云安全基础设施构建

本书分为四个部分：靠前章和第2章涵盖云计算的背景和安全理念,引入可信云的概念。讨论了启用和实例化可信基础设施的关键应用模型，这是可信云的基础。此外，这些章节还讨论了包括解决方案架构和组件说明的应用模型。第3~5章包括启用可信基础设施的用例,解决方案架构和技术组件,强调可信计算,证明的作用,证明方案,以及云中的地理围栏和边界控制。第6章和第7章提供了云中身份管理和控制，以及网络安全相关的有趣观点。第8章将可信的概念扩展到虚拟机和工作负载,包括建立在先前讨论过的可信计算池基础之上的参考架构和组件。第9章全面阐述了安全云爆发参考架构，并汇集了此前章节讨论过的所有概念和方法的具体实现。

Raghu Yeluri负责英特尔数据中心和云产品部的安全解决方案架构，主要研究方向是虚拟化和云安全应用、解决方案架构和优选技术，是英特尔首席工程师。他不断推进安全解决方案的寻找和开发过程，致力于交付能在多租户云环境中提供深度可视化、编排和控制能力的基于硬件的安全解决方案。在此之前，他曾在系统开发部署方向的多个工程架构岗位工作过，在英特尔信息和制造技术部主要从事面向服务架构和大数据分析工作，拥有15年以上工作经验。
Enrique Castro.Leon是英特尔架构部的企业架构师和技术战略师，致力于企业IT解决方案整合、云计算、服务工程方面的工作。作为一名技术战略师，Enrique一直从事市场新兴技术的颠覆效应研究。他是《The Business Value of VirtualService Grids：Strategic Insights for Enterprise Decision Makers》一书的靠前作者，这本书主要关注虚拟化、面向服务方法学和分布式计算。
詹静，女，博士，北京工业大学计算机学院讲师，硕士生导师，曾任德国HGI信息安全研究所、波鸿鲁尔大学科研助理。主要从事系统安全、可信计算等方面的教学科研工作。主持863计划子课题，教育部基金及国防项目各一项，参与多项省部级项目，发表EI、SCI检索科研论文数十篇，专利及软件著作权多项。主编《计算机组网技术》教材(靠前版及第2版)，参与译著《面向服务器平台的英特尔可信执行技术》，主讲计算机网络基础、密码学入门、信息安全测试等信息安全专业本科课程。
庄俊玺，女，博士，北京工业大学计算机学院讲师．主要从事网络安全、可信计算等方面的理论与应用教学科研工作。参与多项省部级项目，发表学术论文及专利多项。主讲移动互联网应用安全、防火墙技术等信息安全专业本科课程。
张建标，男，博士，北京工业大学计算机学院信息安全系主任，教授，博士生导师，可信计算北京市重点实验室副主任，中关村可信计算产业联盟副理事长，教育部信息安全专业教学指导委员会委员。主要从事可信计算、网络安全等方面的教学科研工作。主持或参与国家、省部级等项目20余项，包括国防预研课题、863课题、973课题、省级重大科技专项等，部分成果与企业合作推向市场，发表学术论文60余篇，申请国家发明专利25项（已授权15项）。出版教材《TCP/IP协议分析及应用》（北京市精品教材）和《信息安全体系结构》，译著有《网络安全评估》。主讲信息安全体系结构、信息安全理论与技术等信息安全专业本科及研究生课程。

序
推荐序
译者序
作者简介
审校者简介
前言
致谢
第1章云计算基础 1
1.1云的定义 2
1.1.1云的本质特征 2
1.1.2云计算服务模型 3
1.1.3云计算部署模型 4
1.1.4云计算价值定位 5
1.2历史背景 6
1.2.1传统的三层架构 7
1.2.2软件的演进：从烟筒式应用到服务网络 8
1.2.3云计算是IT新模式 10
1.3服务即安全 11
1.3.1新的企业安全边界 12
1.3.2云安全路线图 16
1.4总结 16
第2章可信云：安全与合规性表述 17
2.1云安全考虑 17
2.1.1云安全、信任和保障 19
2.1.2影响数据中心安全的发展趋势 20
2.1.3安全性和合规性面临的挑战 22
2.1.4可信云 24
2.2可信计算基础设施 24
2.3可信云应用模型 25
2.3.1启动完整性应用模型 27
2.3.2可信虚拟机启动应用模型 29
2.3.3数据保护应用模型 30
2.3.4运行态完整性和证明应用模型 30
2.4云租户的可信云价值定位 31
2.5总结 32
第3章平台启动完整性：可信计算池的基础 34
3.1可信云构件 34
3.2平台启动完整性 35
3.2.1英特尔TXT平台的信任根——RTM、RTR和RTS 36
3.2.2被度量的启动过程 36
3.2.3证明 39
3.3可信计算池 40
3.3.1TCP的操作原则 41
3.3.2池的创建 42
3.3.3工作负载配置 42
3.3.4工作负载迁移 43
3.3.5工作负载/云服务的合规性报告 43
3.4TCP解决方案参考架构 43
3.4.1硬件层 44
3.4.2操作系统/虚拟机监视器层 45
3.4.3虚拟化/云管理和验证/证明层 46
3.4.4安全管理层 47
3.5参考实现：台湾证券交易所案例 49
3.5.1TWSE的解决方案架构 50
3.5.2可信计算池用例的实例化 51
3.5.3HyTrust的远程证明 52
3.5.4使用案例：创建可信计算池和工作负载迁移 54
3.5.5McAfee ePO的安全性和平台可信性集成与扩展 54
3.6总结 58
第4章证明：可信性的验证 59
4.1证明 59
4.1.1完整性度量架构 61
4.1.2基于简化策略的完整性度量架构 61
4.1.3基于语义的远程证明 62
4.2证明流程 62
4.2.1远程证明协议 62
4.2.2完整性度量流程 64
4.3首个商业化证明实现：英特尔可信证明平台 65
4.4Mt.Wilson平台 67
4.4.1Mt.Wilson架构 68
4.4.2Mt.Wilson证明流程 70
4.5Mt.Wilson的安全性 73
4.6Mt. Wilson的可信、白名单和管理API 74
4.6.1Mt.Wilson API 75
4.6.2API请求规范 75
4.6.3API响应 77
4.6.4Mt. Wilson API的使用 78
4.6.5部署Mt. Wilson 78
4.6.6Mt.Wilson编程示例 79
4.7总结 82
第5章云的边界控制：地理标记和资产标记 83
5.1地理定位 84
5.2地理围栏 84
5.3资产标记 86
5.4使用地理标记的可信计算池 86
5.4.1阶段一：平台证明和安全虚拟机监视器启动 88
5.4.2阶段二：基于可信性的安全迁移 89
5.4.3阶段三：基于可信性和地理定位信息的安全迁移 89
5.5将地理标记加入到可信计算池解决方案 90
5.5.1硬件层（服务器） 90
5.5.2虚拟机监视器和OS层 91
5.5.3虚拟化、云管理、验证和证明层 91
5.5.4安全管理层 92
5.5.5地理标记的创建和生命周期管理 92
5.6地理标记的工作流程和生命周期 93
5.6.1创建标记 93
5.6.2发布标记白名单 94
5.6.3部署标记 94
5.6.4资产标记和地理标记的生效和失效 96
5.6.5地理标记证明 97
5.7地理标记部署架构 97
5.7.1标记部署服务 98
5.7.2标记部署代理 99
5.7.3标记管理服务和管理工具 99
5.7.4证明服务 100
5.8地理标记部署过程 102
5.8.1推模型 102
5.8.2拉模型 102
5.9参考实现 104
5.9.1步骤1 104
5.9.2步骤2 105
5.9.3步骤3 106
5.9.4步骤4 107
5.10总结 108
第6章云中的网络安全 110
6.1云网络 111
6.1.1网络安全组件 111
6.1.2负载均衡 112
6.1.3入侵检测设备 113
6.1.4应用交付控制器 113
6.2端到端的云安全 113
6.2.1网络安全：端到端的安全——防火墙 114
6.2.2网络安全：端到端的安全——VLAN 114
6.2.3网络安全：端到端的安全——站点间VPN 115
6.2.4网络安全：端到端的安全——虚拟机监视器和虚拟机 116
6.3云中的软件定义安全 117
6.3.1OpenStack 120
6.3.2OpenStack网络安全 121
6.3.3网络安全功能和示例 123
6.4总结 125
第7章云的身份管理和控制 127
7.1身份挑战 128
7.1.1身份使用 129
7.1.2身份修改 130
7.1.3身份撤销 131
7.2身份管理系统需求 131
7.3身份管理解决方案的关键需求 132
7.3.1可问责 133
7.3.2通知 133
7.3.3匿名 133
7.3.4数据最小化 134
7.3.5安全性 134
7.3.6隐私性 134
7.4身份表示和案例研究 135
7.4.1PKI证书 135
7.4.2安全和隐私的探讨 136
7.4.3身份联合 137
7.4.4单点登录 138
7.5英特尔身份技术 138
7.6总结 143
第8章可信虚拟机：云虚拟机的完整性保障 144
8.1可信虚拟机的需求 145
8.2虚拟机镜像 147
8.3可信虚拟机概念架构 149
8.3.1Mystery Hill客户端 150
8.3.2Mystery Hill密钥管理和策略服务器 151
8.3.3Mystery Hill插件 151
8.3.4可信证明服务器 152
8.4可信虚拟机工作流 153
8.5利用OpenStack部署可信虚拟机 155
8.6总结 158
……
第9章安全云爆发的参考设计 160
附录A中国可信云社区 186
附录B相关开源合作项目和升级 188

Preface?前    言对于云中的应用和数据而言，安全是个永远存在的问题。这对试图制定迁移应用准则的企业主管、试图定位成革新技术采用者的营销组织、试图建立安全基础设施的应用架构师，以及试图保证坏人不能为所欲为的运营人员来说，都是必须考虑的问题。应用是否准备迁移到云或是否已经基于云组件运行并不重要，甚至应用成功运行多年并没有发生重大安全事件也不重要：因为完美无缺的记录并不代表其所有者能声称自己在安全上无懈可击。企业主管已敏锐地意识到，完美无缺的记录所代表的荣誉其实只是对攻击的邀请。自然，过去的表现也绝不代表未来。    无论问谁，安全都是抑制云计算广泛应用的最大障碍。要弃用本地部署系统转而采用云计算，企业组织需要设定一个更高的标准，也就是应用安全标准的最佳实践。迁移或采用云服务可以提供一个优势，让公司可以从头开始设计内嵌安全的、新的、基于云的基础架构，从而避免当前大部分数据中心在安全建设上出现的零碎化、事后扩充化的问题。但不同的建立内在安全性的方法也有细微差别，在第1章中我们将会看到。云服务提供商努力构建的安全基础架构，启用多租户环境，为用户提供工具、可视化和控制的基石。他们开始把安全看成云服务触力的一个重要关注点，与性能、功耗、正常运行时间等需综合考量。这为方案架构师在安全设计上根据所在场景实现不同灵活性和安全粒度提供了可能，例如，金融服务业和企业资源管理应用的安全需求在产品宣传册上就截然不同，然而它们都可能使用相同存储服务商的存储服务，这些服务将要求高级别的完整性、机密性和安全防护。    一些具体实践方式可能会带来一些战术优势，例如使用内部私有云而不是使用第三方托管的公有云资源，但其实并没有从根本上解决安全问题，比如，还是采用如“瑞士奶酪”似的边界设施，导致数据可以随时通过。我们想提出一个不同的方法：将安全体系架构锚定在芯片，而运行该芯片的服务器遍布每个数据中心。然而，运行移动应用的终端用户并不能看到服务器。我们要做的就是定义一个根植于硬件的逻辑信任链，与基于一组公理建立的几何系统并无不同。我们使用硬件以确保固件的完整性：包括运行在芯片组上的BIOS代码和管理服务器基本功能的固件。从而提供了一个可靠的平台，在此之上运行包括虚拟机监视器和操作系统环境在内的软件。每个软件组件在启动之初都被根植于硬件可信链中的可信根“度量”并与“已知的正确值”比较验证过，从而提供一个未启动各应用可信平台。    我们假设读者已经熟悉云技术，并对深入探索云安全感兴趣。我们将讨论一些云技术原则，主要目的是为安全议题的讨论建立一个术语表。我们的目标是讨论云安全的原则，公司迁移到云后所面临的挑战，以及为了满足安全需求提出的基础设施需求。本书面向技术读者，为他们提供创建和部署可信云所需要的架构、参考设计和代码示例。虽然底层技术组件文档（如可信平台模块和基本的安全启动）不难从开发商规范中获得，但其上下文相关内容还是缺失的，例如描述不同组件如何集成到可信虚拟化平台的以使用为中心的方法。本书首次尝试通过实际的概念验证实现和一些初级商业化实现来填补这一空白。安全平台实现是一个新兴和快速发展的问题，长期来看，还不是一个能确定不变的方法，试图达成一个确定方法还为时尚早。及时提供实践方法则更为紧迫，作者希望这些材料能刺激读者的好奇心，鼓励社区复制我们的成果，从而产生新的方法，并在此过程中不断前进。    影响企业和云数据中心安全的趋势主要有三个：    IT体系结构的演化。这与虚拟化及现在云计算技术的采用紧密相关。多租户和服务整合推动运营效率大幅提高，使多条业务线和租户得以共享基础设施。这种整合和合租导致了新的维度和攻击向量。如何确保不属于和不由自己具体运营的基础设施具有相同级别的安全性和控制能力？外包、跨业务和跨供应链协同突破了传统的安全模型边界。这些新模型模糊了组织“内部”数据和边界“之外”数据的区别。这些数据本身就是新的边界。    攻击的复杂度。攻击不再只针对软件，黑客也不再在乎吹嘘胜利。攻击变得更加复杂，目标针对资产控制权，并且保持隐蔽。这些攻击逐步逼近平台底层：固件、BIOS和管理虚拟机操作系统的虚拟机监视器。以往这些底层的安全控制措施较少，恶意软件易于隐藏。由于采用了基于虚拟化的多租户和整合技术，取得平台控制就意味着攻击者得到了重要筹码和加大了攻击面。企业组织如何摆脱这种困境，创立控件来验证运行关键业务应用的平台的完整性？如何向审计方证明即使他们的信息系统是由云服务商来提供，安全控件和流程仍然有效执行？更多的法规要求。对IT从业者和企业所有者的合规性要求显著增加。保护数据的成本和不安全的个人身份数据、知识产权、金融数据以及不合规的可能性导致的风险非常高。此外，相关规章要求也为IT组织增加了额外的负担。    显然，云安全是一个需要跨领域考虑的广阔议题，包括技术、产品和解决方案，涉及移动、网络安全、Web安全、消息安全、数据或内容保护和存储、身份管理、虚拟机监视器和平台安全、防火墙、审计和合规性等内容。从工具和产品的角度审视安全是一个有趣的方法。然而，企业IT从业者和云服务商都必须仔细考虑基础设施级别的使用和需求，并提供一套无缝方案解决企业安全问题和需求。同样有趣的是审视私有云和公有云如何具体使用，表述为如下需求：    为服务供应商提供企业级解决方案。合规的云是什么？有什么属性和行为？为开发者、服务集成商和运营商提供进出云的应用和荷载保护。不管云服务是什么类型，服务开发者如何保护静态和动态荷载的内容和数据?为服务组件和用户提供细粒度管理、认证、分配设备和用户信任的功能。    英特尔一直在努力与合作伙伴提供全面解决方案架构和整套的产品，不仅解决这些问题，还在私有云、公有云上大规模部署电子解决方案。这本书汇集了来自英特尔技术专家、架构师、工程师、市场和解决方案开发经理以及一些关键合作伙伴架构师的贡献。    本书分为四个部分：    第1章和第2章涵盖云计算的背景和安全的概念，引入可信云的概念。讨论了启用和实例化可信架构的关键应用模型，这是可信云的基础。此外，这些章节还讨论了包括解决方案架构和组件说明的应用模型。    第3～5章包括建立可信架构的用例、解决方案架构和技术组件，强调可信计算、可信证明的作用、可信证明方案，以及云中的地理围栏和边界控制。    第6章和第7章提供了云中身份管理和控制、以及网络安全相关的有趣观点。    第8章将可信的概念扩展到虚拟机和荷载，包括建立在先前讨论过的可信计算池基础之上的参考架构和组件。第9章全面阐述了安全云爆发参考架构，并汇集了此前章节讨论过的所有概念和方法的具体实现。    这些章节将带我们开始一段获益匪浅的旅行。一切从一组基本的根植于硬件的技术组件开始，即安全加载程序的功能。我们不仅在软件，还在服务器平台固件（BIOS和系统固件）中对此功能进行了实现。我们还添加了其他平台传感器和设备支持，例如可信平台模块（Trusted Platform Module，TPM）、位置传感器。最终可能还会整合平台其他安全相关测度方法的信息，如密码加速器、密钥使用的安全随机数生成器、安全容器、压缩加速器和其他相关实体。    定义了硬件加固平台之后，就可以将最初的安全特性扩展到云环境中。我们将初始的启动完整性和保护功能扩展到下一个目标，即整个完整生命周期的数据：静止的数据、传输的数据、使用中的数据。我们最初的重点在于服务器平台。实际上，我们使用的方法类似于建立数学系统，从一套断言或公理慢慢扩展，直到达到进行云部署的范围。在计算方面，我们将保护引导概念扩展到裸机上运行的虚拟机监视器和操作系统，然后是其后运行的虚拟机。鉴于业界对安全平台的强烈需求，我们希望这一需求能激励应用开发商和系统集成商将信任链扩展到用户端应用。    在安全启动建立的可信概念基础之上，第二个抽象概念是平台上应用的可信级别。这涉及可信认证相关讨论和完成可信认证所需的框架和流程。衡量，还有在部署工作中需要的具体功能，包括地理定位监控和控制（地理围栏），将可信概念扩展到工作负载，即工作负载的保护启动，以及确保运行时工作负载和数据的完整性。    与之前的操作环境（包括整合的虚拟环境）相比，云计算提供了更加动态的环境。例如，虚拟机可能出于性能或商业原因发生迁移，在安全架构下，保证虚拟机及数据安全地迁入或迁出是至关重要的。这就引出了可信计算池的概念。    接下来将讨论云中的网络安全。目前一个有待开发的问题是如何发挥硬件加固的网络设施优势，利用安全启动补充现有的安全实践措施。身份管理也是一个永恒的挑战，云计算比其前身网格计算的分布特性更为突出，因为云中的分布式、多租户和动态行为应用远远超出了网格计算。    随着对这些概念的讨论，我们用零星的项目研究来验证这些讨论的概念，验证那些由具备前瞻思维的服务商提供的部署方案。对于正在整合安全启动基础和其他大量技术的架构师而言，这些项目方案提供了宝贵的可行性证据，以及识别技术和接口差距并提供精确反馈给标准化组织的机会。这将有助于加快产业整体技术学习曲线，从而快速减少部署特定实现的时间成本和花销。    计算只是云的一个方面。我们还需要找到将保护扩展到云网络和云存储的方法。建立基于安全启动的信任链的经验对云网络和云存储安全都有帮助，因为网络和存储设施也运行在相同的构建服务器的组件上。我们相信，如果严格遵循建立计算信任链的方法，应该可以加固网络和存储设备，使之达到在计算子系统上实现的同等效果。从这个角度看，本书展示的长途旅行看起来更像一趟开拓之旅。    一些读者会敏锐地注意到，数据中心的IT基础设施不仅包括服务器，还包括网络和存储设备。本书讨论的安全主要涉及服务器设备上的软件栈，并且仍在发展。但必须指出网络和存储设备也在计算设备上运行，因此确保网络和存储设备安全的策略之一就是精确地建立适用于这些设备的类似信任链。虽然这些讨论已经超出本书范围，但确实和相关从业者关系密切，因此，它们也是相关专题专家在以后的论文和书籍中讨论的绝好主题。    我们承认还有大量工