CN107040589A - 通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法 - Google Patents

通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法，该系统由云密码服务接口、任务调度器、多台密码机和状态检测器组成。本发明的方法包括以下步骤：(1)检测密码机的负载信息；(2)计算密码机的商密算法占用率；(3)计算密码机的负载值；(4)对负载值进行排序；(5)发起服务请求；(6)处理服务请求；(7)选择密码机；(8)判断密码机的工作状态是否正常；(9)处理业务请求和回应；(11)接收服务回应；(12)反馈负载信息；(13)判断密码服务请求是否结束；(14)密码服务结束。本发明可满足虚拟化密码设备集群以提供密码运算服务的实际需要。

Description

通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，更进一步涉及信息安全技术领域中的一种通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法。本发明可以在网上银行、工商税务、电子商务等领域高效地提供密码运算服务。
背景技术
随着云计算的不断发展，虚拟化技术得到广泛的运用。传统的密码运算服务一般采用密码机直接提供，密码机做出计算后直接返回运算结果。但是，由于国内外的密码设备来源于不同的厂商，密码设备的接口、运算种类和速率存在差异化，通过虚拟化技术对密码设备资源统一进行均衡调度，可以实现统一的、高效的密码运算服务。
浪潮电子信息产业股份有限公司在其申请的专利文献“一种基于云计算的密码服务系统”(申请号201410480227，申请公布号：CN 104202421 A)中公开了一种基于云计算的密码服务系统。采用该发明可以提供文件加密数据加密、密钥管理与身份认证等密码服务，可以提高安全防护的工作效率，使数据处理、加解密更快捷，保护云计算的数据安全。但是，该系统仍然存在的不足之处是，计算资源层对密码设备资源利用率不高，系统能耗较大，当某台密码设备出现故障时不能将密码服务切换到另外一台密码设备。
中国科学院信息工程研究所在其申请的专利文献“一种在虚拟化环境中提供密码运算服务的系统和方法”(申请号201510586037.1，申请公布号：CN 105184154 A)中公开了一种在虚拟化环境中提供密码运算服务的方法。该方法中管理员和普通用户可以通过相应的接口为客户虚拟机指定密钥文件和输入保护口令，以便创建虚拟的密码设备，能够友好地对虚拟密码设备进行集中化的管理，虚拟化管理平台中的客户虚拟机可以请求安全的密码运算服务，缓解了虚拟化环境中的密钥安全问题。但是，该方法仍然存在的不足之处是，客户虚拟机只单一的管理一台宿主机，不能实时检测宿主机繁忙程度，导致宿主机的工作效率较低，降低系统的整体性能。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法。
实现本发明的具体思路是，本发明所述的一种通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统及方法是任务调度器中的虚拟资源池模块，检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块，负载均衡模块计算密码机的负载值，选择负载值最低的密码机，检测密码机工作状态是否正常，若是执行密码请求设备发起的请求，若否重新选择密码机，将处理结果返回至密码请求设备，反馈被选中的密码机的负载值，判断密码服务请求是否结束，若是结束服务，若否继续执行密码服务。
本发明的系统，由云密码服务接口、任务调度器、多台密码机和状态检测器组成。其中：
所述云密码服务接口，用于生成服务请求报文并发送至任务调度器。
所述任务调度器包括负载均衡模块、信息处理模块、虚拟资源池模块和状态反馈模块，其中负载均衡模块用于分别计算每一台密码机的商密算法的占用率，计算每一台密码机的负载值，根据快速排序法，将每一台密码机的负载值与其对应的密码机序号，按照升序规则，排列成一组递增序列，选择位于递增序列中与第一个密码机序号对应的密码机，生成业务请求报文，将第一个密码机序号从递增序列中删除；信息处理模块用于接收服务请求报文，解析请求数据和服务请求类型，接收业务回应报文，生成服务回应报文并发送至密码服务请求设备；虚拟资源池模块用于检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块；状态反馈模块用于调用虚拟资源池模块，检测所选择的密码机的负载信息，根据密码机的负载值计算公式，计算所选择的密码机的负载值，根据二分查找法，按照升序规则，将所选择的密码机的负载值与其对应的密码机序号插入到递增序列中。
所述多台密码机，用于接收业务请求报文，根据业务请求报文中的服务请求类型执行服务请求，生成业务回应报文并发送至任务调度器。
所述状态检测器，用于检测密码机的工作状态是否正常。
本发明的方法包括以下实现步骤：
(1)检测每一台密码机的负载信息：
任务调度器中的虚拟资源池模块，检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块；
(2)计算每一台密码机的商密算法占用率：
任务调度器中的负载均衡模块按照下式，分别计算每一台密码机的商密算法的占用率：
其中，i表示密码机的序号，j表示商密算法的序号，其取值为2、3、4，vSMj(i)表示第i台密码机的第j个商密算法的运算速度，VSMj(i)表示第i台密码机的第j个商密算法的运算速度最大值；
(3)计算每一台密码机的负载值：
任务调度器中的负载均衡模块，按照下式，计算每一台密码机的负载值：
P(i)＝max{Pc(i),Pm(i),Pd(i),Pb(i),Psm2(i),Psm3(i),Psm4(i)}
其中，P(i)表示每一台密码机的负载值，max表示求最大值操作，Pc(i)表示第i台密码机的中央处理器CPU的频率占用率，Pm(i)表示第i台密码机的内存占用率，Pd(i)表示第i台密码机的磁盘的输入/输出端口I/O占用率，Pb(i)表示第i台密码机的网络带宽占用率，Psm2(i)表示第i台密码机的商密SM2算法占用率，Psm3(i)表示第i台密码机的商密SM3算法占用率，Psm4(i)表示第i台密码机的商密SM4算法占用率；
(4)对负载值进行排序：
任务调度器中的负载均衡模块根据快速排序法，将每一台密码机的负载值与其对应的密码机序号，按照升序规则，排列成一组递增序列；
(5)发起服务请求：
密码服务请求设备通过云密码服务接口，生成服务请求报文并发送至任务调度器；
(6)处理服务请求：
任务调度器中的信息处理模块接收服务请求报文，解析请求数据和服务请求类型；
(7)选择密码机：
任务调度器中的负载均衡模块选择位于递增序列中与第一个密码机序号对应的密码机，生成业务请求报文，将第一个密码机序号从递增序列中删除；
(8)状态检测器检测所选密码机的工作状态是否正常，若是，执行步骤(9)，否则，执行步骤(7)；
(9)处理业务请求：
使用选择的密码机接收业务请求报文，根据业务请求报文中的服务请求类型执行服务请求，生成业务回应报文并发送至任务调度器；
(10)处理业务回应：
任务调度器的信息处理模块接收业务回应报文，生成服务回应报文并发送至密码服务请求设备；
(11)接收服务回应：
密码服务请求设备接收服务回应报文；
(12)反馈负载信息：
(12a)任务调度器中的状态反馈模块调用虚拟资源池模块，检测所选择的密码机的负载信息；
(12b)根据步骤(3)密码机的负载值公式，计算所选择的密码机的负载值；
(12c)状态反馈模块根据二分插入排序法，按照升序规则，将所选择的密码机的负载值与其对应的密码机序号插入到递增序列中；
(13)云密码服务接口判断密码服务请求是否结束，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(14)；
(14)密码服务结束。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
第一，由于本发明的系统采用任务调度器的虚拟资源池模块，将密码设备的中央处理器CPU、内存、磁盘、网络带宽等物理资源抽象成虚拟资源池资源，实现了密码资源的动态管理和密码设备的虚拟化，克服了现有技术中密码资源利用率不高的问题，使得本发明提高了密码资源的利用率。
第二，由于本发明的系统采用状态检测器，通过检测密码机的工作状态切换出现故障的密码机，克服了现有技术中密码设备出现故障时丢失数据的问题，使得本发明实现了密码运算服务的无缝切换，有效地保护了数据的安全性。
第三，由于本发明的方法采用计算密码机的负载值选择密码机的方案，克服了现有技术中密码设备的调度算法效率低下的问题，使得本发明实现了密码设备的负载均衡，提高了密码服务的效率。
第四，由于本发明的方法采用状态反馈定时检测密码机负载值的方案，克服了现有技术中不能实时检测宿主机繁忙程度的问题，使得本发明提高了密码机选择的可靠性。
附图说明
图1是本发明系统的方框图；
图2是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对发明做进一步描述。
参照附图1，本发明的系统，由云密码服务接口、任务调度器、多台密码机和状态检测器组成。其中：
所述云密码服务接口，用于生成服务请求报文并发送至任务调度器。
所述任务调度器包括负载均衡模块、信息处理模块、虚拟资源池模块和状态反馈模块，其中负载均衡模块用于分别计算每一台密码机的商密算法的占用率，计算每一台密码机的负载值，根据快速排序法，将每一台密码机的负载值与其对应的密码机序号，按照升序规则，排列成一组递增序列，选择位于递增序列中与第一个密码机序号对应的密码机，生成业务请求报文，将第一个密码机序号从递增序列中删除；信息处理模块用于接收服务请求报文，解析请求数据和服务请求类型，接收业务回应报文，生成服务回应报文并发送至密码服务请求设备；虚拟资源池模块用于检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块；状态反馈模块用于调用虚拟资源池模块，检测所选择的密码机的负载信息，根据密码机的负载值计算公式，计算所选择的密码机的负载值，根据二分查找法，按照升序规则，将所选择的密码机的负载值与其对应的密码机序号插入到递增序列中。
所述多台密码机，用于接收业务请求报文，根据业务请求报文中的服务请求类型执行服务请求，生成业务回应报文并发送至任务调度器。
所述状态检测器，用于检测密码机的工作状态是否正常。
参照附图2，本发明方法的实现步骤如下：
步骤1，检测每一台密码机的负载信息。
任务调度器中的虚拟资源池模块，检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块。
所述密码机的负载信息包括，中央处理器CPU占用率、内存占用率、磁盘的输入/输出端口I/O占用率、网络带宽占用率、商密SM2算法的运算速度、商密SM3算法的运算速度和商密SM4算法的运算速度。
步骤2，计算每一台密码机的商密算法占用率。
任务调度器中的负载均衡模块按照下式，分别计算每一台密码机的商密算法的占用率：
其中，i表示密码机的序号，j表示商密算法的序号，其取值为2、3、4，vSMj(i)表示第i台密码机的第j个商密算法的运算速度，VSMj(i)表示第i台密码机的第j个商密算法的运算速度最大值。
所述的商密SM2、SM3、SM4算法分别作为对称密码算法、Hash算法和非对称密钥算法的代表，但不局限上述算法的种类。
步骤3，计算每一台密码机的负载值。
任务调度器中的负载均衡模块，按照下式，计算每一台密码机的负载值：
P(i)＝max{Pc(i),Pm(i),Pd(i),Pb(i),Psm2(i),Psm3(i),Psm4(i)}
其中，P(i)表示每一台密码机的负载值，max表示求最大值操作，Pc(i)表示第i台密码机的中央处理器CPU的频率占用率，Pm(i)表示第i台密码机的内存占用率，Pd(i)表示第i台密码机的磁盘的输入/输出端口I/O占用率，Pb(i)表示第i台密码机的网络带宽占用率，Psm2(i)表示第i台密码机的商密SM2算法占用率，Psm3(i)表示第i台密码机的商密SM3算法占用率，Psm4(i)表示第i台密码机的商密SM4算法占用率。
步骤4，对负载值进行排序。
任务调度器中的负载均衡模块根据快速排序法，将每一台密码机的负载值与其对应的密码机序号，按照升序规则，排列成一组递增序列。
所述的快速排序法是指，通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列。
步骤5，发起服务请求。
密码服务请求设备通过云密码服务接口，生成服务请求报文并发送至任务调度器。
所述的服务请求报文中密码服务请求设备为报文的源地址，任务调度器为目的地址，并且包含加密算法等信息。
步骤6，处理服务请求。
任务调度器中的信息处理模块接收服务请求报文，解析请求数据和服务请求类型。
步骤7，选择密码机。
任务调度器中的负载均衡模块选择位于递增序列中与第一个密码机序号对应的密码机，生成业务请求报文，将第一个密码机序号从递增序列中删除。
所述的业务请求报文中任务调度器为源地址，选择的密码机为目的地址。
步骤8，状态检测器检测所选密码机的工作状态是否正常，若是，执行步骤9，否则，执行步骤7。
步骤9，处理业务请求。
使用选择的密码机接收业务请求报文，根据业务请求报文中的服务请求类型执行服务请求，生成业务回应报文并发送至任务调度器。
所述的业务回应报文中选择的密码机为源地址，任务调度器为目的地址。
步骤10，处理业务回应。
任务调度器的信息处理模块接收业务回应报文，生成服务回应报文并发送至密码服务请求设备。
所述的服务回应报文中任务调度器为源地址，密码服务请求设备为目的地址。
步骤11，接收服务回应。
密码服务请求设备接收服务回应报文。
步骤12，反馈负载信息。
任务调度器中的状态反馈模块调用虚拟资源池模块，检测所选择的密码机的负载信息。
根据步骤3密码机的负载值公式，计算所选择的密码机的负载值。
状态反馈模块根据二分插入排序法，按照升序规则，将所选择的密码机的负载值与其对应的密码机序号插入到递增序列中。
所述的二分插入排序法是指，在一个排序好的序列中插入一个新元素，将序列从中间平分成前、后两个子序列，将序列中间位置的元素与新元素比较，如果小于新元素，则将后子序列再进行平分，否则将前子序列进行平分，重复上述步骤，直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置，将新元素插入到该位置后。
步骤13，云密码服务接口判断密码服务请求是否结束，若是，则执行步骤5，否则，执行步骤14。
步骤14，密码服务结束。

Claims (5)

1.一种通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的系统，由云密码服务接口、任务调度器、多台密码机和状态检测器组成；其中：
所述云密码服务接口，用于生成服务请求报文并发送至任务调度器；
所述任务调度器包括负载均衡模块、信息处理模块、虚拟资源池模块和状态反馈模块，其中负载均衡模块用于分别计算每一台密码机的商密算法的占用率，计算每一台密码机的负载值，根据快速排序法，将每一台密码机的负载值与其对应的密码机序号，按照升序规则，排列成一组递增序列，选择位于递增序列中与第一个密码机序号对应的密码机，生成业务请求报文，将第一个密码机序号从递增序列中删除；信息处理模块用于接收服务请求报文，解析请求数据和服务请求类型，接收业务回应报文，生成服务回应报文并发送至密码服务请求设备；虚拟资源池模块用于检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块；状态反馈模块用于调用虚拟资源池模块，检测所选择的密码机的负载信息，根据密码机的负载值计算公式，计算所选择的密码机的负载值，根据二分查找法，按照升序规则，将所选择的密码机的负载值与其对应的密码机序号插入到递增序列中；
所述多台密码机，用于接收业务请求报文，根据业务请求报文中的服务请求类型执行服务请求，生成业务回应报文并发送至任务调度器；
所述状态检测器，用于检测密码机的工作状态是否正常。
2.一种通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的方法，包括如下步骤：
(1)检测每一台密码机的负载信息：
任务调度器中的虚拟资源池模块，检测密码机的负载信息，将负载信息发送至任务调度器中的负载均衡模块；
(2)计算每一台密码机的商密算法占用率：
任务调度器中的负载均衡模块按照下式，分别计算每一台密码机的商密算法的占用率：
其中，i表示密码机的序号，j表示商密算法的序号，其取值为2、3、4，vSMj(i)表示第i台密码机的第j个商密算法的运算速度，VSMj(i)表示第i台密码机的第j个商密算法的运算速度最大值；
(3)计算每一台密码机的负载值：
任务调度器中的负载均衡模块，按照下式，计算每一台密码机的负载值：
P(i)＝max{Pc(i),Pm(i),Pd(i),Pb(i),Psm2(i),Psm3(i),Psm4(i)}
其中，P(i)表示每一台密码机的负载值，max表示求最大值操作，Pc(i)表示第i台密码机的中央处理器CPU的频率占用率，Pm(i)表示第i台密码机的内存占用率，Pd(i)表示第i台密码机的磁盘的输入/输出端口I/O占用率，Pb(i)表示第i台密码机的网络带宽占用率，Psm2(i)表示第i台密码机的商密SM2算法占用率，Psm3(i)表示第i台密码机的商密SM3算法占用率，Psm4(i)表示第i台密码机的商密SM4算法占用率；
(4)对负载值进行排序：
任务调度器中的负载均衡模块根据快速排序法，将每一台密码机的负载值与其对应的密码机序号，按照升序规则，排列成一组递增序列；
(5)发起服务请求：
密码服务请求设备通过云密码服务接口，生成服务请求报文并发送至任务调度器；
(6)处理服务请求：
任务调度器中的信息处理模块接收服务请求报文，解析请求数据和服务请求类型；
(7)选择密码机：
任务调度器中的负载均衡模块选择位于递增序列中与第一个密码机序号对应的密码机，生成业务请求报文，将第一个密码机序号从递增序列中删除；
(8)状态检测器检测所选密码机的工作状态是否正常，若是，执行步骤(9)，否则，执行步骤(7)；
(9)处理业务请求：
使用选择的密码机接收业务请求报文，根据业务请求报文中的服务请求类型执行服务请求，生成业务回应报文并发送至任务调度器；
(10)处理业务回应：
任务调度器的信息处理模块接收业务回应报文，生成服务回应报文并发送至密码服务请求设备；
(11)接收服务回应：
密码服务请求设备接收服务回应报文；
(12)反馈负载信息：
(12a)任务调度器中的状态反馈模块调用虚拟资源池模块，检测所选择的密码机的负载信息；
(12b)根据步骤(3)密码机的负载值公式，计算所选择的密码机的负载值；
(12c)状态反馈模块根据二分插入排序法，按照升序规则，将所选择的密码机的负载值与其对应的密码机序号插入到递增序列中；
(13)云密码服务接口判断密码服务请求是否结束，若是，则执行步骤(5)，否则，执行步骤(14)；
(14)密码服务结束。
3.根据权利要求2所述的通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的方法，其特征在于：步骤(1)中所述密码机的负载信息包括，中央处理器CPU占用率、内存占用率、磁盘的输入/输出端口I/O占用率、网络带宽占用率、商密SM2算法的运算速度、商密SM3算法的运算速度和商密SM4算法的运算速度。
4.根据权利要求2所述的通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的快速排序法是指，通过一趟排序将要排序的数据分割成独立的两部分，其中一部分的所有数据都比另外一部分的所有数据都要小，然后再按此方法对这两部分数据分别进行快速排序，整个排序过程可以递归进行，以此达到整个数据变成有序序列。
5.根据权利要求2所述的通过虚拟化密码设备集群提供密码服务的方法，其特征在于：步骤(12c)中所述的二分插入排序法是指，在一个排序好的序列中插入一个新元素，将序列从中间平分成前、后两个子序列，将序列中间位置的元素与新元素比较，如果小于新元素，则将后子序列再进行平分，否则将前子序列进行平分，重复上述步骤，直到找到已排序的元素小于或者等于新元素的位置，将新元素插入到该位置后。
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