云计算安全解决方案白皮书

 

Jack zhai

 

 

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研究云的安全有两三年了，但形成完整的安全思路，还是去年的事，这也是“流安全”思路形成的主要阶段。

云计算的安全问题之所以突出，是因为虚拟机的动态迁移，以及多业务系统交织在一起，这让传统的网卡边界就是安全部署点的方法不在适用。流安全不再关注被保护服务器的物理位置，转而关注访问该服务器的数据流。通过对数据流的重新“路由”，保证对数据流的安全清洗，从而实现对服务器的网络保护。在访问控制模型中，有一类流模型，就是针对数据流进行保护的。

为了让大家容易理解基于流安全的云计算安全方案，我编写了这个白皮书，与大家交流。文档挺长，特分成四个部分。

 

 

0.      本方案适用范围：

云计算建设一般分为公有云与私有云，其安全需求是不同，安全防护思路也不相同。

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公有云以阿里云、腾讯云等互联网运营商为代表，独立建设云服务为企业、个人提供云服务。选用这种云服务的用户，多数是对敏感性要求不高的，主要的便宜、快捷。同时，云服务提供商为了降低运营成本，大多采用在开源虚拟化平台上进行二次开发，不仅整个架构平台可以自己重新架构，而且可以增加自己对虚拟机的安全管理，如流量限制，内置安全软件进行安全监控，或者直接进行病毒查杀等等。总之，公有云的安全基本上是由云服务商来管理，用户可以根据自己的需要选择，若是有些敏感的信息，可以选择桌面的加密软件。

私有云的情况则不同，因为私有云的建设者，大多数技术力量不是很强，没有自行开发、运维虚拟化平台的能力，选择采用第三方的、较为成熟的云计算管理平台是常见的，用户则更关心自己的新业务开发。采用私有云方式的用户，一般其IT设施较多，业务对网络要求较高，多数有自己的城域网，有些还有专用的广域网，在安全上一般应该满足等级保护的国家要求。为了提高IT设备的利用率，加强对业务支持的灵活性，选用资源虚拟化管理，或者之间迁移到云服务平台。如政府、军队、央企、科研机构等，

本文主要是针对私有云，并且是在一个虚拟化池中不只是运行一种业务的场景，提出的云计算安全解决方案设计思路，不仅适合针对每个业务系统提供单独安全保障的需求，而且适合不同虚拟化管理平台的统一安全管理。

 

一、云计算其实是所有软件人的“梦”

 

1、云计算是一种新的IT服务模式体验

能够不受计算机处理能力的限制，能够有取之不尽的内存与外存空间，这对于每一个软件编程人员来说，无疑具有巨大的诱惑力。为了提高处理速度而绞尽脑汁设计的精巧算法，为了节省内存而反复优化的代码…而真正实现业务系统的逻辑、管理往往沦为“不重要的”。以至于很多人认为：计算机编程高手就意味着精于编程技巧，而应用系统开发只是软件工程，我们常说的“码农”。

云计算技术的出现让这个问题成为历史，增加处理能力，就是增加几个CPU，动态添加内存都不再是障碍，甚至已经出现了内存数据库，空间还是问题吗？因为云计算的特点之一是具有弹性的处理能力。

对于计算机的用户，能够随时随地接入主机系统，忙碌的办公室、温馨安逸的家、旅途中的宾馆、休假时的海滨，甚至行驶的汽车上、飞机上、轮船上…随时交流通信、随时编写方案、随时设计蓝图、随时项目审批、随时网上冲浪……云计算让这些梦想变成了可能，因为云计算还有一个显著特点：随时随地接入网络。

当然，得到如此“梦想”的服务，不只是高端富豪才能享用的，就像“自来水”一样，价格便宜，使用多少就付多少钱。可度量的、按需的服务是云计算的另一大特点。

以上是美国NIST定义云计算五大特点中的三个，这已经足够吸引所有计算机人士的眼球的了。因此，2013年还有很多专家称云计算落地还有待时日，到了2014年，政府与企业的IT建设立项不与云沾边的已经很少了，2015年一开始，一窝蜂似的涌出很多的云计算项目要落地实施。其实我们回想一下，这几年，我们身边基于云计算的服务与新应用：即时通信、社交网络、搜索引擎、电子政务、智慧城市、电商购物、影视媒体、大型游戏、安全态势分析、领导决策支持…

 

2、了解一下云计算的体系结构

云计算是一种新技术，也是一种新型的IT服务模式。你知道吗？支持云计算服务商的后台基础技术其实是资源管理的虚拟化技术。我们先看一下云计算的系统结构：

与传统IT架构不同的地方，是在IT基础设施与系统软件(操作系统)之间增加个一个虚拟化管理层，业务系统“看到”到不再是物理服务器，而是虚拟机(VM)。

正是因为对数据中心的IT基础实施采用了虚拟化管理技术，虚拟计算机可以动态调整CPU的个数、内存的大小，所以云计算才能够提供弹性的服务能力。按照用户业务运行的实际需求，动态分配处理能力给每个用户，这就是服务器虚拟化管理的核心之一。当然你需要的服务能力不能超过所有硬件服务器服务能力的总和。

这种虚拟化管理平台软件不同于传统的计算机操作系统，目前比较流行的有：VmWare、KVM、Xen、Hyper-V等，其他管理平台多是在KVM、Xen等开源平台上继续开发出来的。

服务器虚拟化技术的核心是生成与管理虚拟机(VM)，不同平台技术上有差异，但大体思路是一致的。我们看一下VMWare平台的虚拟机架构：

Xen平台的虚拟机架构类似，但有个0号控制虚拟机：

虚拟机最基本的组成是CPU、内存、网卡、磁盘(外存)，其他虚拟硬件按需添加，如光驱、软件、USB等。多个虚拟机共享一个物理服务器的硬件资源，对于多用户、多进程的操作系统来说这也不是什么难的事情，但如何将两个虚拟机安全隔离就是管理上关注的事情了。两个应用软件“跑”在一起，还有兼容问题呢，何况是两个虚拟机？用户使用虚拟机，对他来说，应该是一台“独立的”计算机，若他知道还有人与他一起“合租”，邻里关系不能熟视无睹吧。如何做到让用户感觉是跟自己的是一样的呢？

 

3、了解虚拟化技术

在一个服务器内实现多个虚拟机共享技术是第一步，要想真正支持弹性服务能力，没有上限的，就一定要突破多台服务器的联合技术，整体的服务能力才有增大。

从早先的双机热备，到服务器集群，再到网格计算，人们在把多台设备虚拟到一起的道路上，探索了很长的一段时间。目前流行的实现服务器虚拟化技术有如下两种模式：

• 负载控制+“一虚多”：先建立一个总服务台，进行并行管理。把一个任务分成多个子任务，每个任务申请一个VM，最后处理的结果再返回用户。保证子任务对服务能力的需求不超过单个物理服务器。比如Google、百度的搜索服务，把搜索分成不同类别、资源的子搜索，搜索的时间才会到人满意的程度；

• “多虚一”+“一虚多”：把多个物理设备虚拟成一个大的设备，成为一个很大处理能力的“巨型机”，再按需分给每个用户。这是资源虚拟化的理想方式，真正做到了用户申请的VM不受物理服务器的限制，不关心处理能力的承受问题。

    不论是哪种虚拟化技术，目的都是在物理硬件与用户需求计算机之间建立一个虚拟层，由这个虚拟管理层负责把用户任务分配给具体的硬件资源，用户“看到的”是虚拟CPU、虚拟内存…既然硬件都是虚拟的，当然其大小就可以由虚拟管理者动态调整。管理虚拟层一方面要管理下层具体的硬件，驱动它们最大效率地工作，一方面要针对每个虚拟机提供出虚拟的硬件接口，让虚拟机的操作系统“正常”调用硬件资源工作。

 

4、虚拟网络的“诞生”

计算机是通过网卡连接网络与外界互联的，所以，传统的网络边界节点就是网卡，网卡收发的是网络TCP/IP协议的数据包，支持的网络路由交换协议。网卡是服务器与网络互通的必经路径点。连接网卡的网线就是通过网络进入服务器的“唯一”大门(直接到服务器控制端或串口接入控制端，需要接近物理设备，属于物理安全与运维管理范畴，这里不讨论)，传统的网络安全措施，部署在网卡的前面，是最佳的防护位置。

虚拟机(VM)的产生让网络有了不同，每个VM也都有自己的虚拟网卡，这些虚拟网卡需要一个虚拟交换机将他们“连接”起来，再通过上行链路(服务器的物理网卡)连接到外边的网络上。

这个虚拟处理来的交换机，并不是把物理网卡与虚拟网卡简单的分时镜像，因为两个VM之间也会通信，这是的流量就无需到物理网卡去“兜一圈”了，通过虚拟交换机就可以进行“转发”，实际上是物理服务器的内存里搬移个地方，但是虚拟交换机应该与物理交换机一样支持TCP/IP各种交换协议。每个VM都有自己独立的IP地址(可以通过NAT技术对外界只有一个IP)。逻辑网卡的功能与物理网卡应该一样，同样处理TCP/IP的协议栈。

有了虚拟网卡、虚拟交换机，虚拟网络就诞生了。在云计算架构里，网络概念发生了延伸，对网络的理解从传统的网络边界---网卡，延伸到服务器的内部---VM的虚拟网卡。

 

5、虚拟机不仅仅是虚拟的

VM与物理计算机，用户使用起来是没有差别的。但管理这看来，是不同的。物理计算机是硬件实物，一般来说服务器的物理位置是固定的，要迁移是很麻烦的(涉及到网络IP的规划与路由设计，这里说的是服务器端，不是终端，可以使用动态IP)；VM其实只是一个“文件”，迁移就是一个文件拷贝的操作。因此，采用虚拟化技术最为实惠的一大好处，就是VM可以动态迁移。

虚拟机动态迁移为IT管理带来的优势是显而易见的：

• 没有业务处理时，VM休眠，释放全部的物理资源给其他用户使用；

• 发现VM运行的服务器能力不足时，可以动态迁移几个VM到其他的物理服务器上，在不中断业务的情况下，动态调整服务能力的供给；

• IT系统升级或更新硬件时，先把VM迁移出，升级完后再迁移回来，完全不影响应用服务状态，无需像从前那样，要业务系统退出、数据备份、硬件升级、重装系统、重启业务服务、恢复数据、同步操作等等；

• 系统容灾变得简单易行。以往是建设备份机房，投资大，平时也用不上；有了动态迁移技术，可以在两地机房建立一体的虚拟化池，在一地出现大灾难时，业务自动将业务VM迁移到另一地的机房服务器中，自动实现系统容灾。近几年，传统设计的两地三中心(同城备份、异地容灾)IT基础架构，已经被“双活”、“多活”数据中心的架构所代替，核心就是采用虚拟化的迁移技术；

• 快速重启备份系统。业务系统有Bug，系统逻辑宕机，要尽快恢复业务是所有IT管理者都需要的。传统采用双机热备或冷备机方式，重启硬件的时间是不可缺少的。有了虚拟化技术，可以建立不同时间段VM的动态文件镜像，发现宕机，立即启动备份VM，无论是恢复时间，还是最小损失窗口都有大幅度地提升；

 

VM动态迁移，带来的直接问题，就是IP管理。用户访问服务器是通过URL，再定位到IP地址，所以VM如何迁移，其IP地址应该是不变的。传统数据中心采用三层网络结构(接入、汇聚、核心)，不同业务系统划分VLAN进行隔离，保障业务边界安全，VLAN之间的通信是通过三层路由网关转发。现在VM动态迁移，不知道在哪个物理服务器中，甚至到了异地数据中心的服务器里，三层路由在哪里做合适呢？若大家都放在一个二层VLAN里，好像又不安全，广播包太多也是问题。这就是目前很多数据中心采用“大二层”网络架构的原因所在。简单地理解大二层，就是大家可以在一个网段，又可以做一些逻辑域，一个VLAN的设备还在一个广播域，跨设备的VLAN之间建立“通道”，保障它们是一个逻辑的整体。

 

 

6、云计算让网络迈向一个新的时代

云计算采用了资源虚拟化，把物理网络从传统的物理网卡，延伸到物理服务器的“内部”，虚拟机的虚拟网卡上。VM的动态迁移，让我们对“设备”的管理，从物理的改变为逻辑的。

一方面，开发者不再关心服务器的处理能力；另一方面，用户也不再关心自己业务服务器在什么地方。传统的网络是七层架构，现在网络层上，“生出”一个“逻辑网络层”，虚拟化了服务器的计算资源，也虚拟化了网络资源。

采用了虚拟化技术，IT管理者已经无法像以前一样把某个业务系统与物理的服务器、存储、网络设备相对应，他们看到的只是某个业务系统访问的信息流，业务系统的虚拟网络拓扑。

传统的网络管理统治时代即将过去，面向对业务信息流的管理时代即将开启。

<下部分将介绍业界提供的云计算安全方案，并对其优缺点进行分析......>

本文转自 zhaisj 51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/zhaisj/1656071，如需转载请自行联系原作者