虛擬機(jī)管理程序如何解決軟件分區(qū)問題

眾所周知，使用軟件分區(qū)，即在單獨(dú)的環(huán)境中運(yùn)行應(yīng)用程序，有助于滿足安全和保密要求。很多時(shí)候，虛擬機(jī)管理程序被視為最佳和/或唯一的解決方案，然而，事實(shí)并非如此。虛擬機(jī)管理程序本身會(huì)帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)和漏洞。因此，本文提供了一種不同的方法：分離內(nèi)核。

嵌入式虛擬機(jī)管理程序支持多個(gè)操作系統(tǒng)在同一硬件平臺(tái)上運(yùn)行，最大限度地提高硬件性能，同時(shí)確保獨(dú)立性。這些嵌入式虛擬化解決方案有時(shí)會(huì)帶來安全需求，而分離關(guān)注點(diǎn)對(duì)于滿足這些需求至關(guān)重要。但是，依賴虛擬機(jī)管理程序會(huì)引發(fā)信任問題，并且在涉及安全和安保標(biāo)準(zhǔn)（如ISO 26262或ISO 21434）時(shí)會(huì)帶來額外的限制。

虛擬機(jī)管理程序的替代方案是在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)分離內(nèi)核。這種方法允許在單個(gè)操作系統(tǒng)中分離關(guān)注點(diǎn)，保證應(yīng)用程序級(jí)的分離，而不是操作系統(tǒng)級(jí)的分離。讓我們稍微深入地研究一下這些技術(shù)。

嵌入式系統(tǒng)管理程序：管理者的管理者

嵌入式管理程序是一種軟件，它使多個(gè)操作系統(tǒng)能夠在資源受限的設(shè)備的單個(gè)處理器上運(yùn)行，從而共享資源。虛擬機(jī)管理程序充當(dāng)操作系統(tǒng)的操作系統(tǒng)，允許操作系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定義的方案共享CPU、內(nèi)存和外設(shè)資源。也就是說，管理者的管理者，因此得名hypervisor。虛擬機(jī)管理程序可以是動(dòng)態(tài)的，具有靈活的CPU數(shù)量和內(nèi)存使用，也可以是靜態(tài)的，具有固定的CPU邊界和內(nèi)存分配。外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以是專用的，也可以在不同的操作系統(tǒng)之間共享。圖1展示了用于分離的典型虛擬機(jī)管理程序架構(gòu)。

圖1：用于分離的典型虛擬機(jī)管理程序架構(gòu)。

在軟件架構(gòu)中引入虛擬機(jī)管理程序以實(shí)現(xiàn)分離并非沒有挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@會(huì)增加復(fù)雜性。虛擬機(jī)管理程序需要進(jìn)行內(nèi)存分離和保護(hù)，以及不同工作負(fù)載的調(diào)度。它還需要管理虛擬化客戶操作系統(tǒng)的特權(quán)級(jí)別，同時(shí)平衡對(duì)硬件資源的訪問。因此，管理程序成為系統(tǒng)中最有特權(quán)的軟件。

這套復(fù)雜的軟件將代碼添加到系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，運(yùn)行在硬件的最高特權(quán)級(jí)別。因此，虛擬機(jī)管理程序的實(shí)施需要安全可靠，否則為增強(qiáng)安全性而添加虛擬機(jī)管理程序?qū)o法實(shí)現(xiàn)。因此，將具有大量代碼庫的管理程序添加到系統(tǒng)最敏感的部分，會(huì)增加添加漏洞的風(fēng)險(xiǎn)。例如，查看一個(gè)常見的開源虛擬機(jī)管理程序Xen和在國家漏洞數(shù)據(jù)庫中找到的漏洞列表，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)百個(gè)漏洞。當(dāng)試圖通過虛擬化來提高系統(tǒng)的安全性時(shí)，這不是一個(gè)非常值得信賴的虛擬機(jī)管理程序。

軟件分離內(nèi)核：隔離單個(gè)物理系統(tǒng)上的域

約翰·拉什比在1981年的一篇論文中提出的軟件分離內(nèi)核，旨在創(chuàng)建一個(gè)類似于物理分布式系統(tǒng)的環(huán)境。它確保每個(gè)應(yīng)用程序域看起來像一個(gè)單獨(dú)的、隔離的機(jī)器，只允許信息沿著已知的外部通信線路流動(dòng)。內(nèi)核通過在單個(gè)物理系統(tǒng)上創(chuàng)建隔離的域或分區(qū)來提供高級(jí)別的安全性。它嚴(yán)格分隔這些分區(qū)，防止一個(gè)分區(qū)中的軟件影響另一個(gè)分區(qū)中的軟件。這可以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)免受惡意軟件和未經(jīng)授權(quán)的訪問。

基于微內(nèi)核架構(gòu)，分離內(nèi)核提供最少的服務(wù)，并依賴單獨(dú)的服務(wù)來獲得額外的功能。這種設(shè)計(jì)減少了內(nèi)核的攻擊面，增強(qiáng)了它對(duì)危害的恢復(fù)能力。一個(gè)適當(dāng)?shù)姆蛛x內(nèi)核提供了等同于硬件隔離的隔離，使其更不容易受到攻擊。一些分離內(nèi)核，如L4微內(nèi)核，已經(jīng)過正式驗(yàn)證，以確保正確操作。也有商業(yè)上可獲得的分離內(nèi)核，例如來自Green Hills Software的INTEGRITY實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。在分離內(nèi)核實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境中，應(yīng)用程序級(jí)分離如圖2所示。

圖2：一個(gè)適當(dāng)?shù)姆蛛x內(nèi)核提供了等同于硬件隔離的隔離，使得它不容易受到漏洞的影響。

當(dāng)運(yùn)行訪問相同資源的多個(gè)操作系統(tǒng)時(shí)，一些實(shí)現(xiàn)可能會(huì)考慮保持系統(tǒng)分離的性能問題。例如，類型1虛擬機(jī)管理程序?qū)⑿枰獌纱紊舷挛那袚Q來在接收到中斷時(shí)運(yùn)行關(guān)鍵任務(wù)。第一個(gè)中斷被傳遞給管理程序，然后被處理并傳遞給客戶操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)調(diào)度。分離內(nèi)核解決方案只需要一個(gè)中斷就可以調(diào)度關(guān)鍵任務(wù)。盡管這是特定于實(shí)現(xiàn)的，但虛擬化在性能方面并不總是免費(fèi)的，尤其是對(duì)于關(guān)鍵任務(wù)或訪問共享資源。因此，分離內(nèi)核和虛擬機(jī)管理程序性能可能是重要的設(shè)計(jì)考慮因素，需要針對(duì)嵌入式系統(tǒng)中的特定用例進(jìn)行仔細(xì)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

為什么需要分離？

出于幾個(gè)原因，分離關(guān)注點(diǎn)是必要的。在此分析中，列出了三個(gè)使用案例：

安全性：隔離同一操作系統(tǒng)的多個(gè)實(shí)例中的特定功能，以建立對(duì)特定資源的安全訪問。

代碼重用或遺留系統(tǒng)：使用多個(gè)不同的操作系統(tǒng)來重用功能，而無需重新架構(gòu)或重新實(shí)現(xiàn)。

混合關(guān)鍵程度：采用多個(gè)操作系統(tǒng)來滿足要求應(yīng)用程序分離的安全或安保標(biāo)準(zhǔn)。

為了滿足這些需求，通常會(huì)考慮虛擬機(jī)管理程序解決方案。然而，分離內(nèi)核方法也可以滿足這些需求，而無需借助虛擬化。對(duì)這三個(gè)不同的用例進(jìn)行深入的分析，我們得到了以下結(jié)論。

保護(hù)對(duì)特定資源的訪問

如果底層操作系統(tǒng)的訪問控制方法足夠安全，就可以在應(yīng)用程序級(jí)別實(shí)現(xiàn)受保護(hù)的資源訪問。探索替代的分離內(nèi)核操作系統(tǒng)而不是虛擬化可以幫助避免潛在的陷阱。這種實(shí)現(xiàn)通常采用強(qiáng)制訪問控制策略來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，并且可以利用操作系統(tǒng)機(jī)制來安全地共享這種資源，例如專用外圍設(shè)備訪問。

無需重新架構(gòu)或重新實(shí)施即可重用

由于超出項(xiàng)目控制的因素，如第三方庫或硬件限制，某些軟件無法變得安全可靠。在這種情況下，需要對(duì)軟件進(jìn)行分區(qū)，以防止干擾系統(tǒng)其余部分的安全需求。雖然虛擬化是一種常見的解決方案，但它增加了不必要的復(fù)雜性。相反，有選擇地修改代碼并與第三方供應(yīng)商合作可能更有效，尤其是當(dāng)分離內(nèi)核提供特定的可移植性層時(shí)。這種用例很難用分離內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)，但是為了使系統(tǒng)安全可靠，必須做出一些改變。

安全或安保標(biāo)準(zhǔn)

安全標(biāo)準(zhǔn)通常要求隔離，以避免干擾。與其引入一個(gè)完整的虛擬化層，另一個(gè)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的隔離層可能就足夠了。使用較小的安全可靠基礎(chǔ)符合功能安全要求。例如，Green Hills Software的INTEGRITY RTOS分離內(nèi)核被用于汽車、工業(yè)和航空電子等多個(gè)領(lǐng)域，提供多層安全保障。

虛擬化不是強(qiáng)制性的

因此，分離的所有三個(gè)用例都可以在沒有虛擬化的情況下設(shè)計(jì)，重新思考軟件架構(gòu)。分離內(nèi)核解決方案能夠托管具有混合關(guān)鍵程度要求的應(yīng)用程序，而無需虛擬機(jī)管理程序。POSIX、TCP/IP套接字和標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)交互等應(yīng)用程序兼容層是通過開放接口實(shí)現(xiàn)的。

分離內(nèi)核遵循微內(nèi)核架構(gòu)，并通過隔離特性、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制設(shè)備訪問控制和為替代軟件架構(gòu)提供基礎(chǔ)來增強(qiáng)它。這種方法使得設(shè)計(jì)更簡單，代碼庫更小，從而更容易確保安全性和不存在錯(cuò)誤或漏洞。

此外，分離內(nèi)核允許混合臨界應(yīng)用共存。分離內(nèi)核的原則強(qiáng)制執(zhí)行靜態(tài)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，與安全和安保系統(tǒng)中的最佳實(shí)踐保持一致。

為了實(shí)現(xiàn)安全的系統(tǒng)，軟件工程師必須采用一種專注于架構(gòu)特性的思維模式，并牢記分離。應(yīng)用程序和服務(wù)之間清晰且受保護(hù)的接口至關(guān)重要，重要的是要認(rèn)識(shí)到服務(wù)（如庫或設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）可以是分離內(nèi)核環(huán)境中的獨(dú)立應(yīng)用程序。這需要考慮替代的軟件架構(gòu)路徑，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)陌踩綦x。

總之，嵌入式虛擬機(jī)管理程序和分離內(nèi)核都可以解決安全和安保方面的分離需求。但是，完全依賴虛擬機(jī)管理程序的默認(rèn)方法應(yīng)該受到挑戰(zhàn)。從安全角度來看，考慮具有較小可信計(jì)算基礎(chǔ)的分離內(nèi)核是明智的選擇，因?yàn)閮煞N方法提供的功能是相同的。在設(shè)計(jì)中優(yōu)先考慮增強(qiáng)的安全性而不是軟件重用，這意味著用依賴于兼容層的更安全的分離內(nèi)核替換遺留的或事實(shí)上的操作系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)更好的安全性和安全性設(shè)計(jì)。

審核編輯：黃飛