CN111913779A - 一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于持续快照技术的虚拟机并行重放方法及系统，属于虚拟化技术领域。在收到记录请求时，先挂起要被记录的目标虚拟机，利用快照记录目标虚拟机的初始状态；运行目标虚拟机，将目标虚拟机运行相关的不确定性事件记录在日志信息中，同时每隔一段时间进行一次快照来记录该目标虚拟机的瞬时状态信息；当收到重放请求时，先借助快照进行虚拟机状态回滚，再按照记录的日志信息将不确定性事件注入到重放虚拟机的执行过程中，以重现目标虚拟机之前的执行过程。本发明将快照技术和记录重放技术集成，实现了三种并行重放模式，以解决虚拟机记录和重放过程中系统灵活性差和效率低的问题。

Description

一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放方法及系统
技术领域
本发明属于虚拟化技术领域，涉及到虚拟机快照回滚技术和记录重放技术，具体涉及到一种基于持续快照技术的虚拟机并行重放方法及系统。
背景技术
互联网技术的飞速发展为人类带来了巨大的便利，但同时，网络安全威胁也日益增长。而虚拟化技术提供一个可信、可控、可操作的环境来模拟真实的系统和网络行为，为深入分析和了解上层安全活动的产生、传播和演变提供了环境。如今，基于虚拟化的动态安全分析成为一种重要的研究方法，但传统的安全分析往往会给原系统运行带来严重的性能损失，影响系统的可用性，同时，很多攻击过程难以复现，在实现环境中重塑攻击过程是一项挑战性的任务。为了解决以上问题，记录重放技术被提出，其将系统的运行过程记录到日志文件中，之后可根据日志文件对运行过程进行多次重放。首先，一次记录可进行多次重放，为安全分析的展开提供了条件；其次，解耦了系统运行过程和分析过程，将安全分析过程推后到系统重放过程中，有效避免了复杂的安全分析给系统带来的压力。
图1显示了虚拟机记录重放的传统架构。在虚拟机开机前，系统先设置好记录或者重放的相应配置，虚拟机开机后，根据配置文件进行相应的记录或者重放过程。具体来说，若虚拟机接下来进入记录阶段，VMM(虚拟机管理器)先根据配置信息创建日志文件，在虚拟机启动后进入记录模式，VMM读取所有不确定性事件及其对应的时间戳，将其写入日志文件中用于后期重放；若根据需求，虚拟机接下来进入重放过程，VMM先将磁盘状态回滚到记录开始时候状态，接着虚拟机开机进入重放模式，VMM从相应日志文件中读取不确定事件的信息，按照记录的时间点将其注入虚拟机，完成虚拟机行为的确定性重放过程。此架构灵活性及重放效率低，对虚拟机运行过程中任一小段执行过程的分析都需要从记录的初始阶段开始重放；此外，因测试或分析算法的复杂度，重放过程通常远慢于记录过程，无法满足实时检测分析的需求。
虚拟机记录重放技术对被记录系统的整个运行轨迹进行记录，重放过程根据记录的信息可以将虚拟机状态回滚到任意运行时刻。但根据传统的记录重放架构，所有重放过程都需要从记录的起始阶段开始，按照记录信息逐条指令进行恢复，重放效率较低。而虚拟机快照技术将虚拟机瞬时状态进行了完整保存，可以实现虚拟机状态的快速回滚，但频繁的快照会对系统性能带来较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于快照技术的虚拟机并行记录重放方法及系统，将快照技术和记录重放技术进行集成，以解决虚拟机记录和重放过程中系统灵活性差和效率低的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放方法，包括以下步骤：
在收到记录请求时，先挂起要被记录的目标虚拟机，利用快照记录该目标虚拟机的初始状态信息，并为该目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向；
运行该目标虚拟机，将虚拟机运行相关的不确定性事件记录在日志信息中，同时每隔一段时间进行一次快照来记录该目标虚拟机的瞬时状态信息；
当收到重放请求时，借助快照和重放虚拟机将目标虚拟机状态回滚到指定时刻前的瞬时状态，进行虚拟机的行为重放，按照记录的日志信息将不确定性事件注入到重放虚拟机的执行过程中，以重现目标虚拟机之前的执行过程，直至将状态恢复到指定时刻。
进一步地，所述快照采用一般的快照技术。
进一步地，在收到记录请求时，先设置相应寄存器状态和创建日志文件，再开始记录。
进一步地，为目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向的方法为，借助外部磁盘快照技术新建新磁盘镜像文件，同时将原磁盘镜像文件设置为只读，将目标虚拟机接下来的写操作重定向到新磁盘镜像文件中。
进一步地，当目标虚拟机运行超过设定的时间阈值时，循环进行如下操作，直至收到终止记录的请求，操作包括：在挂起目标虚拟机时，利用磁盘快照技术记录虚拟机的状态信息，并为目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向；在运行目标虚拟机时，获取虚拟机运行相关的所有不确定性事件并写入到日志文件中。
进一步地，磁盘快照技术采用qcow2的内部磁盘快照和外部磁盘快照技术相结合的双层磁盘快照技术。
进一步地，虚拟机的初始、瞬时等状态信息包括CPU、内存、磁盘和外部设备的状态信息。
进一步地，不确定性事件包括外部中断、键盘鼠标输入、网络数据包等。
进一步地，在重放虚拟机重放之前，复制对应时间段增量磁盘镜像文件，将复制的新磁盘镜像文件作为重放虚拟机的磁盘镜像文件；在重放虚拟机重放时，使重放虚拟机的写操作在新磁盘镜像文件上进行。
进一步地，每个重放虚拟机都拥有一个独立的磁盘镜像文件。
进一步地，重放虚拟机的重放包括离线重放，实时重放，多维度并行重放以及多时间片并行重放。
一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放系统，包括：
记录组件，负责目标虚拟机行为的记录，包括在收到记录请求时，先挂起要被记录的目标虚拟机，利用快照记录该目标虚拟机的初始状态信息，并为该目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向；将该目标虚拟机运行相关的不确定性事件记录在日志信息中，同时每隔一段时间进行一次快照来记录该目标虚拟机的瞬时状态信息；将虚拟机的初始状态信息、不确定性事件和瞬时状态信息储存于磁盘中；
重放组件，包括至少一个重放虚拟机，负责目标虚拟机行为的重放，包括在收到重放请求时，借助快照将重放虚拟机状态回滚到指定时刻前的瞬时状态，进行虚拟机的行为重放，按照记录的日志信息将不确定性事件注入到重放虚拟机的执行过程中，以重现重放虚拟机之前的执行过程，直至将状态恢复到指定时刻；重放虚拟机的重放包括离线重放、实时重放、多维度并行重放以及多时间片并行重放。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明能够有效提高虚拟机记录和重放的灵活性，并提高重放的性能，加快重放分析速度。本发明的积极效果体现在以下方面：1)在记录阶段，利用快照技术，保存虚拟机在各个运行阶段的瞬时状态，重放时借助保存的快照信息，可以实现快速定位并回滚到重放点，提高系统的灵活度，减少不必要的重放过程；2)提出实时重放技术，此技术实现了虚拟机重放进程与记录进程同时运行，为实时分析提供了技术支撑。3)利用持续快照技术，对系统运行过程进行时间片划分，在此基础上能实现多时间片并行重放和多维度并行重放，有效提升重放分析的效率，应用到安全分析领域，提高分析的实时性，减小对于安全攻击的反应时间。
附图说明
图1是虚拟机记录重放传统架构图。
图2是基于持续快照的并行重放模式图。
图3是虚拟机并行重放系统架构图。
图4是虚拟机并行记录重放示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
本实施例主要针对虚拟机记录和重放过程中系统灵活性差和效率低的问题，提出了一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放方法，将快照技术和记录重放技术进行集成，让二者优势互补，如图2所示，具体说明如下：
首先在接收到记录请求时，利用快照技术将记录的目标虚拟机的初始状态(包括CPU、外设、磁盘和内存等信息等)进行保存；
然后开始目标虚拟机运行过程的记录，在此阶段，VMM将获取目标虚拟机运行的所有不确定性事件(例如外部中断、键盘鼠标输入、网络数据包等)，并将其信息写入到日志文件中(即日志信息)用于后期重放，同时，每隔一段时间，进行一次快照来保存虚拟机状态，直至记录停止；
在重放阶段，首先借助快照进行粗粒度的回滚，快速将重放虚拟机恢复到指定时刻前的快照点(即重放点、瞬时状态)，然后利用重放技术进行细粒度的虚拟机恢复，将虚拟机的状态恢复到指定时刻。
通过上述方法，本实施例对关注的虚拟机运行过程进行了精准重放，减少了不必要的重放过程。此外，通过对双层磁盘快照技术，本实施例实现了重放过程和记录过程的并行，让重放分析过程与记录过程同步运行，提高安全分析的实时性，同时，如图2所示，持续快照将虚拟机运行过程划分成了多个运行片段，本实施例可以根据重放需求创建多个重放虚拟机同时对同一运行片段或者不同片段进行重放，提高重放分析的效率。
系统架构。本发明公开的基于持续快照的并行记录重放系统的架构如图3所示。系统包含运行在VMM层的记录组件和重放组件。记录组件负责记录目标虚拟机的运行过程并将其存入磁盘文件中，包括每隔一段时间进行快照SN保存目标虚拟机的瞬时状态信息，以及将与目标虚拟机运行相关的所有不确定性事件写入日志文件LOG。重放组件则负责重放过程中的事件处理。当收到重放指令后，此组件先通过分析参数获得重放起始点，然后从磁盘中读取相应点的快照文件信息，构建重放虚拟机磁盘镜像文件以及初始状态，然后根据日志文件中的不确定性事件的信息，以对目标虚拟机的运行轨迹进行重现。
基于持续快照的记录过程。当收到记录请求时，VMM先挂起目标虚拟机，用快照技术保存虚拟机状态，快照完成后恢复目标虚拟机运行，同时开始记录进程，当目标虚拟机运行时间超过设定阈值时，再循环以上过程，如图4所示。具体流程如下：
1)当收到记录指令时候，开始记录前设置，包括设置相应寄存器状态、创建日志文件等。
2)接着，VMM将目标虚拟机挂起。
3)VMM保存目标虚拟机的完整状态信息，包括CPU、内存、磁盘和外部设备。
4)为重放过程构建相同磁盘视图做准备。系统借助qcow2的外部磁盘快照技术，新建新磁盘镜像文件，同时将原磁盘镜像文件设置为只读，将目标虚拟机接下来的写操作重定向到新磁盘镜像文件中，用来保证原磁盘镜像文件中保存快照时候的磁盘状态并在后期的虚拟机运行过程中不被修改。
5)虚拟机状态保存完成之后，恢复目标虚拟机运行。
6)开始记录与目标虚拟机运行相关的不确定性事件。
7)当目标虚拟机运行超过设定的时间阈值时，循环步骤2～6，直至收到终止记录过程的请求。该阈值为用户提前根据需要进行设定；当预先设定的值小于单次快照的持续时，
重放系统会自动将该值调为单次快照的持续时间；当用户设定的值大于等于单次快照的持续时，则此值就是用户设定的值。
并行重放过程。若要进行重放，首先要构建重放虚拟机的磁盘镜像文件。根据如图4所示的虚拟机磁盘结构，对于被记录虚拟机来说，只有最新的磁盘镜像文件(在此图中为imgi+1)处于可读可写状态，其余磁盘镜像文件都为只读文件，并且保存了对应快照点的磁盘状态。因此，可以通过复制目标虚拟机某一运行阶段的磁盘文件作为重放虚拟机的磁盘文件。接下来对接收到重放请求时如何完成虚拟机运行过程的重放进行说明：
1)解析重放请求，分析重放起始点，在以从快照i开始重放为例进行说明。
2)因为磁盘镜像文件imgi保存了目标虚拟机在快照i时候的磁盘状态，因此复制imgi为imgrply1作为重放虚拟机Replayer1的磁盘镜像文件。
3)以imgrply1为磁盘镜像文件，启动重放虚拟机Replayer1，接下来重放虚拟机的所有磁盘写操作将在imgrply1上进行。
4)根据快照i文件加载虚拟机的状态，包括CPU状态、内存状态、磁盘状态、设备状态等。
5)快照加载完成之后，依次读取日志文件中的不确定性事件，按照对应的时间戳，将其注入重放虚拟机，使得重放虚拟机按照记录轨迹确定性运行。
若想开启多个虚拟机做重放(可以从相同快照点或者不同快照点开始)，重复以上五个步骤即可。所有运行的重放虚拟机都拥有独立的磁盘，因此它们之间的运行互相独立，互不干扰。
本系统除了可以进行基本的离线重放(即在记录停止之后再开始重放过程)，还可以实现以下三种实时并行重放模式：
·实时重放。如图4所示，当被记录虚拟机的快照i过程完成之后，可立即创建一个重放虚拟机从快照i开始重放。通过日志信息共享和同步，重放虚拟机能及时读取被记录虚拟机产生的不确定性事件信息进行实时重放。
·多维度并行重放。此架构允许同时开启多个重放进程对同一虚拟机的运行片段进行重放，在不同重放进程上进行不同维度的安全分析，可实现分析算法的分解，加速分析过程。
·多时间片并行重放。此架构还允许同时开启多个重放进程对不同虚拟机的运行片段进行并行重放，提高重放效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，本发明的保护范围以权利要求所述为准。

Claims (10)

1.一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放方法，其特征在于，包括以下步骤：
在收到记录请求时，先挂起要被记录的目标虚拟机，利用快照记录该目标虚拟机的初始状态信息，并为该目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向；
运行该目标虚拟机，将虚拟机运行相关的不确定性事件记录在日志信息中，同时每隔一段时间进行一次快照来记录该目标虚拟机的瞬时状态信息；
当收到重放请求时，借助快照和重放虚拟机将目标虚拟机状态回滚到指定时刻前的瞬时状态，进行目标虚拟机的行为重放，按照记录的日志信息将不确定性事件注入到重放虚拟机的执行过程中，以重现目标虚拟机之前的执行过程，直至将状态恢复到指定时刻。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在收到记录请求时，先设置相应寄存器状态和创建日志文件，再开始记录。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向的方法为，借助外部磁盘快照技术新建新磁盘镜像文件，同时将原磁盘镜像文件设置为只读，将目标虚拟机接下来的写操作重定向到新磁盘镜像文件中。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当目标虚拟机运行超过设定的时间阈值时，循环进行如下操作，直至收到终止记录的请求，操作包括：在挂起目标虚拟机时，利用磁盘快照技术记录虚拟机的状态信息，并为目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向；在运行目标虚拟机时，获取虚拟机运行相关的所有不确定性事件并写入到日志信息中。
5.如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，磁盘快照技术采用qcow2的内部磁盘快照和外部磁盘快照技术相结合的双层磁盘快照技术。
6.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，虚拟机的状态信息包括CPU、内存、磁盘和外部设备的状态信息。
7.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，不确定性事件包括外部中断、键盘鼠标输入、网络数据包。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在重放虚拟机重放之前，复制对应时间段增量磁盘镜像文件，将复制的新磁盘镜像文件作为重放虚拟机的磁盘镜像文件；在重放虚拟机重放时，使重放虚拟机的写操作在新磁盘镜像文件上进行。
9.如权利要求1或8所述的方法，其特征在于，重放虚拟机的重放包括离线重放、实时重放、多维度并行重放以及多时间片并行重放。
10.一种基于持续快照的虚拟机并行记录重放系统，其特征在于，包括：
记录组件，负责目标虚拟机行为的记录，包括在收到记录请求时，先挂起要被记录的目标虚拟机，利用快照记录该目标虚拟机的初始状态信息，并为该目标虚拟机的写磁盘操作进行重定向；将该目标虚拟机运行相关的不确定性事件记录在日志信息中，同时每隔一段时间进行一次快照来记录该目标虚拟机的瞬时状态信息；将虚拟机的初始状态信息、不确定性事件和瞬时状态信息储存于磁盘中；
重放组件，包括至少一个重放虚拟机，负责目标虚拟机行为的重放，包括在收到重放请求时，借助快照将重放虚拟机的状态回滚到指定时刻前的瞬时状态，进行虚拟机的行为重放，按照记录的日志信息将不确定性事件注入到重放虚拟机的执行过程中，以重现目标虚拟机之前的执行过程，直至将状态恢复到指定时刻；重放虚拟机的重放包括离线重放、实时重放、多维度并行重放以及多时间片并行重放。
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