态部分确认启动的虚拟机及其核心程序、文件是否可信；
虚拟机启动，应用程序度量组件将检测应用程序的可信状态，并相应对其进行完整性检测，通过完整性检测的程序运行，完整性被破坏的程序，将被阻止文件打开或程序运行并生成日志信息上传。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法，其特征是服务器上电后由CPU加载BIOS ACM到内存，BIOS ACM对BOOTBlock进行度量，形成S-CRTM，将其扩展到TPM设定的PCR，BIOS再完成对BIOS剩余部分、板载设备OpROM及OS引导程序的度量，并将度量结果扩展至对应的PCR。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于虚拟化的可信服务器信任链的构建方法，其特征是SINIT_ACM对TBoot进行度量，之后基于LCP策略，对BIOS、可信服务器板载设备、MBR及TBoot组件的完整性进行检测；完整性检测通过，则说明BIOS、可信服务器板载设备、MBR及TBoot组件为可信。
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