云計算安全總體框架與關(guān)鍵技術(shù)研究

　　云計算已經(jīng)成為當(dāng)前IT 界關(guān)注的熱點話題，但云計算的發(fā)展也面臨許多關(guān)鍵性問題，而安全問題首當(dāng)其沖，并且隨著云計算的不斷普及，其重要性呈現(xiàn)逐步上升趨勢，已成為制約云計算發(fā)展的核心因素。因此，對云計算的安全進行系統(tǒng)研究顯得迫切而重要。

　　1.云計算的概念與總體框架

　　1.1 云計算的概念

　　目前，業(yè)界對云計算的理解并不一致。簡單地講，可以從技術(shù)和運營服務(wù)兩個層面來理解其含義：

　　1）從技術(shù)層面看

　　云計算并不是一項技術(shù)，而是代表一系列計算方式發(fā)展趨勢的綜合概念，是并行計算（parallel computing） 、分布式計算（distributed computing） 和網(wǎng)格計算（grid computing）的發(fā)展。事實上，云計算不是指一項獨立的技術(shù)，而是在從C/S 結(jié)構(gòu)、分布式計算到網(wǎng)格計算、效用計算、SaaS 的計算方式發(fā)展大趨勢下，一系列包括虛擬化、按需服務(wù)在內(nèi)的概念總和。

　　2）從運營層面看

　　云計算提供了按需租用計算能力的服務(wù)，對于外部使用者來說，這種服務(wù)就像天上的云一樣透明，不需要考慮其背后的實現(xiàn)細節(jié)，從而可以專注于自身業(yè)務(wù)，有利于創(chuàng)新及節(jié)約成本。對整個行業(yè)來說，這是一次革命性的創(chuàng)新?？梢哉f，云計算不僅僅是技術(shù)的進一步發(fā)展，更是一種業(yè)務(wù)模式的創(chuàng)新。如果用一個簡單的公式來表達云計算，就是：

　　云計算 =（基礎(chǔ)設(shè)施+ 平臺+ 軟件+ 數(shù)據(jù)）* 服務(wù)（1）其中，基礎(chǔ)設(shè)施、平臺、軟件、數(shù)據(jù)可以理解為云計算的技術(shù)層面。但僅有技術(shù)是不夠的，還要具備良好的服務(wù)，兩者是相乘的關(guān)系。即在同等技術(shù)條件下，服務(wù)越好，云計算的價值就越大。

　　1.2 云計算總體框架

　　云計算的總體框架如圖1 所示。

圖1 云計算總體框架圖

　　從圖1 可看出，云計算是一個復(fù)雜的體系，可以從以下幾個層面來論述。

　　1）從基礎(chǔ)技術(shù)角度看，云計算是一系列技術(shù)的總和，這一點從公式（1）可看出。

　　2）從性能上看，云計算有以下5 大特點：

　　（1）按需自助服務(wù)。消費者可按需方便地獲得計算資源。

　?。?）泛在的網(wǎng)絡(luò)訪問?？赏ㄟ^各種網(wǎng)絡(luò)渠道，以標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的機制獲取服務(wù)。

　　（3）動態(tài)資源池。資源可以被整合為一個動態(tài)資源池，以多租戶模式服務(wù)所有客戶并動態(tài)分配。

　?。?）快速伸縮性?？梢匝杆?、彈性地提高服務(wù)，既能快速擴展，也能快速釋放資源。

　　（5）可計量的服務(wù)。服務(wù)收費可以是基于計量的一次一付，也可以針對不同服務(wù)需求計量和定價。

　　3）從服務(wù)模式看，云計算包含如下3 種模式：

　?。?）基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)（IaaS）。消費者通過Internet 可以從完善的計算機基礎(chǔ)設(shè)施獲得服務(wù)。IaaS 通過網(wǎng)絡(luò)向用戶提供計算機（物理機和虛擬機）、存儲空間、網(wǎng)絡(luò)連接、負載均衡和防火墻等基本計算資源；用戶在此基礎(chǔ)上部署和運行各種軟件，包括操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。

　　（2）平臺即服務(wù)（PaaS）。將軟件的開發(fā)、測試和部署平臺作為一種服務(wù)提供給客戶。PaaS 平臺通常包括操作系統(tǒng)、編程語言的運行環(huán)境，數(shù)據(jù)庫和 Web 服務(wù)器，用戶在此平臺上部署和運行自己的應(yīng)用。

　?。?）軟件即服務(wù)（SaaS）。即通過Internet 提供軟件，用戶無需購買軟件，而是向服務(wù)商租用基于Web 的軟件，以管理企業(yè)的經(jīng)營活動。

　　4）從部署模式看，云計算可以分為以下3 種模式：

　　（1）公有云。是由獨立的第三方建設(shè)并運行，由若干企業(yè)和用戶共享使用的云環(huán)境。

　　（2）私有云。為某一客戶單獨構(gòu)建和使用的云環(huán)境，該客戶擁有基礎(chǔ)設(shè)施，并可以控制在此基礎(chǔ)設(shè)施上部署應(yīng)用程序的方式。

　?。?）混合云。把公用云模式與私有云模式結(jié)合在一起的云環(huán)境。混合云有助于提供按需的、外部供應(yīng)的擴展服務(wù)?？梢?，云計算是一個復(fù)雜的體系，既是一系列IT 技術(shù)的融合，又包含多種服務(wù)模式。

　　2.云計算安全總體框架

　　作為一項新生事物，云計算的推廣遇到諸多困難，其中遇到的最大挑戰(zhàn)是用戶對安全問題的擔(dān)憂。Gartner、IDC 等專業(yè)機構(gòu)的調(diào)研也表明，安全問題已成為阻礙云計算推廣的最大障礙。鑒于云計算的復(fù)雜性，它的安全問題也應(yīng)該是一個涵蓋技術(shù)、管理，甚至法律、法規(guī)的綜合體。

　　根據(jù)云計算平臺的特點，構(gòu)建了如圖2 所示的云計算安全總體框架：

圖2 云計算安全總體框架

　　下面概要介紹該框架中每部分的含義。

　　2.1 云計算安全政策、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)

　　傳統(tǒng)的安全技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)多年，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、法律、法規(guī)也都相對成熟，但現(xiàn)在的云計算安全缺少標(biāo)準(zhǔn)，政策、法規(guī)也不健全。再加上云計算自身的特點，數(shù)據(jù)可以存儲在世界上任何一個國家，當(dāng)出現(xiàn)問題時，國家政策的不同也是云計算安全的一個重大挑戰(zhàn)。

　　標(biāo)準(zhǔn)化是云計算安全發(fā)展的重要措施之一，但目前云計算安全研究還處于起步階段。國際上研究主力包括云安全聯(lián)盟（CSA）、國際電聯(lián)（ITU）、IEEE 等組織，國內(nèi)有中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會（CCSA）、中國云計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（CCCTIA）等組織，但這些組織的研究也都處于進行中，尚未形成獲得一致認可的安全技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.2 IaaS層的安全風(fēng)險與措施

　　IaaS 層處于云計算平臺的最底層，為上層云應(yīng)用提供安全數(shù)據(jù)存儲、計算等 IT 資源服務(wù)，是整個云計算體系安全的基石。IaaS 平臺既有傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的安全特性，更面臨自身特有的安全風(fēng)險。

　　一方面，IaaS 平臺沿襲傳統(tǒng)計算中心面臨的安全問題，要采取全面、嚴密的安全措施。例如，在物理層考慮廠房安全；在存儲層考慮數(shù)據(jù)加密、備份、歸檔、災(zāi)難恢復(fù)等；在網(wǎng)絡(luò)層考慮DDoS 攻擊、數(shù)據(jù)傳輸機密性等；在數(shù)據(jù)層考慮數(shù)據(jù)庫安全、數(shù)據(jù)的隱私性與訪問控制等；在應(yīng)用層考慮程序完整性檢驗、訪問控制與漏洞管理等。

　　另一方面，IaaS 平臺大量采用虛擬化技術(shù)，包括虛擬服務(wù)器、虛擬存儲、虛擬網(wǎng)絡(luò)，甚至虛擬交換機等，虛擬化安全成為其面臨的最大安全風(fēng)險。虛擬化安全綜合起來可以歸結(jié)為以下兩個方面：

　　1）虛擬化軟件安全

　　該軟件層直接部署于裸機之上，提供能夠創(chuàng)建、運行和銷毀虛擬服務(wù)器的服務(wù)。云服務(wù)提供商應(yīng)建立必要的安全控制措施，限制對于Hypervisor 和其他形式的虛擬化層次的物理和邏輯訪問。在laaS 服務(wù)中，用戶不能接入虛擬化軟件層，該層由云服務(wù)提供商來操作、管理。

　　2） 虛擬服務(wù)器安全

　　虛擬服務(wù)器或客戶端面臨著許多主機安全威脅，包括接入和管理主機的密鑰被盜、在脆弱的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)端口偵聽、劫持未采取合適安全措施的賬戶等。這就需要采取以下措施：

　?。?）選擇具有TPM （ 可信計算平臺模塊）的虛擬服務(wù)器。

　　（2）安裝時為每臺虛擬服務(wù)器分配一個獨立的硬盤分區(qū)，以便進行邏輯隔離。

　?。?）每臺虛擬服務(wù)器應(yīng)采用VLAN 和不同IP 網(wǎng)段的方式進行邏輯隔離，需要通信的虛擬服務(wù)器間的網(wǎng)絡(luò)連接采用VPN 進行。

　?。?）進行有計劃的備份，包括完整、增量或差量備份方式。

　　2.3 PaaS層的安全風(fēng)險與措施

　　PaaS 層處于云計算平臺的中間，它既依靠IaaS 平臺提供的基礎(chǔ)資源，又為上層SaaS 提供應(yīng)用平臺，起到了承上啟下的作用。

　　PaaS 的核心技術(shù)是分布式處理，主要解決云計算數(shù)據(jù)中心大規(guī)模服務(wù)器群的協(xié)同工作。要提供PaaS 云計算服務(wù)，首先要在云計算數(shù)據(jù)中心架設(shè)分布式處理平臺，包括分布式文件系統(tǒng)、分布式計算、分布式數(shù)據(jù)庫等；其次，要對分布式處理平臺進行封裝，包括提供開發(fā)環(huán)境（SDK）、API 接口和代碼庫等。因此，對PaaS 層來說，面臨的安全威脅主要包括：

　　1）分布式文件和數(shù)據(jù)庫安全

　　基于云計算數(shù)據(jù)中心的分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)建在大規(guī)模的廉價服務(wù)器集群上，從而面臨諸多挑戰(zhàn)。

　?。?）服務(wù)器的失效現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，需要解決系統(tǒng)的容錯問題。

　　（2）服務(wù)器增減頻繁，需要解決動態(tài)擴展問題。

　　（3）需要提供海量數(shù)據(jù)的存儲和快速檢索、讀取能力。

　?。?）多用戶同時訪問，需要解決并發(fā)控制和存取效率等問題。

　　為了提升分布式文件系統(tǒng)的可靠性，目前的基本做法是采取冗余存儲的方式來解決，每份文件或數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中保存多個備份。冗余存儲解決了數(shù)據(jù)的可靠性問題，但也帶來了一致性問題，因為文件或數(shù)據(jù)存儲在多個不同的節(jié)點中，對文件或數(shù)據(jù)進行修改時必須確保對所有副本都進行了修改，這就需要分布式同步機制對并發(fā)操作進行控制。這些技術(shù)的復(fù)雜性都給數(shù)據(jù)的可靠和安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。

　　2）用戶接口和應(yīng)用安全

　　對于PaaS 服務(wù)來說，來自客戶端的代碼可能是惡意的。如果PaaS 層暴露過多接口，可能會給攻擊者帶來機會，如搶占CPU 時間、內(nèi)存空間和其他資源，也可能攻擊其他用戶，甚至?xí)舻讓悠脚_等。因此，如何檢驗用戶代碼的可靠性是PaaS 提供商面臨的又一個巨大挑戰(zhàn)。

　　用戶基于PaaS 平臺開發(fā)的軟件最終也會部署在該平臺上，PaaS 提供商需要保證程序的可靠運行，尤其是保證不同應(yīng)用之間的相互隔離。這點與在SaaS 模式下遇到的挑戰(zhàn)是相同的。另外，從技術(shù)上看，目前PaaS 對底層資源的調(diào)度和分配采用“盡力而為”的機制，如果一個平臺上運行多個應(yīng)用，就會存在資源分配、優(yōu)先級配置等問題。要解決這些問題，需要借助IaaS 層的虛擬化機制來實現(xiàn)多個應(yīng)用的資源調(diào)配和SLA 等。

　　2.4 SaaS層的安全風(fēng)險與措施

　　傳統(tǒng)的軟件都部署在客戶自己或租用的數(shù)據(jù)中心內(nèi)，服務(wù)于特定的用戶，其安全控制相對簡單。但在SaaS 模式下，成千上萬的用戶共享同一軟件平臺，如何保證這些客戶之間的數(shù)據(jù)、應(yīng)用安全是一個巨大挑戰(zhàn)。目前解決這一難題主要是采用多租戶技術(shù)，多租戶技術(shù)使得大量用戶共享統(tǒng)一軟件資源，每個用戶按需使用資源。多租戶技術(shù)能夠?qū)浖?wù)進行客戶化配置，而不會影響其他用戶的使用。多租戶技術(shù)是解決SaaS 模式安全問題的主要措施，但這一技術(shù)也存在數(shù)據(jù)隔離、客戶化配置、架構(gòu)拓展、性能定制等諸多不足和挑戰(zhàn)。

　　1）數(shù)據(jù)隔離。數(shù)據(jù)隔離是指多個租戶在使用同一個SaaS系統(tǒng)時，不同租戶之間的數(shù)據(jù)是隔離存儲的，數(shù)據(jù)處理不會相互干擾。要實現(xiàn)多租戶之間的數(shù)據(jù)隔離，目前有3 種技術(shù)：

　?。?）為每一個租戶提供一個單獨的數(shù)據(jù)庫，優(yōu)點是可以保證不同租戶之間的數(shù)據(jù)充分隔離，缺點是成本和開銷都比較大。（2）將多個租戶的數(shù)據(jù)保存在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，但采用不同的模式，這樣做在一定程度上減少了數(shù)據(jù)庫的成本和操作難度，但也影響了數(shù)據(jù)隔離的效果和安全性。（3）將多個租戶的數(shù)據(jù)存儲在同一個數(shù)據(jù)庫的同一張數(shù)據(jù)表中，通過租戶的標(biāo)識字段來區(qū)分，這樣做成本最低，但安全性和隔離性最差。

　　2）客戶化配置?？蛻艋渲檬侵窼aaS 應(yīng)用支持不同租戶對同一平臺進行個性化定制。傳統(tǒng)模式下，每一個用戶都擁有一個自主的應(yīng)用實例，可以自由進行定制化開發(fā)。但在多租戶形勢下，成千上萬的租戶共享一個應(yīng)用實例，某一個租戶對應(yīng)用的更改通常會對該平臺中的所有租戶產(chǎn)生影響。因此，如何支持不同用戶對同一實例的獨立客戶化配置是SaaS 模式面對的一個安全挑戰(zhàn)。

　　除上述安全風(fēng)險外，多租戶技術(shù)還存在架構(gòu)拓展、性能定制等安全挑戰(zhàn)。為了解決這些難題，有人建議采用虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)已經(jīng)比較成熟，多租戶技術(shù)還處于發(fā)展階段，面對大量用戶使用統(tǒng)一應(yīng)用時，如果把每一個用戶的應(yīng)用都做成一個單獨的虛擬機，就可能需要成千上萬的虛擬機，其管理難度和復(fù)雜性都會大大增加，其中還有大量的課題需要研究。

　　2.5 通用安全措施

　　云安全服務(wù)屬于云基礎(chǔ)軟件服務(wù)層，為各類云應(yīng)用提供共性信息安全服務(wù)，是確保云應(yīng)用滿足用戶安全目標(biāo)的重要手段。其中比較典型的幾類云安全服務(wù)包括加密與密鑰管理、身份識別與訪問控制、災(zāi)備與業(yè)務(wù)連續(xù)性、數(shù)據(jù)隔離技術(shù)、虛擬化安全技術(shù)、云安全測評機制與審計機制等，這些技術(shù)對云計算的幾種模式都會產(chǎn)生影響，我們在第3 部分將重點分析其中的幾大關(guān)鍵技術(shù)。

　　3.云計算安全的關(guān)鍵技術(shù)

　　如上所述，雖然云計算各層的安全風(fēng)險各異，采取的安全技術(shù)和措施也不盡相同，但有幾大技術(shù)卻是有共性的，它們是云計算環(huán)境下最重要的幾大關(guān)鍵技術(shù)，值得我們深入研究。

　　3.1 虛擬化安全技術(shù)

　　虛擬化是云計算的核心技術(shù)之一，虛擬化技術(shù)的采用加快了傳統(tǒng)應(yīng)用部署的速度，提高了應(yīng)用的兼容性和服務(wù)的可用性，同時降低了能源消耗。與此同時，虛擬化自身也存在諸多風(fēng)險和威脅。因此，虛擬化安全成為云計算不得不考慮的重要安全威脅之一。目前使用的虛擬化安全措施包括虛擬機可信平臺、虛擬機隔離、虛擬機信息流控制、虛擬機監(jiān)控、虛擬網(wǎng)絡(luò)接入控制等。虛擬化安全技術(shù)大多已經(jīng)比較成熟，但仍有部分需要進一步驗證和改進。

　　3.2 數(shù)據(jù)安全

　　云計算環(huán)境下的數(shù)據(jù)安全是客戶最為關(guān)注的問題。云計算數(shù)據(jù)生命周期不同階段的安全挑戰(zhàn)包括：

　　1）數(shù)據(jù)存放位置。必須保證所有數(shù)據(jù)（包括所有副本和備份）存儲在合同、服務(wù)水平協(xié)議和法規(guī)允許的地理位置。

　　2）不同客戶數(shù)據(jù)的混合。數(shù)據(jù)尤其是保密、敏感數(shù)據(jù)不能在使用、存儲或傳輸過程中，在沒有任何補償控制的情況下與其他客戶數(shù)據(jù)混合。數(shù)據(jù)的混合將在數(shù)據(jù)安全和地理位置等方面增加安全挑戰(zhàn)。

　　3）數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)重建計劃。必須保證數(shù)據(jù)可用，云數(shù)據(jù)備份和云恢復(fù)計劃必須到位和有效，以防止數(shù)據(jù)丟失、意外數(shù)據(jù)覆蓋和破壞。

　　4）數(shù)據(jù)刪除或持久性。必須具備一種可信技術(shù)保證全面和有效地定位云計算數(shù)據(jù)、擦除和銷毀數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)已被完全消除或無法恢復(fù)。

　　針對數(shù)據(jù)安全的解決方案通常是采取數(shù)據(jù)隔離、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)切分、數(shù)據(jù)屏蔽、數(shù)據(jù)刪除技術(shù)[5].但怎樣做好數(shù)據(jù)的隔離和保密仍然是一個很大的問題，這些技術(shù)在云計算平臺下如何發(fā)揮作用，是否像在傳統(tǒng)環(huán)境下那樣有效仍然有待進一步研究。

　　3.3 云資源訪問控制

　　在云計算環(huán)境中，各個云應(yīng)用屬于不同的安全管理域，每個安全域都管理著本地資源和用戶。當(dāng)用戶跨域訪問資源時，需在域邊界設(shè)置認證服務(wù)，對訪問共享資源的用戶進行統(tǒng)一的身份認證管理。

　　傳統(tǒng)模式下的身份認證和訪問管理技術(shù)已經(jīng)比較成熟，云計算模式下服務(wù)商（IaaS、PaaS、SaaS）所支持的標(biāo)準(zhǔn)并不健全，難以滿足企業(yè)對監(jiān)測管理、隱私性和數(shù)據(jù)保護的需求。表1 顯示了云計算幾種運營模式下訪問控制技術(shù)的成熟度。

表1 云計算模式下訪問控制技術(shù)成熟度

　　由此可見，云計算環(huán)境下的身份認證和訪問管理從理論和技術(shù)上都還存在很多不足，都需要更深入的研究和探索。

　　4.結(jié)束語

　　云計算是當(dāng)前發(fā)展十分迅速的新興產(chǎn)業(yè)，具有廣闊的發(fā)展前景，但同時其所面臨的安全技術(shù)挑戰(zhàn)也是前所未有的，需要IT 領(lǐng)域和信息安全領(lǐng)域的研究者共同尋找解決之道。本文在此方面做了一些初步探索，仍有大量課題有待于我們深入研究。

來源：CIO時代網(wǎng)

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