云计算安全总体框架与关键技术研究

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1、云计算安全总体框架与关键技术研究云计算已经成为当前IT界关注的热点话题，但云计算的发展也面临许多关键性问题，而安全问题首当其冲，并且随着云计算的不断普及，其重要性呈现逐步上升趋势，已成为制约云计算发展的核心因素。因此，对云计算的安全进行系统研究显得迫切而重要。 1.云计算的概念与总体框架 1.1云计算的概念 目前，业界对云计算的理解并不一致。简单地讲，可以从技术和运营服务两个层面来理解其含义： 1）从技术层面看 云计算并不是一项技术，而是代表一系列计算方式发展趋势的综合概念，是并行计算（parallelcomputing）、分布式计算（distributedcomputing）和网格计算（gr

2、idcomputing）的发展。事实上，云计算不是指一项独立的技术，而是在从C/S结构、分布式计算到网格计算、效用计算、SaaS的计算方式发展大趋势下，一系列包括虚拟化、按需服务在内的概念总和。 2）从运营层面看 云计算提供了按需租用计算能力的服务，对于外部使用者来说，这种服务就像天上的云一样透明，不需要考虑其背后的实现细节，从而可以专注于自身业务，有利于创新及节约成本。对整个行业来说，这是一次革命性的创新。可以说，云计算不仅仅是技术的进一步发展，更是一种业务模式的创新。如果用一个简单的公式来表达云计算，就是： 云计算=（基础设施+平台+软件+数据）*服务（1）其中，基础设施、平台、软件、数据

3、可以理解为云计算的技术层面。但仅有技术是不够的，还要具备良好的服务，两者是相乘的关系。即在同等技术条件下，服务越好，云计算的价值就越大。 1.2云计算总体框架 云计算的总体框架如图1所示。图1云计算总体框架图 从图1可看出，云计算是一个复杂的体系，可以从以下几个层面来论述。 1）从基础技术角度看，云计算是一系列技术的总和，这一点从公式（1）可看出。 2）从性能上看，云计算有以下5大特点： （1）按需自助服务。消费者可按需方便地获得计算资源。 （2）泛在的网络访问。可通过各种网络渠道，以标准统一的机制获取服务。 （3）动态资源池。资源可以被整合为一个动态资源池，以多租户模式服务所有客户并动态分配

4、。 （4）快速伸缩性。可以迅速、弹性地提高服务，既能快速扩展，也能快速释放资源。 （5）可计量的服务。服务收费可以是基于计量的一次一付，也可以针对不同服务需求计量和定价。 3）从服务模式看，云计算包含如下3种模式： （1）基础设施即服务（IaaS）。消费者通过Internet可以从完善的计算机基础设施获得服务。IaaS通过网络向用户提供计算机（物理机和虚拟机）、存储空间、网络连接、负载均衡和防火墙等基本计算资源；用户在此基础上部署和运行各种软件，包括操作系统和应用程序。 （2）平台即服务（PaaS）。将软件的开发、测试和部署平台作为一种服务提供给客户。PaaS平台通常包括操作系统、编程语言的运

5、行环境，数据库和Web服务器，用户在此平台上部署和运行自己的应用。 （3）软件即服务（SaaS）。即通过Internet提供软件，用户无需购买软件，而是向服务商租用基于Web的软件，以管理企业的经营活动。 4）从部署模式看，云计算可以分为以下3种模式： （1）公有云。是由独立的第三方建设并运行，由若干企业和用户共享使用的云环境。 （2）私有云。为某一客户单独构建和使用的云环境，该客户拥有基础设施，并可以控制在此基础设施上部署应用程序的方式。 （3）混合云。把公用云模式与私有云模式结合在一起的云环境。混合云有助于提供按需的、外部供应的扩展服务。可见，云计算是一个复杂的体系，既是一系列IT技术的融

6、合，又包含多种服务模式。 2.云计算安全总体框架 作为一项新生事物，云计算的推广遇到诸多困难，其中遇到的最大挑战是用户对安全问题的担忧。Gartner、IDC等专业机构的调研也表明，安全问题已成为阻碍云计算推广的最大障碍。鉴于云计算的复杂性，它的安全问题也应该是一个涵盖技术、管理，甚至法律、法规的综合体。 根据云计算平台的特点，构建了如图2所示的云计算安全总体框架： 图2云计算安全总体框架 下面概要介绍该框架中每部分的含义。 2.1云计算安全政策、法规、标准 传统的安全技术已经出现多年，相应的标准、法律、法规也都相对成熟，但现在的云计算安全缺少标准，政策、法规也不健全。再加上云计算自身的特点，

7、数据可以存储在世界上任何一个国家，当出现问题时，国家政策的不同也是云计算安全的一个重大挑战。 标准化是云计算安全发展的重要措施之一，但目前云计算安全研究还处于起步阶段。国际上研究主力包括云安全联盟（CSA）、国际电联（ITU）、IEEE等组织，国内有中国通信标准化协会（CCSA）、中国云计算技术与产业联盟（CCCTIA）等组织，但这些组织的研究也都处于进行中，尚未形成获得一致认可的安全技术和标准。 2.2IaaS层的安全风险与措施 IaaS层处于云计算平台的最底层，为上层云应用提供安全数据存储、计算等IT资源服务，是整个云计算体系安全的基石。IaaS平台既有传统数据中心的安全特性，更面临自身特

8、有的安全风险。 一方面，IaaS平台沿袭传统计算中心面临的安全问题，要采取全面、严密的安全措施。例如，在物理层考虑厂房安全；在存储层考虑数据加密、备份、归档、灾难恢复等；在网络层考虑DDoS攻击、数据传输机密性等；在数据层考虑数据库安全、数据的隐私性与访问控制等；在应用层考虑程序完整性检验、访问控制与漏洞管理等。 另一方面，IaaS平台大量采用虚拟化技术，包括虚拟服务器、虚拟存储、虚拟网络，甚至虚拟交换机等，虚拟化安全成为其面临的最大安全风险。虚拟化安全综合起来可以归结为以下两个方面： 1）虚拟化软件安全 该软件层直接部署于裸机之上，提供能够创建、运行和销毁虚拟服务器的服务。云服务提供商应建立

9、必要的安全控制措施，限制对于Hypervisor和其他形式的虚拟化层次的物理和逻辑访问。在laaS服务中，用户不能接入虚拟化软件层，该层由云服务提供商来操作、管理。 2）虚拟服务器安全 虚拟服务器或客户端面临着许多主机安全威胁，包括接入和管理主机的密钥被盗、在脆弱的服务标准端口侦听、劫持未采取合适安全措施的账户等。这就需要采取以下措施： （1）选择具有TPM（可信计算平台模块）的虚拟服务器。 （2）安装时为每台虚拟服务器分配一个独立的硬盘分区，以便进行逻辑隔离。 （3）每台虚拟服务器应采用VLAN和不同IP网段的方式进行逻辑隔离，需要通信的虚拟服务器间的网络连接采用VPN进行。 （4）进行有计

10、划的备份，包括完整、增量或差量备份方式。 2.3PaaS层的安全风险与措施 PaaS层处于云计算平台的中间，它既依靠IaaS平台提供的基础资源，又为上层SaaS提供应用平台，起到了承上启下的作用。 PaaS的核心技术是分布式处理，主要解决云计算数据中心大规模服务器群的协同工作。要提供PaaS云计算服务，首先要在云计算数据中心架设分布式处理平台，包括分布式文件系统、分布式计算、分布式数据库等；其次，要对分布式处理平台进行封装，包括提供开发环境（SDK）、API接口和库等。因此，对PaaS层来说，面临的安全威胁主要包括： 1）分布式文件和数据库安全 基于云计算数据中心的分布式文件系统和分布式数据库

11、系统构建在大规模的廉价服务器集群上，从而面临诸多挑战。 （1）服务器的失效现象经常出现，需要解决系统的容错问题。 （2）服务器增减频繁，需要解决动态扩展问题。 （3）需要提供海量数据的存储和快速检索、读取能力。 （4）多用户同时访问，需要解决并发控制和存取效率等问题。 为了提升分布式文件系统的可靠性，目前的基本做法是采取冗余存储的方式来解决，每份文件或数据在系统中保存多个备份。冗余存储解决了数据的可靠性问题，但也带来了一致性问题，因为文件或数据存储在多个不同的节点中，对文件或数据进行修改时必须确保对所有副本都进行了修改，这就需要分布式同步机制对并发操作进行控制。这些技术的复杂性都给数据的可靠和

12、安全带来了巨大挑战。 2）用户接口和应用安全 对于PaaS服务来说，来自客户端的可能是恶意的。如果PaaS层暴露过多接口，可能会给攻击者带来机会，如抢占CPU时间、内存空间和其他资源，也可能攻击其他用户，甚至会攻击底层平台等。因此，如何检验用户的可靠性是PaaS提供商面临的又一个巨大挑战。 用户基于PaaS平台开发的软件最终也会部署在该平台上，PaaS提供商需要保证程序的可靠运行，尤其是保证不同应用之间的相互隔离。这点与在SaaS模式下遇到的挑战是相同的。另外，从技术上看，目前PaaS对底层资源的调度和分配采用“尽力而为”的机制，如果一个平台上运行多个应用，就会存在资源分配、优先级配置等问题。

13、要解决这些问题，需要借助IaaS层的虚拟化机制来实现多个应用的资源调配和SLA等。 2.4SaaS层的安全风险与措施 传统的软件都部署在客户自己或租用的数据中心内，服务于特定的用户，其安全控制相对简单。但在SaaS模式下，成千上万的用户共享同一软件平台，如何保证这些客户之间的数据、应用安全是一个巨大挑战。目前解决这一难题主要是采用多租户技术，多租户技术使得大量用户共享统一软件资源，每个用户按需使用资源。多租户技术能够对软件服务进行客户化配置，而不会影响其他用户的使用。多租户技术是解决SaaS模式安全问题的主要措施，但这一技术也存在数据隔离、客户化配置、架构拓展、性能定制等诸多不足和挑战。 1）

14、数据隔离。数据隔离是指多个租户在使用同一个SaaS系统时，不同租户之间的数据是隔离存储的，数据处理不会相互干扰。要实现多租户之间的数据隔离，目前有3种技术： （1）为每一个租户提供一个单独的数据库，优点是可以保证不同租户之间的数据充分隔离，缺点是成本和开销都比较大。（2）将多个租户的数据保存在统一的数据库中，但采用不同的模式，这样做在一定程度上减少了数据库的成本和操作难度，但也影响了数据隔离的效果和安全性。（3）将多个租户的数据存储在同一个数据库的同一张数据表中，通过租户的标识字段来区分，这样做成本最低，但安全性和隔离性最差。 2）客户化配置。客户化配置是指SaaS应用支持不同租户对同一平台进

15、行个性化定制。传统模式下，每一个用户都拥有一个自主的应用实例，可以自由进行定制化开发。但在多租户形势下，成千上万的租户共享一个应用实例，某一个租户对应用的更改通常会对该平台中的所有租户产生影响。因此，如何支持不同用户对同一实例的独立客户化配置是SaaS模式面对的一个安全挑战。 除上述安全风险外，多租户技术还存在架构拓展、性能定制等安全挑战。为了解决这些难题，有人建议采用虚拟化技术。虚拟化技术已经比较成熟，多租户技术还处于发展阶段，面对大量用户使用统一应用时，如果把每一个用户的应用都做成一个单独的虚拟机，就可能需要成千上万的虚拟机，其管理难度和复杂性都会大大增加，其中还有大量的课题需要研究。 2.5通用安全措施 云安全服务属于云基础软件服务层，为各类云应用提供共性信息安全服务，是确保云应用满足用户安全目标的重要手段。其中比较典型的几类云安全服务包括加密与密钥管理、身份识别与访问控制、灾备与业务连续性、数据隔离技术、虚拟化安全技术、云安全测评机制与审计机制等，这些技术