基于SR-IOV的TCM硬件虚拟化构建可信虚拟环境

基于SR-IOV的TCM硬件虚拟化构建可信虚拟环境 Building Trusted Virtual Environment by TCM Hardware Virtualization Based on SR-IOV first-author 刘明达，男，硕士生，现从事可信计算和密码学方面的研究. E-mail:happyliumd@163.com 刘明达，男，硕士生，现从事可信计算和密码学方面的研究. E-mail: happyliumd@163.com happyliumd@163.com corresp 拾以娟, E-mail:14645789@qq.com 拾以娟, E-mail:14645789@qq.com 14645789@qq.com 江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083 江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083 Jiangnan Institute of Computing Technology, Wuxi 214083, Jiangsu, China Jiangnan Institute of Computing Technology, Wuxi 214083, Jiangsu, China 虚拟可信密码模块 (vTCM) 架构在安全和性能上均存在缺陷，不满足特殊应用场景下高安全性的需求.本文基于设备虚拟化技术提出了一种TCM硬件虚拟化的实现架构，利用该架构设计密钥结构，得到构建高安全可信虚拟环境的方法，为虚拟机提供硬件级的可信密码服务.可行性验证分析表明，本系统能够增强可信虚拟环境安全性，提高系统效率. The current vTCM architecture has some flaws in security and performance, so it cannot meet the requirements of high security in the special application scenes. Based on the device virtualization SR-IOV (single root I/O virtualization) technology, we propose a kind of framework of TCM hardware virtualization, and design the key structure.Then we find the method of constructing high security trusted virtual environment, which can provide trusted cryptographic service for virtual machine. As can be seen from the feasibility verification and analysis, the system can enhance the security of trusted virtual environment, and improve the efficiency of the system. 单根设备虚拟化 TCM硬件虚拟化 可信虚拟环境 SR-IOV (single root I/O virtualization) TCM hardware virtualization trusted virtual environment 引言 1 虚拟化是云计算的关键技术，虚拟计算环境安全是信息安全研究的热点问题 [ 1 1 ] .可信计算 [ 2 2 ] 能够为虚拟环境提供安全存储、远程证明、完整性度量等一系列的可信密码服务，是增强虚拟计算环境安全的重要手段.在国产可信计算体系中，可信密码模块 (trusted cryptography module，TCM) [ 3 3 ] 是整个系统的信任根，系统从信任根开始，建立完整的信任链，进而增强计算系统的安全性.在可信虚拟计算环境中，运行于硬件平台上的每一台虚拟机都将获得TCM的所有功能，每一台虚拟机都有相应的虚拟可信密码模块 (virtual trusted sryptography module，vTCM) 与之对应. 相关研究者围绕可信虚拟架构，旨在增强可信虚拟环境的安全性，进行了一系列的研究.杨永娇等 [ 4 4 ] 提出了一种基于TMP2.0协议的vTCM密钥结构，使得vTPM中的密钥在一定程度上受到了硬件TPM的保护.纪祥敏等 [ 5 5 ] 提出了一种基于信任扩展的云计算并行信任传递机制，给出了静态信任根和动态信任根的概念, 为云环境提供更加充分的可信支持；王丽娜等 [ 6 6 ] 提出了一种基于信任扩展的可信虚拟执行环境，实现了vTPM和TCB的绑定关系；于爱民等 [ 7 7 ] 提出了一种基于属性的远程证明模型，将传统信任链模型扩展为信任图，增强了虚拟环境下可信网络的安全性. 上述研究在不同的方面增强了虚拟环境的安全性，但是局限于目前vTCM本身架构的缺陷，仍然存在安全和性能上的问题： 1) 安全性 ①虚拟计算环境安全隔离性差.基于虚拟计算环境固有的架构缺陷，特权域或宿主机一旦受到攻击，虚拟环境的数据安全将无法得到保障.同时，由于共享内存机制的存在，虚拟环境之间数据交叉较多，易受到虚拟环境中内部恶意用户的攻击或者管理员对数据的非法窃取. ② vTCM密码资源缺乏硬件保护.现有架构下vTCM的密钥无论是明文存储还是加密存储，最终使用的时候，总会暴露在软件层，存在较大的泄露风险.密钥缺乏硬件层的保护，是不安全的. 2) 性能效率 ①软算法性能不足.vTCM实例中的密码算法都是由软件形式实现的，软加密的效率是远低于基于硬件的加密效率，难以支持面向磁盘存储级别的数据加密服务. ② I/O虚拟化方案的固有缺陷.针对I/O虚拟化的研究已经证明，软件模拟和前后端的模式均会带来I/O性能上的损耗，降低整个系统的效率.TCM作为I/O设备的一种，其虚拟化架构不可避免会有性能上的不足. 随着电子政务建设的快速发展，大数据、云计算等技术得到了广泛的应用，虚拟计算环境的自主可控、安全可信的需求也日益迫切.但是，当前TCM虚拟化方案本质上是软件实现的，在安全性上无法满足电子政务等特殊应用环境下的高安全需求，也无法为虚拟化应用场景提供高效的密码服务.针对该问题，基于单根设备虚拟化技术 (single root I/O virtualization，SR-IOV) [ 8 8 ] 本文提出了对TCM进行硬件虚拟化的方案，并在此基础上提出了一种构建高安全可信虚拟计算环境的方法. 基于SR-IOV的TCM硬件虚拟化 1 SR-IOV技术 2 SR-IOV技术是一种基于硬件的虚拟化标准协议，由PCI-SIG小组提出，是PCI-Express协议的一个子集.SR-IOV标准允许在虚拟机之间高效共享PCI-Express设备，并且它是在硬件中实现的，理论上可以获得与本机性能媲美的I/O性能和利用率. 图 1 图 1 描述了SR-IOV设备的I/O虚拟化架构，该架构基于两个关键技术实现： 1) 硬件虚拟化.一个SR-IOV设备本身是一个标准的PCIe设备，称为物理设备 (physical function，PF).每一个PF可以创建多个轻量级的PCIe设备，即虚拟设备 (virtual function，VF).每一个VF拥有独立的配置空间，并具有数据通信的关键资源，如数据缓冲区，DMA通道等；其他大部分非关键的设备资源则与其他VF共享，如存储.在硬件内部结构中，PF和VF都能够使用实际的物理资源. 2) 设备直连技术，如Intel VT-d [ 9 9 ] .SR-IOV采用设备直连技术，系统将每一个VF分配给不同的虚拟机使用，虚拟机就具备了直接使用VF进行数据处理的能力.设备直连技术绕过虚拟机监视器直接发送和接收I/O数据，虚拟机通过VF驱动进行I/O操作，这个过程无需虚拟机监视器的干涉.这样不仅增加了虚拟机之间的隔离性，其效率更是接近设备的原生性能. TCM硬件虚拟化架构 2 功能架构 3 虚拟化TCM的功能架构如 图 2 图 2 所示，架构分为接口协议层和虚拟硬件层两部分.接口协议层负责与芯片外部进行命令收发和数据交互，虚拟硬件层本质上是1.1节描述的SR-IOV设备中增加了可信密码功能的PF和VF. 虚拟硬件层包括两部分：物理TCM (physical TCM，pTCM) 和虚拟TCM (virtual TCM，vTCM).pTCM相当于PF，一方面为物理机提供可信计算服务，与普通的物理TCM相同，并且基于功能接口实现物理环境的主动度量、可信存储、远程证明等功能；另一方面，pTCM能够对vTCM进行管理和配置，在vTCM初始化时完成vTCM资源生成和存储. vTCM相当于VF，具备较为完整的可信密码功能，如密钥管理、数据加密、可信度量、远程证明和可信存储，服务于对应的虚拟机. 其接口协议层分为两部分：功能接口，PCIe、SR-IOV协议层. 1) 功能接口，包含实现TCM功能的多种接口.其中，pTCM除PCIe接口之外，还包括SPI接口 (外接BIOS)、ISO7816(支持IC卡)、外接FLASH接口、UART接口等，这些接口与实现物理环境的安全可信相关.vTCM则通过PCIe接口与虚拟机通信.由于本文针对虚拟环境，其他功能接口不做讨论. 2) PCIe、SR-IOV协议层.虚拟硬件层经过PCIe、SR-IOV协议层与主机进行数据交互.SR-IOV协议能够将底层的硬件抽象为不同的设备，并将上层数据包进行解析和转发. 物理结构 3 虚拟化TCM的物理架构如 图 3 图 3 所示，架构分为接口协议层和物理资源层.物理资源层由3个主要部分组成：处理器、密码计算区、存储区. 处理器：将TCM看做一个固化的小型系统，CPU就是它的核心部分.负责响应和处理上层传来的命令，生成存储区的敏感资源并进行管理，在进行密码计算的时候，负责配置密码计算区的密码资源，并调用相关算法. 存储区：与传统TCM相同，存储区分为两部分.易失性存储区主要为每一个vTCM提供PCR寄存器，存储在可信引导和运行中的度量值；非易失性存储区主要存放vTCM的密钥等敏感数据. 密码计算区：为了提高算法效率，密码计算区具备多路DMA通道，分别负责杂凑算法、对称算法、公钥算法；为提高计算能力，杂凑和对称算法均具备多个算核，每个算核可以同时执行不同的密码计算任务.密码配置模块由CPU进行控制，其密钥基于单项传输通道，从存储区获取.存储区与密码计算区之间是单向传递的. 信虚拟环境构建 1 架构设计 2 本文的可信虚拟环境的架构如 图 4 图 4 所示，pTCM对宿主机 (KVM架构)/特权域 (Xen架构) 提供可信服务，包括主动度量、可信存储和远程证明. 以KVM为例，在宿主机的内核空间之上，维护一个vTCM管理器，与虚拟机管理器一起，负责可信虚拟机的创建和管理.当创建一个虚拟机时，vTCM管理器会为虚拟机分配一个vTCM设备，并通知pTCM对新分配的vTCM进行初始化，包括密钥生成，证书颁发，与虚拟机绑定等.vTCM基于硬件实现，经由设备直连与客户虚拟机一一对应，绕过虚拟机监视器，直接为虚拟机提供可信密码服务. 密钥结构 2 可信计算中，完整性度量、身份认证、安全存储和远程证明等功能都需要密钥的支持.其中，最重要的密钥类型有以下几种：平台身份密钥 (platform identity key，PIK)，用于提供平台身份证名；背书密钥 (endorsement key，EK)，代表每个平台的真实身份，具有不可迁出性和惟一性，用于产生和授权PIK密钥；平台加密密钥 (platform encryption key, PEK)，用于平台间的密钥迁移以及平台间的其他数据交换；存储主密钥 (storage master key, SMK)，用于封装外部密钥和数据.这4个密钥属于不可迁出密钥，一旦生成，只能在TCM内部使用.另外，用户密钥 (user key, UK) 用于根据用户需求实现不同的加密功能.本文的虚拟化TCM的密钥结构分为4层：密钥种子，物理TCM层密钥，虚拟TCM层密钥，应用层密钥，其密钥结构如 图 5 图 5 所示. 从密钥树的最底层开始描述可信虚拟环境的密钥结构，主要分为4个层次：密钥基础种子，pTCM密钥层，vTCM密钥层，应用层密钥. 1) 密钥基础种子 密钥种子是TPM2.0提出的概念，本文借鉴这个思想，以适应虚拟化中多套密码资源的需求.在这一层面有两种不同作用的种子：背书基础种子 (endorsement primary seed, EPS) 和存储基础种子 (storage primary seed, SPS).这些种子都是永久存储在TCM内部的大随机数，分别对应了背书层次和存储层次，用于生成可信计算中的重要的密钥.其中，EPS用于推导生成EK和虚拟背书密钥 (virtual endorsement key，vEK)；SPS用于推导生成SMK, 虚拟存储根密钥 (virtual storage master key, vSMK)，用于保护其他类型的各种密钥. 2) pTCM密钥层 pTCM是物理层的密钥，主要包括EK, PIK, SMK, PEK, UK和SKs，其中EK和SMK由基础种子推导产生，PIK，PEK，UK，SKs由SMK产生并加密保护，密钥的产生可以选择不同的密钥生成算法来实现.PIK是平台身份密钥，其身份证书由EK进行验证后颁发，这就使PIK可以作为EK的替代，用于平台身份的证明. 3) vTCM密钥层 为了保证TCM密钥结构的一致性和应用的方便，vTCM层拥有和pTCM相同的密钥结构，vTCM中维护了vEK，vSMK、虚拟化平台身份密钥 (virtual platform identity key，vPIK)、虚拟化平台加密密钥 (virtual platform encryption key, vPEK) 和虚拟化用户密钥 (virtual user key, vUK).其中，vEK由背书基础种子EPS生成，用于作为虚拟机的标记，抵御可能存在的伪造平台身份攻击.vSMK由存储基础种子SPS生成，用于对虚拟环境中的密钥进行加密保护.与物理TCM密钥层相同，vPIK，vPEK，vUK同样由vSMK加密保护. 4) 应用层密钥 即便扩展了硬件能力，TCM的存储空间终究是有限的，TCM中存储的密钥分为两种：①核心密钥，比如pTCM密钥层和vTCM密钥层的均属于核心的密钥.②处于使用状态的密钥，在可信的实现中，除核心的密钥之外，为了实现系统安全性，会涉及到多种密钥.这些密钥受到存储密钥SK的保护，在操作系统的存储空间中，加密存储只有在使用的时候，才装载到TCM内部，解密后使用. 在应用层中，根据应用层的具体功能，会维护多种密钥，这里统称为KEYs，如网络应用程序的登录信息，社交软件的聊天记录的保护密钥，加密文档或者数据库的密钥以及eCryptfs文件系统的密钥等. 信任链扩展 2 可信计算基 (trusted computing base，TCB) 是可信计算环境构建的基础，由保障系统完整性和安全性的软硬件共同组成.在可信计算体系中，通常BIOS，Bootloader和OS被认为构成系统的TCB，而TCB的安全性由TCM保证. 虚拟计算环境下，物理计算环境的TCB与传统可信计算体系相同，在此不做讨论.通常认为，虚拟机的可信计算基包括：建立vTCM的软件组件 (vTCM实例、vTCM管理器、相关配置文件、虚拟机镜像)，运行环境 (物理环境，VMM).本文把虚拟机计算环境信任链的扩展分为3层：底层硬件到TCB的信任链，TCB到客户虚拟机的信任链，vTCM到虚拟机的信任链.具体过程如 图 6 图 6 所示. 1) 底层硬件到TCB的信任链.以国产可信计算机为例，TCM芯片是整个系统最先启动的部分，首先对Boot Loader、BIOS进行度量，确认可信后，将系统启动的控制权移交给BIOS，进而对操作系统进行度量，完成系统的引导.操作系统启动后，TCM对构成TCB的部件进行完整性度量，这样就建立了TCM到TCB的信任链. 2) TCB到虚拟机的信任链.在本文的架构中，vTCM本质上是分配给虚拟机的PCIe设备，在虚拟内核启动之前，虚拟机并不具备调用PCIe设备的能力.为了解决这个计算机体系结构与可信需求的矛盾，在本文的方案中，虚拟机的启动仍旧由物理TCM进行控制，在启动的过程中，对虚拟BIOS，虚拟Boot Loader以及虚拟操作系统内核进行完整性度量，并收集虚拟机启动的度量信息，同时生成相关的日志文件. 3) vTCM到虚拟机的信任链.在虚拟机完成系统启动，虚拟操作系统内核加载完成，调用PCIe设备后，就要建立vTCM到虚拟机的信任链.其核心分为3个步骤：① vTCM获取虚拟机可信启动的度量信息和日志文件；② vTCM对可信启动的状态信息进行安全验证；③实现完整的vTCM到虚拟机应用程序的信任链. 实验与分析 1 构建原型系统 2 实验环境搭建 3 为了验证本文架构的可信性，搭建了原型系统.宿主机：浪潮英信服务器 (NF5270M3)；CPU：Intel E5-2620v2 × 2；宿主机操作系统：CentOS 7.1；虚拟机操作系统：Ubuntu；虚拟机管理器：KVM (CentOS集成)；BIOS选项：开启Intel VT-x和VT-d. 虚拟化TCM原型基于FPGA实现，选取的是Altera Stratix V.不仅含有支持SR-IOV技术的PCI Express硬核，同时拥有PCI-Express 3.0协议X8的通信通道，每秒能带来8 Gb×8=64 Gb的带宽，完全可以满足高性能I/O的需求. 可行性验证 3 本文的架构与传统可信虚拟架构最大的优势在于能够在硬件级虚拟出多个vTCM，并通过设备直连为虚拟机提供可信密码服务.原型系统主要将pTCM与vTCM驱动，设备直连，DMA和SHA1算法这四个核心部分进行实现，以验证本文方案的可行性. 1) 设备驱动.在pTCM驱动中，涉及到SR-IOV的代码如下， http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4457795&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4457795&type=small http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=4457795&type=middle 其中第一行表示开启sr-iov功能，第二行表示获取PCI扩展配置空间中SR-IOV部分的基地址.加载pTCM驱动之前，系统仅能够识别到一个设备，而加载驱动之后，SR-IOV功能被打开，系统可以另外识别到3个vTCM设备，如 图 7 图 7 所示. 2) 设备直连.将其中一个vTCM通过设备直连，指派给虚拟机.在虚拟机启动后，可以看到一个真实的具有实际配置空间的设备，通过驱动进一步可以调用这个设备.如 图 8 图 8 所示. 3) DMA测试.针对虚拟机的DMA性能，本文从单向读、单向写和读写回环三个方面进行测试，以带宽代表DMA性能，测试单路DMA性能和多路DMA，其中单路指的是只运行一个虚拟机测试性能的情况，多路是指同时运行三个虚拟机测试性能的情况，测试结果如 表 1 表 1 所示. 3 MB/s 测试项目 单路DMA 多路DMA DMA写 2 138 901 DMA读 2 145 898 DMA回环 1 056 410 对上述实验结果进行分析，从单向写实验可以看出，PCIe DMA通道的实际带宽可以达到2 GB/s的性能，是理论带宽 (4 GB/s，PCIe3.0 4x) 的50%左右，符合实际工程的经验和要求.在进行多路测试时，以DMA写为例，单个虚拟机可以达到900 MB/s左右，相加后总带宽为2.7 GB/s，是实际带宽的60%左右，同样符合实际工程的经验和要求. 对于回环实验，在单路的情况下，基本可以达到1 GB/s的带宽；而多路实验时，单个虚拟机达到410 MB/s左右，相加后约为1.21 GB/s，同样符合预期效果.实验证明原型系统的DMA带宽足够大. 4) SHA1算法测试.以SHA1为例，对原型设备的密码算法进行测试.测试软算法，宿主机环境下单路算法，虚拟机环境下单路和多路算法的效率，实验结果如 表 2 表 2 所示. 3 MB/s 测试项目 单路SHA1 多路SHA1 软算法 22.4 - 宿主机 162.3 - 虚拟机 157.2 149.2 对实验结果进行分析，PCIe的带宽是足够大的，能够支持多虚拟机同时调用SHA1算法.本文选取的SHA1算核的效率约150 MB/s，PCIe带宽为2 000 MB/s，这就表示能够允许13个虚拟机以最大的性能进行密码运算.在实际的工程经验中，哈希算法50 MB/s，就能够满足需求.在当前的计算资源之下，能够支持最大40(2 000/50) 个虚拟机同时进行高效的哈希密码计算.由于在虚拟计算环境中，虚拟机并不一定都在同时调用算法，那么理论上能够支持的虚拟机数目会更多. 在SR-IOV协议中，允许单个PF设备最多虚拟出256个VF设备，也就是能够支持256个VF设备，在链路带宽足够和硬件资源足够的情况下，可以满足服务器对vTCM的需求.经过上述实验，验证了所提架构的可行性，将理论问题转换成了工程的问题，证明了本文所提架构具有可行性，能够为可信虚拟环境的构建提供一个新的思路，以增强虚拟计算环境的安全性和系统效率，而架构的完善是后续工作的工程量问题. 安全性分析 2 本文构建的高安全可信虚拟环境的安全性主要体现在增强了虚拟环境安全和基于硬件安全的vTCM实现方法. 1) 虚拟环境安全 ①设备直连实现虚拟环境的安全隔离.一方面，由于设备直连基于硬件方式实现，虚拟机与硬件的数据通信不经过VMM的监视.在特权域受到攻击，或者系统管理员不可信时，能够有效增强虚拟机的数据安全；另一方面，设备直连技术减少了虚拟机与特权域在数据通信时，虚拟机之间的数据交叉.有效的防止了恶意虚拟机对虚拟环境的攻击，即虚拟机跳跃. ②基于主动度量构建TCB.TCM是最先启动的部分，可信度量根位于硬件内部，构建出TCM到物理环境的信任链，进而有效保证虚拟环境的TCB的安全可信. 2) 硬件虚拟化 ① vTCM的硬件实现.与传统vTCM架构不同，本文将vTCM实例置于硬件内部，对敏感资源进行硬件级的安全保护，保证了vTCM本身的安全可信. ②适应虚拟环境的密钥结构.vTCM的密钥生成由TCM控制，密钥存储和使用均在硬件内部进行，保证了密钥的安全性. 效率分析 2 相关研究表明 [ 10 10 ] ，SR-IOV是基于硬件的虚拟化，在系统开销、I/O速率等方面优于传统的I/O虚拟化，如前后端驱动模式、软件模拟.芯片的设计与开发需要很长的时间周期，由于时间关系，本文在提出设计思路，对其可信性进行验证后，尚未实现一个完整的TCM芯片.课题组基于支持SR-IOV的网卡进行了性能效率的测试，实验结果表明，虚拟机调用网卡的VF，损耗仅为5%，几乎可以达到I/O原生性能.由此可见，将SR-IOV技术用于密码设备的虚拟化，理论上能够提高虚拟机调用密码服务的性能和效率. 结论 1 本文提出了基于SR-IOV技术实现TCM硬件虚拟化的方法，进而提出了一种构建高安全可信虚拟环境的架构，将信任关系从TCM传递到虚拟环境中，满足了电子政务等特殊应用场景下，高安全可信虚拟环境的要求.实验分析表明，该架构安全高效，具有可行性.下一步将研究如何实现该架构的信任链迁移 [ 11 11 ] ，并完成新一代虚拟化TCM芯片的研发. 参考文献 LUO S, LIN Z, CHEN X, et al . 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