Giải pháp đảm bảo an toàn ảo hóa trong điện toán đám mây

Đảm bảo tính toán an toàn dựa trên Mô-đun nền tảng tin cậy (Trusted platform module - TPM), một thiết bị phần cứng hoạt động như một bộ đồng xử lý mã hóa để hỗ trợ tăng tốc thuật toán mã hóa, niêm phong dữ liệu, khởi động an toàn và chứng thực. Từ góc độ đám mây, Mô-đun nền tảng tin cậy ảo (Virtualizing the trusted platform module - vTPM) được phát triển bởi Wang và cộng sự [1]. Nhóm này đã phát triển mô hình vTPM đảm bảo an toàn trong điện toán đám mây, cung cấp các chức năng lưu trữ an toàn và mật mã của TPM cho các hệ điều hành và ứng dụng chạy trên máy ảo. Trong vTPM, có các phiên bản vTPM được liên kết với các máy ảo riêng lẻ và trình quản lý vTPM để khởi tạo các vTPM và ghép các yêu cầu đến từ các máy ảo. Kiến trúc vTPM được trình bày như trong Hình 1.

 

Hiện nay, IntelX Software Guard eXtensions (SGX) cung cấp giải pháp mã hóa bộ nhớ dựa trên phần cứng, để cung cấp bảo mật và tính toàn vẹn của các ứng dụng đám mây (Hình 2). SGX cho phép cách ly mã ứng dụng và dữ liệu cụ thể trong bộ nhớ, được gọi là bao vây.

 

 

a) Lab environment: One-Time Reference Measurements; b) Cloud Environment: Run-time Checking of Guest VMs.

 

Cách tiếp cận đơn giản nhất để bảo vệ máy ảo khách là cho phép phần mềm giám sát máy ảo biết hệ điều hành của máy ảo khách để nó có thể giám sát và phân tích các hoạt động trên máy ảo khách. Tuy nhiên, điều này có thể không khả thi luôn vì nhà cung cấp có thể không nhận được các chi tiết máy ảo khách từ người dùng. Christodorescu và cộng sự [2] đề xuất một kiến ​​trúc trong Hình 3. Theo cách tiếp cận này, máy ảo khách nằm trên phần mềm giám sát máy ảo đáng tin cậy thu thập dữ liệu cho sự tương tác giữa máy ảo và trình giám sát máy ảo. Trình giám sát máy ảo gửi dữ liệu được thu thập đến máy ảo an toàn được thiết kế đặc biệt khác để theo dõi và phân tích.

 

 

Mirage [3], một hệ thống quản lý hình ảnh máy ảo, đề xuất bốn biện pháp bảo vệ hình ảnh máy ảo:

 

Khung kiểm soát truy cập: quản lý việc chia sẻ hình ảnh máy ảo. Điều này làm giảm rủi ro của nhà cung cấp truy cập trái phép vào hình ảnh.

 

Bộ lọc hình ảnh máy ảo: áp dụng cho hình ảnh máy ảo tại thời điểm cung cấp và truy xuất thời gian để loại bỏ thông tin không mong muốn trong hình ảnh máy ảo. Thông tin không mong muốn có thể là thông tin riêng tư cho người dùng, chẳng hạn như mật khẩu, mã độc, phần mềm độc hại, phần mềm bất hợp pháp và phần mềm lậu. Bộ lọc giải quyết các rủi ro bảo mật của cả ba bên tham gia. Các bộ lọc làm giảm rủi ro của nhà cung cấp khi vô tình tiết lộ thông tin cá nhân, nguy cơ người truy nhập sử dụng nội dung bất hợp pháp, giảm thiểu rủi ro của quản trị viên về việc chịu trách nhiệm lưu trữ nội dung đó.

 

Cơ chế theo dõi xuất xứ: theo dõi lịch sử phái sinh của một hình ảnh và các hoạt động liên quan đã được thực hiện trên hình ảnh (thông qua API kho lưu trữ hình ảnh). Chức năng bảo mật như kiểm toán được xây dựng trên lớp theo dõi xuất xứ. Đồng thời cung cấp bằng chứng, quy trách nhiệm và hạn chế nội dung độc hại hoặc bất hợp pháp, do đó làm giảm rủi ro của quản trị viên về việc lưu trữ hình ảnh có chứa nội dung đó.

 

Dịch vụ bảo trì kho lưu trữ: như quét virus định kỳ của toàn bộ kho lưu trữ, phát hiện và khắc phục các lỗ hổng được phát hiện sau khi hình ảnh được công bố. Dịch vụ này làm giảm rủi ro của người truy xuất khi chạy phần mềm độc hại hoặc bất hợp pháp và giảm rủi ro của người quản trị khi lưu trữ chúng.

 

Hình 4 cho thấy kiến trúc tổng thể của hệ thống quản lý hình ảnh Mirage, bao gồm bốn thành phần chính thực hiện bốn tính năng được trình bày ở trên:

 

(1) Khung kiểm soát truy cập hoạt động để điều chỉnh việc chia sẻ hình ảnh máy ảo;

 

 (2) Bộ lọc hình ảnh máy ảo loại bỏ thông tin không mong muốn khỏi hình ảnh tại thời điểm công bố và khi truy xuất;

 

 (3) Cơ chế theo dõi lịch sử phái sinh của hình ảnh;

 

 (4) Dịch vụ bảo trì kho lưu trữ, chẳng hạn như quét virus định kỳ, phát hiện và vá lỗ hổng được phát hiện sau khi hình ảnh được công bố.

 

 

Di chuyển máy ảo qua các máy chủ trong một trung tâm dữ liệu ảo hóa giúp quản trị viên quản lý trung tâm dữ liệu hiệu quả, giảm sự gián đoạn dịch vụ. Tuy nhiên, vận chuyển số lượng lớn bộ nhớ chứa máy ảo dẫn đến làm tăng thời gian di chuyển cũng như thời gian chờ, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất toàn bộ hệ thống. Tình trạng này trở nên tệ hơn khi di chuyển diễn ra trên mạng chậm hoặc di chuyển trong một đám mây, ảnh hưởng tới tính sẵn sàng của hệ thống. Giải quyết những vấn đề này, Sharma [4] đề xuất phương pháp tối ưu hóa ba pha (Three-pharse Optimization - TPO). Phương pháp này hoạt động theo ba giai đoạn như sau:

 

(i)  Giảm chuyển trang bộ nhớ trong giai đoạn đầu;

 

(ii) Giảm chuyển trang trùng lặp bằng cách phân loại trang thường xuyên và không cập nhật thường xuyên;

 

(iii) Giảm dữ liệu được gửi sau cùng lặp lại di chuyển bằng cách áp dụng kỹ thuật nén RLE đơn giản.

 

Do đó, mỗi giai đoạn làm giảm đáng kể tổng số trang bộ nhớ được chuyển, giảm tổng thời gian di chuyển và thời gian chết tương ứng. Phương pháp TPO được đề xuất được đánh giá bằng cách sử dụng các khối lượng công việc đại diện khác nhau trên môi trường ảo hóa Xen. Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp TPO giúp giảm tổng số trang được chuyển khoảng 71%, tổng thời gian di chuyển khoảng 70%, thời gian ngừng hoạt động khoảng 3%, cho khối lượng công việc cao hơn và nó không tăng chi phí đáng kể so với phương pháp phân tích truyền thống.

 

 

Việc sử dụng chung các bộ định tuyến và các thiết bị mạng khác cùng với các kênh liên lạc được chia sẻ dẫn đến vấn đề an toàn, bảo mật truyền thông ảo và cộng đồng nghiên cứu đã đề xuất các biện pháp để giải quyết vấn đề. Wu và cộng sự [5] đề xuất một khung mạng ảo bao gồm ba lớp: lớp định tuyến, tường lửa và mạng chia sẻ để ngăn máy ảo dò tìm và giả mạo. Họ đã thử nghiệm khung này cho Xen trong hai cấu hình chế độ bridging và routing. Họ sử dụng mạng con (subnet) để cung cấp bảo mật chống lại việc tiết lộ thông tin trái phép.  Trong khi đó, Klymash và cộng sự [6] đề xuất ảo hóa mạng tăng cường bảo mật trong trung tâm dữ liệu dựa trên khái niệm các miền ảo đáng tin cậy (Trusted Virtual Domains - TVDs). TVD cho phép các nhóm máy ảo có liên quan trên các máy chủ riêng biệt được kết nối như thể chúng ở trên cùng một mạng lưới và đảm bảo các yêu cầu bảo mật nhóm chéo như bảo mật, tính toàn vẹn, cô lập và kiểm soát luồng thông tin. Thực hiện TVD bằng cách kết hợp các công nghệ hiện có như gắn thẻ Vlan, đóng gói Ethernet và mạng riêng ảo (VPN).

 

 

Điện toán đám mây được coi là một hệ thống dựa trên tiện ích để cung cấp động các tài nguyên và dịch vụ CNTT. Thông qua ảo hóa, điện toán đám mây đáp ứng nhu cầu về tài nguyên và dịch vụ cho nhiều người dùng cùng một lúc. Để cung cấp theo yêu cầu và cung cấp linh hoạt các tài nguyên và dịch vụ, ảo hóa cần sử dụng hiệu quả các tài nguyên và giải quyết được vấn đề đảm bảo an toàn, bảo mật trong điện toán đám mây bao gồm: đảm bảo tính toán an toàn, an toàn máy ảo và trình giám sát máy ảo, an toàn hình ảnh máy ảo, an toàn di chuyển máy ảo và an toàn, bảo mật truyền thông ảo.