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Performance Comparison of Hyper-V and KVM for Cryptographic Tasks in Cloud Computing

Computers, Materials & Continua 2024年第2期78卷 2023-2045页

作者： Nader Abdel Karim Osama A.Khashan Waleed K.Abdulraheem Moutaz Alazab Hasan Kanaker Mahmoud E.Farfoura Mohammad Alshinwan Department of Intelligent Systems Faculty of Artificial IntelligenceAl-Balqa Applied UniversityAl-Salt1705Jordan Research and Innovation Centers Rabdan AcademyP.O.Box 114646Abu DhabiUnited Arab Emirates Department of Information Systems and Networks TheWorld Islamic Sciences and Education UniversityAmman11947Jordan Department of Cyber Security Isra UniversityAmman1162Jordan Faculty of Science and Information Technology Al-Zaytoonah University of JordanAmman11733Jordan Middle East University Research Unit Middle East UniversityAmman11831Jordan

As the extensive use of cloud computing raises questions about the security of any personal data stored there,cryptography is being used more frequently as a security tool to protect data confidentiality and privacy in the cloud environment.A hypervisor is a virtualization software used in cloud hosting to divide and allocate resources on various pieces of hardware.The choice of hypervisor can significantly impact the performance of cryptographic operations in the cloud environment.An important issue that must be carefully examined is that no hypervisor is completely superior in terms of performance;Each hypervisor should be examined to meet specific needs.The main objective of this study is to provide accurate results to compare the performance of Hyper-V and Kernel-based Virtual Machine(KVM)while implementing different cryptographic algorithms to guide cloud service providers and end users in choosing the most suitable hypervisor for their cryptographic needs.This study evaluated the efficiency of two hypervisors,Hyper-V and KVM,in implementing six cryptographic algorithms:Rivest,Shamir,Adleman(RSA),Advanced Encryption Standard(AES),Triple Data Encryption Standard(TripleDES),Carlisle Adams and Stafford Tavares(CAST-128),BLOWFISH,and TwoFish.The study’s findings show that KVM outperforms Hyper-V,with 12.2%less Central Processing Unit(CPU)use and 12.95%less time overall for encryption and decryption operations with various file sizes.The study’s findings emphasize how crucial it is to pick a hypervisor that is appropriate for cryptographic needs in a cloud environment,which could assist both cloud service providers and end users.Future research may focus more on how various hypervisors perform while handling cryptographic workloads.

关键词： Cloud computing performance virtualization hypervisors Hyper-V KVM cryptographic algorithm

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云平台下虚拟机安全性框架研究与实现

云平台下虚拟机安全性框架研究与实现

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作者：朱若凡电子科技大学

学位级别：硕士

当今世界,各类云服务层出不穷,各大互联网厂商纷纷推出了自己的云平台。但是随着云计算技术的普及,云平台的安全性也开始倍受人们争议。由于用户需要将自己的数据甚至隐私密钥上传至云端,或者在云端执行关键而隐私的任务,而在各种攻击... 详细信息

当今世界,各类云服务层出不穷,各大互联网厂商纷纷推出了自己的云平台。但是随着云计算技术的普及,云平台的安全性也开始倍受人们争议。由于用户需要将自己的数据甚至隐私密钥上传至云端,或者在云端执行关键而隐私的任务,而在各种攻击方式层出不穷的今天,云端任务这些数据的安全性保证和关键任务的正确成功地执行保证成为了两大难题。由于虚拟机内核一般采用开源的Linux,其开源的特性和千万行代码量导致Linux系统不可避免存在漏洞,这些漏洞使得云环境上的任务执行更加不可靠,因为攻击者可能会利用这些漏洞攻击虚拟机的内核,甚至攻击到宿主机和其他虚拟机,或者篡改一些关键数据。针对以上问题,本文利用硬件和虚拟化扩展,实现了云上虚拟机内任务执行安全性和数据安全性的保障策略。在虚拟机任务执行安全性方面,虽然Linux有了页表保护,但是页表本身并未受到保护,因此其无法有效地虚拟机内部任务有效地执行。本文在研究了Intel x86架构下硬件机制和页表权限,分析总结了三种保护虚拟机安全性的架构,包括一阶段页表权限保护,二阶段页表权限保护,以及一二阶段综合的权限保护。本文发现二阶段页表权限在一定程度上依赖于一阶段页表,由此归纳了一些硬件设计上的不足,并设计对页表保护的权限位控制,使用Hypervisor保护虚拟机页表,并使用VMFUNC的机制加速了页表修改过程,消除了内核修改页表导致下陷的开销。随后本文通过实验证明基于VMFUNC的MIX-PT架构比基于Hypercall实现的架构性能更优,具体表现为在进程创建相关测试中提高30%左右。攻击者除了针对云环境下虚拟机任务的执行,还可能对任务的数据进行攻击,这些数据中包含了个人信息,密钥等重要内容。本文利用了SPP硬件机制,在Linux和KVM上实现了一套基于SPP硬件的数据保护,在虚拟机中可以通过系统调用,为一段内存使用SPP硬件机制。此外,由于SPP机制是针对128字节为单位的保护,相比于4K字节,前者在更细粒度上提供了写保护。但是测试结果发现,硬件上的SPP机制由于增加了额外一层页表,其开销也不可避免地增加,且额外的开销大约是没有SPP保护时候的300倍,但是由于SPP机制只是用于保护一些少量的关键数据,因此在安全性与性能的开销折中上,SPP还是值得考虑的。

关键词： Linux安全 KVM 页表保护 SPP 虚拟机安全性

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基于虚拟化平台的汽车模拟控制器设计与实现

基于虚拟化平台的汽车模拟控制器设计与实现

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作者：胡越华东师范大学

学位级别：硕士

随着新能源汽车和自动驾驶技术的快速发展,汽车电子电气架构也在不断演进。基于中央计算的集中式电子电气架构,以及面向服务的软件架构成为发展趋势。一部分汽车电子控制器将被中央处理器所取代,大部分软件及逻辑控制功能将在中央处理... 详细信息

随着新能源汽车和自动驾驶技术的快速发展,汽车电子电气架构也在不断演进。基于中央计算的集中式电子电气架构,以及面向服务的软件架构成为发展趋势。一部分汽车电子控制器将被中央处理器所取代,大部分软件及逻辑控制功能将在中央处理器中实现。而在汽车软件开发过程中,一般会先借助模拟器工具进行验证和调试。在此背景下,针对集中式汽车软件架构提供一套模拟环境,对软件开发和验证具有实际意义。此外,基于虚拟化技术实现模拟器,可使得模拟器不依赖于特定处理器平台,并具有良好的可靠性,隔离性,故障控制机制。本文设计并实现了汽车模拟控制器,包括模拟器平台,VCU,VIU,ECU模拟器。模拟器平台基于ARM-KVM虚拟机,提供管理模拟器的功能;VCU模拟器用于模拟中央处理器,为运行中央处理器上的软件提供模拟环境;VIU模拟器用于模拟网关,提供信号传输协议转换,报文转发功能;ECU模拟器用于模拟ECU行为,发送接收CAN信号数据。在基于ARM处理器构建QEMU/KVM虚拟机之后,为了提高模拟器平台的性能,首先对KVM虚拟机的磁盘I/O性能,网络I/O性能,实时性进行优化。优化后的测试结果表明,在启用iothread机制后,KVM的磁盘I/O写性能提升约21%,I/O读性能提升约39%。在启用vhost后,KVM的网络I/O传输性能得到显著提升,UDP每秒处理事务数增加了约2.3倍,TCP每秒处理事务数增加了约3.8倍。在Linux内核中增加实时调度器及提高客户机中进程的优先级之后,系统延迟时间明显减少。然后基于优化后的虚拟机平台实现模拟器,对VCU模拟器与ECU模拟器之间的信号数据收发进行验证,并在不同的数据量情况下测试模拟器的CPU与内存使用率,验证其能满足应用需求。软件开发者可不再完全依赖真实的中央处理器硬件,便于软件前期开发及测试。

关键词：模拟器虚拟化 KVM

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虚拟化平台测试和评价系统的设计与实现

虚拟化平台测试和评价系统的设计与实现

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作者：张高超西安电子科技大学

学位级别：硕士

自从虚拟化技术出现之后,就不断的在推进着计算机科学领域的发展,从最早的多任务高效率的复用大型机到现在作为云计算时代底层的基础支撑设施,虚拟化技术在现代计算机的发展变迁中起到了巨大的影响。虚拟化以其部署便捷、不受传统地域... 详细信息

自从虚拟化技术出现之后,就不断的在推进着计算机科学领域的发展,从最早的多任务高效率的复用大型机到现在作为云计算时代底层的基础支撑设施,虚拟化技术在现代计算机的发展变迁中起到了巨大的影响。虚拟化以其部署便捷、不受传统地域、硬件配置的限制等诸多优点已经成为当下互联网企业发展的必备设施。市场上也随之产生了诸多虚拟化产品,如KVM、Xen、VMware等。虚拟化技术的目的是实现从底层资源转变为上层用户实例提供可使用的资源服务,虚拟化平台的性能直接影响了上层应用的服务质量,也影响了企业运营成本。尽管市面上虚拟化产品多种多样,但是不同的产品在不同的环境下可能存在性能上的差异,因此需要于虚拟化平台的性能进行测价。现有的测评工具除了商业测试软件外,开源软件通常都比较古老且性能测试维度单一,缺乏一个全面的虚拟化性能测评体系,因此提出一套综合的虚拟化平台性能测评体系和工具是十分有必要且有重要研究价值的。针对本课题的研究背景及意义,本文通过研究不同虚拟化平台的实现原理,结合虚拟化平台的性能特征,设计了一套完整的虚拟化平台性能的测试和评价体系。该体系从性能损失度、资源隔离性、可扩展性三个方面对虚拟化平台进行全面综合的测试和评价,可用于评估不同CPU架构下的虚拟化平台的性能,并且从这三个方面出发对测评指标、测试负载、测试场景和评估模型进行分析与设计。另外,本文还基于该虚拟化平台性能的测试和评价体系,设计实现一套虚拟化平台性能测评工具。通过测评工具测试人员可以实现测试流程全部可视化,通过浏览器登录测试系统,填写提交测试配置后,可以通过监控系统观察测试状态,测试结束后测试工具可以将测试数据、测评结果可视化展示,并且生成测试分析报告,进一步方便测试人员查看结果进行分析。为了验证本文提出的虚拟化平台测评体系的可行性以及测评工具的可用性,本文在选取了X86、国产鲲鹏(ARM64)以及申威三种CPU架构的虚拟化平台,分别从性能损失度、资源隔离性以及可扩展性三个方面进行了全面的性能测评。通过实验测试,验证了虚拟化平台性能测评体系的可行性与测评工具的可用性,对三种虚拟化平台的虚拟化性能进行了测试与评价。

关键词：虚拟化平台 KVM 测评体系测评工具性能测试

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一种基于KVM的vTPM虚拟机动态迁移方案

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山东大学学报（理学版） 2017年第6期52卷 69-75页

作者：黄宇晴赵波肖钰陶威武汉大学计算机学院湖北武汉430072 武汉大学空天信息安全与可信计算教育部重点实验室湖北武汉430072

针对当前KVM平台上的带虚拟可信平台模块的vTPM虚拟机无法实现动态迁移的问题,提出并实现了一种基于KVM的vTPM虚拟机动态迁移方案。在分析KVM架构与vTPM虚拟化特征的基础上,将vTPM虚拟机的动态迁移与KVM上原生态普通虚拟机的动态迁移过... 详细信息

针对当前KVM平台上的带虚拟可信平台模块的vTPM虚拟机无法实现动态迁移的问题,提出并实现了一种基于KVM的vTPM虚拟机动态迁移方案。在分析KVM架构与vTPM虚拟化特征的基础上,将vTPM虚拟机的动态迁移与KVM上原生态普通虚拟机的动态迁移过程相融合,保证了迁移前后系统安全状态的一致性和迁移过程中vTPM实例数据的安全性。实验结果表明,与普通虚拟机的动态迁移相比,利用该方案实现了用户无感知的vTPM虚拟机动态迁移过程,在保证虚拟机迁移后vTPM设备可用性的基础上,迁移中平均停机时间不超过50 ms,性能损失仅为15%。

关键词：动态迁移 KVM vTPM 云计算

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基于IPT硬件的内核模块ROP透明保护机制

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软件学报 2018年第5期29卷 1333-1347页

作者：王心然刘宇涛陈海波上海交通大学并行与分布式系统研究所上海200240

Return-Oriented Programming(ROP)是一种流行的利用缓冲区溢出漏洞进行软件攻击的方法.它通过覆写程序栈上的返回地址,使程序在之后执行返回指令时跳转到攻击者指定位置的代码,因而违反了程序原本期望的控制流.控制流完整性(control-fl... 详细信息

Return-Oriented Programming(ROP)是一种流行的利用缓冲区溢出漏洞进行软件攻击的方法.它通过覆写程序栈上的返回地址,使程序在之后执行返回指令时跳转到攻击者指定位置的代码,因而违反了程序原本期望的控制流.控制流完整性(control-flow integrity,简称CFI)检查是目前最流行的ROP防御机制,它将每条控制流跳转指令的合法目标限制在一个合法目标地址集合内,从而阻止攻击者恶意改变程序的控制流.现有的CFI机制大多用于保护用户态程序,而当前已有诸多针对内核态的攻击被曝出,其中,Return-Oriented rootkits(ROR)[1]就是在有漏洞的内核模块中进行ROP攻击,达到执行内核任意代码的目的.相对于传统的基于用户空间的ROP攻击,ROR攻击更加危险.根据Linux CVE的数据统计,在2014年~2016年间,操作系统内核内部的漏洞有76%出现在内核模块中,其中,基本上所有被公布出来的攻击都发生在内核模块.由此可见,内核模块作为针对内核攻击的高发区,非常危险.另一方面,当前鲜有针对操作系统内核的CFI保护方案,而已有的相关系统都依赖于对内核的重新编译,这在很大程度上影响了它们的应用场景.针对这些问题,首次提出利用Intel Processor Trace(IPT)硬件机制并结合虚拟化技术,对内核模块进行透明且有效的保护,从而防御针对它的ROP攻击.实验结果表明,该系统具有极强的保护精确性、兼容性和高效性.

关键词： ROP CFI 内核模块 IPT 虚拟化 KVM

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修改客户操作系统优化KVM虚拟机的I/O性能

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计算机学报 2010年第12期33卷 2312-2320页

作者：张彬彬汪小林杨亮赖荣凤王振林罗英伟李晓明北京大学计算机科学技术系北京100871 密西根理工大学计算机科学系

目前,运行在虚拟机上的客户操作系统(GuestOS)是面向物理机器开发的普通操作系统,其中存在不适应虚拟化环境的因素,影响虚拟机的I/O性能.作者通过测试发现了影响虚拟机I/O性能的一些问题,针对这些问题提出了优化方法:一方面,通过合并客... 详细信息

目前,运行在虚拟机上的客户操作系统(GuestOS)是面向物理机器开发的普通操作系统,其中存在不适应虚拟化环境的因素,影响虚拟机的I/O性能.作者通过测试发现了影响虚拟机I/O性能的一些问题,针对这些问题提出了优化方法:一方面,通过合并客户操作系统中连续的I/O指令,降低虚拟机的时钟中断频率,从而降低环境切换的开销;另一方面,消除客户操作系统中的冗余操作,包括在虚拟化环境下无效的函数、冗余的I/O调度以及虚拟网卡驱动对NAPI的支持,使虚拟机只执行必要的操作,从而提高系统的性能.

关键词： I/O虚拟化 KVM 性能测试优化

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基于虚拟机的内核完整性保护技术

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电子科技大学学报 2015年第1期44卷 117-122页

作者：张磊陈兴蜀刘亮李辉四川大学计算机学院成都610065 四川大学电子信息学院成都610065

针对云计算中客户虚拟机内核完整性面临的威胁,该文提出了一种保护虚拟机内核完整性的技术—CTVM。该技术在KVM虚拟机环境中实现了虚拟化可信执行环境的创建,使多个客户虚拟机同时拥有可信计算功能,能对客户虚拟机提供启动完整性度量;... 详细信息

针对云计算中客户虚拟机内核完整性面临的威胁,该文提出了一种保护虚拟机内核完整性的技术—CTVM。该技术在KVM虚拟机环境中实现了虚拟化可信执行环境的创建,使多个客户虚拟机同时拥有可信计算功能,能对客户虚拟机提供启动完整性度量;在此基础上利用硬件辅助虚拟化技术,通过为客户虚拟机构造隔离的地址空间,使客户虚拟机中不可信模块与内核运行在逻辑隔离的地址空间。从这两个方面实现对客户虚拟机的启动和运行时的完整性保护。最后,以某国产服务器为实验平台实现了CTVM原型系统,系统测试与分析验证了技术的可用性,系统性能损耗在可接受的范围内。

关键词：完整性内核 KVM 可信计算虚拟机

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vTCM:一种基于物理可信计算环境虚拟化的虚拟可信密码模块

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山东大学学报（理学版） 2019年第7期54卷 77-88页

作者：胡俊刁子朋北京工业大学信息学部计算机学院

虚拟机的信任问题是虚拟机安全的关键问题之一,可信密码模块作为计算机信任的源头,其在虚拟机上的应用也引起了越来越多的关注。提出了虚拟可信密码模块(virtual trusted cryptography module, vTCM)方案,该方案将现有可信密码模块(trus... 详细信息

虚拟机的信任问题是虚拟机安全的关键问题之一,可信密码模块作为计算机信任的源头,其在虚拟机上的应用也引起了越来越多的关注。提出了虚拟可信密码模块(virtual trusted cryptography module, vTCM)方案,该方案将现有可信密码模块(trusted cryptography module, TCM)方案扩展为可切换vTCM场景的vTCM物理环境来支持少量物理vTCM场景,通过vTCM场景的虚拟化调度,从而支持多个虚拟机的TCM访问,为每个虚拟机分配一个绑定的vTCM实例,并使这些实例可以轮流在物理vTCM场景中运行,以使vTCM的安全性分析可以借助TCM结论,增强vTCM的安全性。这一方案在vTCM的管理,包括vTCM迁移等操作上,也体现出了其优势。给出了该方案在KVM虚拟化平台下的实现方法,实现结果表明,该方案不但可行,并且对现有的虚拟机机制有良好的兼容性。

关键词：可信密码模块虚拟机可信可信迁移 KVM

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面向攻击测试的虚拟机带外数据采集系统

面向攻击测试的虚拟机带外数据采集系统

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作者：李永强西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着信息化技术的日益更替,针对信息系统的恶意攻击愈来愈频繁。恶意攻击的对象已不仅局限于个人用户,攻击者的攻击目标逐渐深入到企业、政府等关键组织和机构,对金融、交通、通信、医疗等重要行业都造成大量损失,严重危害社会的稳定。... 详细信息

随着信息化技术的日益更替,针对信息系统的恶意攻击愈来愈频繁。恶意攻击的对象已不仅局限于个人用户,攻击者的攻击目标逐渐深入到企业、政府等关键组织和机构,对金融、交通、通信、医疗等重要行业都造成大量损失,严重危害社会的稳定。为阻止攻击事件的发生,针对恶意攻击的测试和研究成为网络安全专业人员的关注重点。为更好的测试和研究攻击,采集恶意攻击产生的数据信息是非常有效的手段和必要的基础。然而,现存的数据采集系统存在两点明显的技术缺陷。第一,攻击测试的区分通常以经验术语为标准,测试结果难以为其他种类或家族的恶意攻击测试提供理论和经验上的支持;第二,恶意攻击实例和数据采集程序通常运行在同一个系统环境中,恶意攻击实例可能通过提权等恶意操作,绕过数据采集程序的监控和信息收集,使其失效。针对问题一,本文提出了新的攻击分类方式,将恶意攻击按照其涉及的主要技术分为不同种类,并以此作为数据采集的理论基础;针对问题二,本文提出了一种基于虚拟机带外采集方式的数据采集系统,能够有效的实现攻击实例与采集程序的分离。两者的结合具有如下优势:第一,根据不同的攻击分类,它能够快速解释需要采集的主要数据类别,为多种攻击的测试研究提供理论上的参考依据;第二,使用虚拟机带外数据采集技术,将攻击测试使用的攻击实例放置在虚拟机中运行,而将数据采集程序运行在虚拟机下面的宿主机中,数据采集程序通过虚拟机自省技术完成对攻击实例所产生数据的采集,能有效的防止数据采集功能被攻击者绕过。本文以KVM(Kernel-based Virtual Machine)作为虚拟机管理器设计了虚拟机带外数据采集系统。该系统能解决带外数据采集中的“语义间隙”问题,实现在宿主机上采集客户机内部程序所产生数据的功能。本系统通过获取并在语义上还原虚拟机中内存页面、寄存器、I/O设备上的抽象数据内容,以及虚拟机内产生的系统调用、中断、异常等事件,在宿主机完成对相关数据信息的采集。为此,该系统需要在KVM中设置钩子函数,以实现对上述设备状态的检查,并分析和解释特定事件,如系统调用、中断、磁盘输入输出等。本文基于Linux 5.4.24内核版本,在Ubuntu 20.04-desktop-amd64上实现了面向攻击测试的虚拟机带外数据采集系统,为数据采集提供了完整的API接口函数。这些接口函数即包含对虚拟机中静态数据内容的采集,如进程列表、已加载内核模块、磁盘设备数据、寄存器等,又包含对虚拟机内所发生的动态事件数据内容的采集,如系统调用、中断等。与现有的数据采集方案相比,该系统具有隔离性高,扩展性好的优势。最后,为验证系统数据采集的准确性和针对攻击测试的真实性,本文基于Windows客户机,选择近两年具有代表性的两种网络攻击方式,即勒索软件和挖矿软件,完成了对系统的功能和性能测试,测试结果验证了系统的可用性和高效性。

关键词：攻击测试虚拟机带外数据采集技术攻击分类 KVM

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