CN103177212A - 一种基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轻量级虚拟机监控器的计算机安全输入***,该***包括支持硬件虚拟化的处理器和可信计算芯片,所述***还包括客户端模块和轻量级虚拟机监控器;其中所述客户端模块是加载到客户操作***中的模块,该模块包括下面的子模块:程序启动监控子模块、轻量级虚拟机监控器加载子模块和操作***I/O代理子模块;和其中所述轻量级虚拟机监控器包括:安全输入模块,程序完整性保护模块、***完整性保护模块和可信芯片管理模块。还公开了一种基于轻量级虚拟机监控器的计算机安全输入方法。
Description
技术领域
本发明属于计算机安全领域,具体涉及一种基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***与方法。
背景技术
随着计算机技术的飞速发展,计算机已经成为人们社交和进行经济活动的主要平台。然而自从计算机问世以来,计算机安全问题就一直伴随着计算机的发展而存在。在利益的驱使下,利用计算机输入的安全漏洞获取他人的私密信息是计算机安全面临的严峻挑战。造成这种情况的一个重要原因是,传统的计算机安全输入的方法与***依赖于操作***作为可信基,对输入信息的处理在操作***的监控下完成,而操作***的代码庞大,漏洞多,输入输出***的安全性得不到保证。
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CN102103671A公开了用于执行安全环境起始指令的***和方法,描述了在微处理器***内启动安全操作的方法和装置。在一个实施方案中,一个启动逻辑处理器通过停止其它逻辑处理器的执行,然后把起始和安全虚拟机监控软件载入存储器,来启动该过程。启动处理器然后把起始软件载入安全存储器进行验证和执行。起始软件然后在安全***操作之前验证和记录安全虚拟机监控软件。
CN101436966 A公开一种虚拟机环境下的网络监控与分析***,其特征在于:它包括位于主机操作***内的网络数据多路复用模块和轻量级虚拟机管理器模块,位于主机操作***之上的虚拟机控制模块和服务虚拟机模块,以及位于主机操作***和服务虚拟机内的I/O访问路径优化模块。
US2006294518 A1披露了具有轻量级虚拟机管理器的虚拟机主机(Virtualmachine(VM)host has lightweight virtual machine manager(LVMM)which iscapable of exposing devices to primary VM and identifies primary VM as VM thatutilizes more resources on VM host than other VMs on VM host)。
计算机虚拟化技术的发展为解决计算机输入的安全问题提供了新的途径,虚拟机架构隔离了软件与硬件、应用软件与底层***之间的直接依赖关系。相比于操作***,虚拟机监控器代码量小、漏洞少。虚拟机监控器能提供比操作***更强的安全隔离,并具有能模拟特殊硬件设备等优点。同时,在虚拟化架构中,虚拟机监控器位于操作***下层,拥有比Ring 0更高的特权级,可以监控操作***的行为。
基于虚拟化技术的优点,本发明提出的一种基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***与方法,能更好的保护计算机输入的安全。
发明内容
针对现有计算机安全输入***与方法中存在的诸多问题,本发明提供了一种基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***与方法,本方法通过动态地加载轻量虚拟机监控器透明地监控操作***的行为来完成输入信息,不需要对计算机操作***和应用程序做任何修改。
本发明***要求主机具有TCPA(Trusted Computing Platform Alliance)的TPM芯片或者符合中国可信密码模块规范的TCM芯片,以及支持硬件虚拟化的处理器(硬件辅助虚拟化处理器)。
本发明的计算机安全输入***由客户端模块和轻量虚拟机监控器(Lightweight Virtual Machine Monitor,下面简称LVMM)两部分构成。
客户端模块包括:程序启动监控子模块、轻量虚拟机监控器(LVMM)加载子模块、操作***I/O代理子模块。
轻量虚拟机监控器包括:安全输入模块、可信芯片管理模块、程序完整性保护模块、***完整性保护模块。
客户端模块在操作***启动时加载到客户操作***的内核,其中程序启动监控子模块接受被保护应用程序的注册,并监控被保护应用程序的启动,在被保护应用程序启动时,调用LVMM加载子模块;LVMM加载子模块调用硬件虚拟化的扩展指令将宿主操作***迁移到轻量虚拟机监控器之上;操作***I/O代理子模块是被保护程序与LVMM的安全输入模块之间传输信息的桥梁,把被保护程序的输入信息从LVMM中传送到被保护程序中。
轻量虚拟机监控器完成输入信息的保护,其中安全输入模块负责接收被保护程序的输入及与操作***I/O代理子模块之间传输信息;可信芯片管理模块按照TPM规范或者TCM规范实现对TPM或TCM安全芯片的访问和管理;程序完整性保护模块负责验证被保护程序的完整性,生成被保护程序的完整性签名,并保护正在运行的程序不被恶意的修改;***完整性保护模块负责验证被保护程序进行输入期间操作***的完整性。
根据本发明的第一个实施方案,提供一种基于轻量级虚拟机监控器的计算机安全输入***,该***包括支持硬件虚拟化的处理器和可信计算芯片,所述***还包括:
客户端模块和轻量级虚拟机监控器;
其中所述客户端模块是加载到客户操作***中的模块,该模块包括下面的子模块:程序启动监控子模块、轻量级虚拟机监控器加载子模块和操作***I/O代理子模块;和
其中所述轻量级虚拟机监控器包括安全输入模块。
优选地,所述程序启动监控子模块接受被保护应用程序的注册,并监控被保护应用程序的启动,在被保护应用程序启动时,(***)调用轻量级虚拟机监控器加载子模块。
优选地,所述轻量级虚拟机监控器加载模块能够调用硬件虚拟化的扩展指令,将宿主操作***迁移到轻量虚拟机监控器之上。
一般来说,所述操作***I/O代理子模块是被保护程序与轻量虚拟机监控器的安全输入模块之间传输信息的桥梁,把被保护程序的输入信息从轻量虚拟机监控器中传送到被保护程序中。
优选地,所述安全输入模块负责接收被保护程序的输入及与操作***I/O代理子模块之间传输信息。
根据优选的实施方案,该***还包括:程序完整性保护模块。所述程序完整性保护模块负责验证被保护程序的完整性,生成被保护程序的完整性签名,并保护正在运行的程序不被恶意的修改。
根据进一步优选的实施方案,该***还包括:***完整性保护模块。所述***完整性保护模块负责验证被保护程序进行输入期间操作***的完整性。
根据再进一步优选的实施方案,该***还包括:可信芯片管理模块。所述可信芯片管理模块按照TPM规范或者TCM规范实现对TPM或TCM安全芯片的访问和管理。
也就是说,以上所述轻量级虚拟机监控器还包括:程序完整性保护模块;或
程序完整性保护模块和***完整性保护模块;或
程序完整性保护模块、***完整性保护模块和可信芯片管理模块。
根据本发明的第二个实施方案,本发明提供一种基于轻量级虚拟机监控器的计算机安全输入方法,所述方法包括以下步骤:
(1)、监控被保护程序的启动,优选的是由加载到客户操作***中的客户端模块中的程序启动监控子模块来监控被保护程序的启动;
(2)、当被保护程序启动时,(例如由计算机安全输入***)加载轻量级虚拟机监控器(LVMM);
(3)、轻量级虚拟机监控器监控客户操作***的I/O操作;
(4)、当监控到被保护程序的输入操作时,被保护程序的输入信息由轻量级虚拟机监控器负责接收;
(5)、(例如轻量级虚拟机监控器)将被保护程序的输入信息传输给被保护程序;或
(5’)、所述的轻量级虚拟机监控器验证被保护程序和/或操作***的完整性,在被保护程序的完整性和/或操作***的完整性通过验证后,(例如轻量级虚拟机监控器)将被保护程序的输入信息传输给被保护程序;
和
(6)、在被保护程序退出后,(例如由计算机安全输入***)撤销轻量级虚拟机监控器;或,优选的是,在被保护程序退出后,轻量级虚拟机监控器(LVMM)先清除被保护程序的所有输入信息,然后(例如由计算机安全输入***)撤销轻量级虚拟机监控器。
以上所述的***是上述方法所专用的。
这里所述的轻量级虚拟机监控器是指为了完成安全输入功能的特定虚拟机监控器,不具备创建多个虚拟机的能力。
需要指出的是,“所述的轻量级虚拟机监控器验证被保护程序和/或操作***的完整性,在被保护程序的完整性和/或操作***的完整性通过验证后,将被保护程序的输入信息传输给被保护程序”包括以下三种方案:a)、所述的轻量级虚拟机监控器验证被保护程序的完整性,在被保护程序的完整性通过验证后,将被保护程序的输入信息传输给被保护程序;b)、所述的轻量级虚拟机监控器验证操作***的完整性,在操作***的完整性通过验证后,将被保护程序的输入信息传输给被保护程序;或c)、所述的轻量级虚拟机监控器验证被保护程序和操作***的完整性,在被保护程序和操作***各自的完整性通过验证后,将被保护程序的输入信息传输给被保护程序。
一般来说,轻量级虚拟机监控器将被保护程序的输入信息传输给被保护程序,是通过在操作***I/O代理的方式实现的。
所述操作***I/O代理的方式是指被保护程序通过操作***I/O代理接受输入设备传输的信息,而操作***I/O代理从轻量级虚拟机监控器中获取输入设备的信息。
优选地,所述的“轻量级虚拟机监控器验证被保护程序的完整性”包括:在被保护程序启动时,验证其代码段的完整性。
进一步优选地,所述的“轻量级虚拟机监控器验证被保护程序的完整性”包括在被保护程序运行时,保护其代码段完整性。
优选,所述的“轻量级虚拟机监控器验证被保护程序的完整性”的操作包括在被保护程序启动时,验证其代码段的完整性;和/或,在被保护程序运行时,保护其代码段完整性。
一般,所述的轻量级虚拟机监控器验证操作***的完整性,是指在将轻量级虚拟机监控器接收的被保护程序输入数据提交给被保护程序时,对操作***核心程序关键代码的完整性进行验证。
一般来说,以上所述的操作***核心程序关键代码依赖于或取决于具体的操作***,是指或主要指能够读写被保护程序内存区域的代码部分。
根据本发明的以上第二个或另外更具体的实施方案,本发明提供基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入方法,该方法包括以下步骤:
1.监控被保护程序的启动,被保护程序启动时,加载轻量级虚拟机监控器(LVMM)。
1.1以上步骤1中的轻量级虚拟机监控器例如是指为了完成安全输入功能的特定虚拟机监控器,而不是为了资源隔离目的,构造多个虚拟机的通用虚拟机监控器。
2.LVMM监控客户操作***的I/O操作,当监控到被保护程序的输入操作,被保护程序的输入信息由LVMM负责接收。
3.LVMM验证被保护程序的完整性和/或操作***的完整性。在被保护程序和/或操作***各自的完整性通过验证后,将被保护程序的输入信息,传输给被保护程序。
3.1步骤3中LVMM验证和保护被保护程序的完整性,包括1)在被保护程序启动时,验证其代码段的完整性;和/或2)在被保护程序运行时,保护其代码段完整性。
3.2步骤3中LVMM验证操作***的完整性,是指在将LVMM接收的被保护程序输入数据提交给被保护程序时,对操作***核心程序关键代码的完整性进行验证。
3.2.1 3.2中操作***核心程序关键代码依赖于具体的操作***,是指或主要指能够读写被保护程序内存区域的代码部分。
3.3 步骤3中LVMM将被保护程序的输入信息传输给被保护程序,是通过在操作***I/O代理的方式来实现的。
3.3.1 操作***I/O代理的方式是指被保护程序通过操作***I/O代理接受输入设备传输的信息。而操作***I/O代理从LVMM中获取输入设备的信息。
4.当被保护程序退出后,LVMM清除被保护程序所有输入信息。
5.撤销轻量级虚拟机监控器。
本发明的目的是利用轻量虚拟机监控器透明地实现计算机输入信息的加、解密,从而提高计算机输入信息的安全性。
同现有的方式相比,本发明的优点有:1、本发明不需要修改原有的客户操作***和应用程序,通过轻量级虚拟机监控器透明地监控操作***的行为来实现输入信息的安全性。2、轻量虚拟机监控器可以在操作***启动后根据需要动态地加载,未加载时不影响***的性能;3、轻量虚拟机监控器位于操作***下层,代码量小、漏洞少使整个***更加安全。
附图说明
图1是基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***结构示意图;
图2是程序动态完整性保护流程图;
图3是基于轻量级虚拟机监控器的安全输入处理流程图。
具体实施方式
为了更清楚的描述本发明的特征和优点,下面结合附图,做详细的说明如下:
在本实施例中,以Intel-VT(Intel Virtualization Technology,即Intel辅助虚拟化技术)和TCM为例,支持Intel—VT硬件辅助虚拟化的处理器引入了两个新的处理器状态:VMX(Virtual Machine Extensions)根模式(Root Mode)和VMX非根模式(Non-Root Mode)。虚拟机监控器(VMM)运行在VMX根模式,客户操作***采用的Linux***。客户操作***从VMX非根模式进入VMX根模式称为虚拟机退出(VM Exit),从VMX根模式进入VMX非根模式称为虚拟机进入(VM Entry),虚拟机的退出和进入由虚拟机控制结构(Virtual MachineControl Structure,VMCS)控制。
基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***结构如图1所示:其中加载到客户操作***中的模块包括:程序启动监控子模块、轻量虚拟机监控器(LVMM)加载子模块、操作***I/O代理子模块。
程序启动监控子模块:在操作***启动时加载到操作***内核,接受应用程序的注册,并由它监视已注册应用程序的启动。当监视模块检测到已注册程序开始启动时,调用LVMM启动模块加载轻量虚拟机监控器,并由轻量虚拟机监控器中的完整性验证模块(静态完整性即程序未运行时的完整性)对被保护程序做哈希操作,并把运算结果保存在TCM中作为程序的完整性签名。
LVMM启动模块:根据需要调用硬件虚拟化的扩展指令动态地将运行中的宿主操作***迁移到轻量虚拟机监控器之上,而无须先启动虚拟机监视器再启动虚拟机中安装的操作***。从而使得轻量虚拟机监控器可以根据需要方便的加载。
具体的,以Intel的启动方式为例加以说明,LVMM启动模块通过设置CR4控制寄存器中相应的控制位来启动VMX模式。在以4-KByte为边界对齐的内存上创建VMXON区域,并通过传递VMXON区域的物理地址执行VMXON指令;执行VMXON指令后,处理器的控制权交给LVMM,然后由LVMM在VMON区域上创建VMCS;接着,LVMM为客户操作***创建影子页表,设置DMA的保护范围;最后,LVMM通过执行VMLAUNCH指令将原有操作***透明的迁移到LVMM上作为客户操作***。从而完成轻量虚拟机监控器(LVMM)的启动。
操作***I/O代理子模块将LVMM中保存的被保护程序的输入信息传递给被保护程序。具体来讲,LVMM加载后,其运行于VMX根态,通过共享内存的方式将被LVMM接收的被保护程序的数据,从位于VMX根态的LVMM传递给位于客户操作***的操作***I/O代理子模块。而操作***I/O代理子模块通过钩子函数在被保护程序从操作***中获取输入信息时,将从LVMM中获取的输入信息传递给被保护程序。
安全输入模块:接收被保护程序从输入设备输入的信息,将这些信息存入LVMM管理的内存区域。具体来讲通过VMCS使操作***的I/O操作产生虚拟机退出,从而检查是否是被保护程序的输入操作,如果是,安全输入模块接收输入信息。
安全芯片管理模块:提供TCM安全芯片的管理和应用程序访问TCM芯片的接口。用于控制TCM中取出程序及操作***的原始的哈希值。
程序完整性验证模块:验证程序的代码完整性,即检验程序是否被其它程序修改,并在被保护程序启动时生成目标程序的完整性签名。用于保护目标程序运行时的完整性,即在被保护程序运行时,保护目标程序的代码和数据不被恶意的修改。
具体的,在检测模块检测到目标程序启动时,加载轻量虚拟机监控器,并由轻量虚拟机监控器中的程序完整性保护模块生成目标程序的完整性签名,保存在TCM中,供以后验证目标程序的完整性时使用。在验证目标程序的完整性时,利用程序静态完整性验证模块对目标程序做哈希操作(本实施例中使用MD5算法),并用得到的哈希(Hash)值和保存在TCM中的完整性签名作对比。若匹配,则目标程序完整,否则程序已被修改,不再完整。
程序动态完整性保护处理流程图如图2所示,在保护的过程中,由程序完整性验证模块检测CR3是否指向受保护进程的页目录基址,如果是,就可以正常操作,容许对目标进程页的内容进行修改,若不是,轻量虚拟机监控器就修改对这些内存页的操作权限,使得其它进程只能读这些页面的内容而不能修改。
***完整性验证模块:用来确保客户操作***(Guest OS)的安全性。具体的,***完整性验证模块周期性的检测客户操作***(Guest OS)核心程序关键代码在内存中映射的完整性,来确定客户操作***(Guest OS)核心程序关键代码的有效性。其中客户操作***(Guest OS)的核心程序包括(键盘驱动和中断处理程序等),客户操作***(Guest OS)的核心数据包括***服务描述表(SSDT),中断描述表(IDT),I/O请求分配表(IRP Request Dispatch)和导入/导出地址表(IAT/EAT)等。
本发明***的信息处理流程具体如附图3所示,该计算机安全输入***的程序启动监控子模块检测到目标程序启动时,加载LVMM。LVMM加载后,通过设置VMCS使,客户操作***的I/o操作产生虚拟机退出,从而检查是否是被保护程序的输入操作。当检测到被保护信息输入时,由安全输入模块接收输入信息,并及时清除缓冲区中的内容。程序完整性保护模块验证目标程序和客户操作***的完整性,若完整,则虚拟机进入,被保护程序的输入信息由操作***I/O代理子模块传输给应用程序,否则关闭目标程序,清除输入信息。其中可信芯片管理模块管理TCM中被保护程序和客户操作***的完整性信息。在目标程序对输入信息进行验证时,由程序完整性保护模块保护目标程序运行时的完整性。在这个过程中,***完整性保护模块周期性的检验***核心程序关键代码在内存中的完整性。
输入信息可以由用户通过敲击键盘产生,或通过触摸屏等其它输入设备产生。受保护应用程序可以是一个接受用户安全输入的应用程序,比如QQ、网游客户端、网银客户端、邮件客户端等。
上面是本发明提供的一种基于轻量虚拟机监控器的计算机安全输入***的优选实施方式,并不构成对本发明的保护权限,任何在本发明上的改进,只要原理相同,都保含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (13)
1.一种基于轻量级虚拟机监控器的计算机安全输入方法,所述方法包括以下步骤:
(1)、监控被保护程序的启动;
(2)、当被保护程序启动时,加载轻量级虚拟机监控器(LVMM);
(3)、轻量级虚拟机监控器监控客户操作***的I/O操作;
(4)、当监控到被保护程序的输入操作时,被保护程序的输入信息由轻量级虚拟机监控器负责接收;
(5)、将被保护程序的输入信息传输给被保护程序;或
(5’)、所述的轻量级虚拟机监控器验证被保护程序和/或操作***的完整性,在被保护程序的完整性和/或操作***的完整性通过验证后,将被保护程序的输入信息传输给被保护程序;
和
(6)、在被保护程序退出后,撤销轻量级虚拟机监控器;或,在被保护程序退出后,轻量级虚拟机监控器(LVMM)先清除被保护程序的所有输入信息,然后撤销轻量级虚拟机监控器。
2.根据权利要求1所述的安全输入方法,其特征在于:所述的轻量级虚拟机监控器是指为了完成安全输入功能的特定虚拟机监控器,它不具备创建多个虚拟机的能力。
3.根据权利要求1或2所述的安全输入方法,其特征在于:轻量级虚拟机监控器将被保护程序的输入信息传输给被保护程序,并且是通过在操作***I/O代理的方式实现的。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的安全输入方法,其特征在于:所述操作***I/O代理的方式是指被保护程序通过操作***I/O代理接受输入设备传输的信息,而操作***I/O代理从轻量级虚拟机监控器中获取输入设备的信息。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述的安全输入方法,其特征在于:所述的轻量级虚拟机监控器验证被保护程序的完整性的操作包括在被保护程序启动时验证其代码段的完整性,和/或,在被保护程序运行时保护其代码段完整性。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述的安全输入方法,其特征在于:所述的轻量级虚拟机监控器验证操作***的完整性的操作是指在将轻量级虚拟机监控器接收的被保护程序的输入数据提交给被保护程序时,对操作***核心程序关键代码的完整性进行验证。
7.根据权利要求6所述的安全输入方法,其特征在于:所述的操作***核心程序关键代码依赖于或取决于具体的操作***,是指或主要指能够读写被保护程序内存区域的代码部分。
8.一种基于轻量级虚拟机监控器的计算机安全输入***,该***包括支持硬件虚拟化的处理器和可信计算芯片,其特征在于所述***还包括:
客户端模块和轻量级虚拟机监控器;
其中所述客户端模块是加载到客户操作***中的模块,该模块包括下面的子模块:程序启动监控子模块、轻量级虚拟机监控器加载子模块和操作***I/O代理子模块;和
其中所述轻量级虚拟机监控器包括:安全输入模块。
9.根据权利要求8的计算机安全输入***,其中所述程序启动监控子模块接受被保护应用程序的注册,并监控被保护应用程序的启动,在被保护应用程序启动时,调用轻量级虚拟机监控器加载子模块。
10.根据权利要求8或9的计算机安全输入***,其中所述轻量级虚拟机监控器加载子模块能够调用硬件虚拟化的扩展指令,将宿主操作***迁移到轻量虚拟机监控器之上。
11.根据权利要求8-10中任何一项的计算机安全输入***,其中所述轻量级虚拟机监控器还包括:程序完整性保护模块;或
程序完整性保护模块和***完整性保护模块;或
程序完整性保护模块、***完整性保护模块和可信芯片管理模块。
12.根据权利要求8-11中任何一项的计算机安全输入***,其中所述操作***I/O代理子模块是被保护程序与轻量虚拟机监控器的安全输入模块之间传输信息的桥梁,把被保护程序的输入信息从轻量虚拟机监控器中传送到被保护程序中,和/或,
其中所述安全输入模块负责接收被保护程序的输入及与操作***I/O代理子模块之间传输信息。
13.根据权利要求8-12中任何一项的计算机安全输入***,其中所述程序完整性保护模块负责验证被保护程序的完整性,生成被保护程序的完整性签名,并保护正在运行的程序不被恶意地修改;和/或,所述***完整性保护模块负责验证被保护程序进行输入期间操作***的完整性;和/或,所述可信芯片管理模块按照TPM规范或者TCM规范实现对TPM或TCM安全芯片的访问和管理。
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