244、云计算安全：攻击、技术、工具与挑战-优快云博客

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云计算安全：攻击、技术、工具与挑战

1 云计算简介

云计算作为一种通过互联网管理和提供服务的技术，近年来变得越来越流行。它可以根据用户需求提供应用程序、存储空间和多种软件服务。云计算的最终目标是以按需付费的方式提供服务，就像基本服务如水和电一样。实际上，小型产业或初创企业可以在没有任何预定义的硬件或软件要求的情况下开始他们的工作。

云计算的特性、服务模型和部署模型是其核心组成部分。云计算的特性包括按需自助服务、广泛的网络接入、资源池、快速弹性以及可度量的服务。服务模型主要包括三种：基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。部署模型则包括私有云、公共云、社区云和混合云。

云计算的出现不仅改变了传统的IT架构，还带来了新的安全挑战。尽管云计算提供了显著的优势，但研究人员尚未解决的几个关键挑战仍然存在，如能源管理、安全、信任、互操作性等。

2 云安全简介

云安全是指一组设计用于保护云环境中的应用程序、基础设施和数据的技术、控制和政策。它也可以被视为计算机安全和网络安全的一个分支。云安全包括为云服务提供商和最终用户设计的安全约束。

随着越来越多的用户逐步采用云服务来托管他们的应用程序和数据，云安全的重要性日益增加。然而，仍有许多问题阻碍了企业和组织全面采用云基础设施。根据2019年云安全联盟（CSA）的一项调查，81%的用户在采用公共云平台时担心安全问题。62%的用户担心数据丢失和泄露的风险，57%的用户担心法规遵从性。此外，49%的用户在将公共云基础设施与其他非云IT环境集成时遇到问题，44%的用户有法律和成本方面的担忧，39%的用户担心可见性问题，35%的用户关注应用程序迁移问题，32%的用户担心缺乏处理云服务的专业人员，23%的用户担心没有足够的员工来管理云服务，仅有2%的用户报告了供应商锁定问题。

灵活性和易用性使云服务成为攻击者的理想目标。2012年，研究机构VUPEN安全发现了虚拟机逃逸攻击，这种攻击影响了Intel处理器的错误处理函数。欧洲网络和信息安全局（ENISA）报告称，Dropbox曾遭受分布式拒绝服务（DDoS）攻击。

3 云安全与隐私问题

随着基于云的服务的普及，物联网（IoT）、智能电网、医疗保健、银行和信息技术等领域迎来了新的机遇。然而，安全性是云计算中的一个关键方面，这一点已被云服务采用者、研究人员和安全专家详细研究。

云服务提供了许多优点，但也暴露了一些严重的威胁。例如，一些云租户可能会滥用多租户架构，对共享的云资源造成损害，并违反同处一地虚拟机的安全性。此外，由于服务是在线模式下提供的，服务的可用性也可能成为对云基础设施的威胁。高级攻击可以窃听网络连接，并获取发送方和接收方之间共享的信息。此外，存储在云存储服务器中的数据也可能故意暴露给第三方组织，以获取财务利益。

云基础设施中的任何组件，如控制器服务器、计算机服务器、网络服务器、虚拟机管理程序、虚拟机和用户应用程序等存在的漏洞，直接威胁到服务的安全性和隐私。其他可能妨碍安全性和隐私的漏洞包括：客户数据不安全的实时迁移、随机选择云服务提供商、提供方端不安全的应用程序和浏览器API、网络漏洞以及数据不安全的加密等。

云中存在的漏洞和威胁使得开发一个能够覆盖所有可能漏洞的全面安全模型变得非常困难。云服务提供商不允许云客户在云网络上强加他们自己的安全模型，或者将其与管理服务或API集成。因此，云服务提供商有责任确保每一层云基础设施的安全性。客户可以在自己的虚拟机中安装一些安全工具来分析其虚拟机的活动。如果虚拟机被攻破，虚拟机内的安全工具也会失效。因此，安全和隐私是云服务供应商和最终用户在将应用程序、数据或任何服务迁移到云端时的主要关注点。

3.1 云安全目标

云安全是现代组织的基本需求之一。因此，需要适当的控制措施、安全政策、防御机制和程序来保护整个生态系统。以下是云安全的三个主要目标：

3.1.1 保密性

数据的保密性在将极度敏感的数据外包到云系统时是一个关键问题。它确保了云中的用户无法看到数据，且机密数据不能被未授权的实体访问。为了实现保密性，云服务提供商采用了诸如加密和隔离等机制。使用了像三重数据加密标准（DES）或Rivest, Shamir, Adleman（RSA）这样的加密机制来获得保密性，但密钥管理或密钥分发是一个大问题。对保密性的威胁包括内部用户威胁，例如恶意的云服务提供商用户、恶意的第三方用户、外部攻击者对应用程序或基础设施的攻击以及数据泄露。

3.1.2 完整性

数据完整性是基本任务，它验证数据并确保数据的准确性和质量。在云环境中，数据完整性尤为重要，因为云提供了各种服务如SaaS、PaaS等。随着云服务需求的增加，云服务提供商可能需要增加存储。因此，数据损坏或丢失的可能性增加，可能是由于节点、物理设备或磁盘故障。为了防止未经授权的实体篡改数据，云环境中采用了多种手段来保持数据完整性。避免数据损坏或崩溃，监控数据完整性至关重要。由于云环境是分布式的，相比集中式环境，获得完整性更加困难。数据完整性的威胁包括用户访问、数据分割和数据质量。

3.1.3 可用性

在基于云的系统中，包括应用程序和基础设施，可用性的目标是随时从任何地方为用户提供服务。但在某些情况下，无法确保数据的可用性。不可避免的情况如自然灾害，因此必须确保用户能够使用、验证或恢复数据。云用户必须了解云服务提供商（CSP）采取的安全措施，并阅读服务水平协议（SLA）。云服务的可用性通过在云环境中使用容错系统来实现，这些系统可以容忍服务器或其他组件的故障。

4 威胁模型与云攻击

云安全已成为全球关注的重要领域，学术界和工业界对此进行了广泛讨论。一方面，共享和分布式的云资源使攻击者更容易瞄准云组件。另一方面，云的多租户特性使其难以设计确保服务安全和隐私的安全模型。虽然一些虚拟机级别的攻击可以通过租户的安全工具处理，但许多高级攻击甚至可以绕过这些工具。高级攻击可以绕过客户操作系统内核安全，尝试非法访问虚拟机管理程序层。云服务提供商可以通过将安全扩展到虚拟化层来提供保护。然而，安全事件、威胁和攻击报告可能不会与客户共享。因此，云服务提供商通常会在服务水平协议（SLA）中强调安全和隐私问题。

4.1 攻击类型

以下是几种常见的云攻击类型：

跨站脚本攻击（XSS） ：攻击者通过在网页中插入恶意脚本，欺骗用户执行恶意操作。
SQL注入攻击 ：攻击者通过在SQL查询中插入恶意代码，获取数据库中的敏感信息。
跨站请求伪造（CSRF） ：攻击者诱导用户在不知情的情况下执行恶意操作。
分布式拒绝服务（DDoS） ：攻击者通过大量请求使服务器过载，导致服务不可用。

4.2 攻击表面

攻击表面是指攻击者可以利用的系统漏洞或弱点。在云环境中，攻击表面包括但不限于以下几个方面：

网络层 ：包括网络设备、协议和通信通道。
虚拟机层 ：包括虚拟机及其操作系统。
虚拟机管理程序层 ：包括虚拟机管理程序及其接口。
应用程序层 ：包括应用程序及其依赖的服务。

攻击表面	描述
网络层	包括网络设备、协议和通信通道
虚拟机层	包括虚拟机及其操作系统
虚拟机管理程序层	包括虚拟机管理程序及其接口
应用程序层	包括应用程序及其依赖的服务

4.3 攻击场景

攻击场景描述了攻击者如何利用系统漏洞实施攻击。以下是几种典型的攻击场景：

虚拟机逃逸攻击 ：攻击者通过漏洞进入虚拟机管理程序，进而控制整个云环境。
侧信道攻击 ：攻击者通过分析虚拟机的资源使用情况，推断出敏感信息。
中间人攻击 ：攻击者拦截并篡改虚拟机之间的通信。

graph TD;
    A[攻击场景] --> B[虚拟机逃逸攻击];
    A --> C[侧信道攻击];
    A --> D[中间人攻击];
    B --> E[通过漏洞进入虚拟机管理程序];
    C --> F[分析虚拟机资源使用情况];
    D --> G[拦截并篡改虚拟机间通信];

5 云中入侵检测系统的分类

入侵检测系统（IDS）是云安全的重要组成部分，用于检测和响应各种攻击。根据部署位置和工作原理，IDS可以分为以下几类：

5.1 基于TVM的入侵检测系统

基于TVM的入侵检测系统通过监控用户/系统应用程序与来宾操作系统之间的交互来分析来宾的特定行为。现有的一些基于TVM的IDS工具包括VMGuard和VAED。

5.2 基于虚拟机管理程序的入侵检测系统

基于虚拟机管理程序的入侵检测系统（Hypervisor-based IDS）执行网络流量监控，并独立于底层操作系统。这使得它们可以在任何层次（TVM/VMM/网络）灵活部署。部署在网络云物理网络的网关点的网络IDS提供了从网络攻击中的主要防御。然而，在这种情况下，监控的虚拟机（VMs）的可见性并不好。这些IDS在检测VM特定的网络攻击方面的性能不如其他类型的IDS。实际上，操作系统和应用程序程序的VM特定攻击很难被这些IDS检测到。VM程序特定的信息不能从网络点提取。诸如拒绝服务（DoS）、扫描和远程用户攻击等网络攻击可以被这些IDS有效检测。这些工具是健壮的，并且具有高抗攻击性，因为它们不能被租户或外部访问。这些是独立于虚拟机管理程序的，适合在各种云部署场景中部署。

参数	TVM-based IDS	Hypervisor-based IDS	Network-based IDS	Distributed-IDS
IDS部署位置	TVM	VMM	虚拟/物理网络点（TVM/VMM/网络）	TVM, VMM 或网络点，或云控制中心
可见性	高	中等	低	取决于部署位置
吞吐量	高	中等	低	取决于部署位置
抗攻击性	低	高	高	取决于部署位置
对VMM的依赖	否	是	否	取决于部署位置
管理者	客户	云管理员	客户/云管理员	云管理员
内省	不适用	适用	不适用	适用于DVMM

5.3 基于网络的入侵检测系统

基于网络的入侵检测系统（Network-based IDS）执行网络流量监控，并独立于底层操作系统。这使得它们可以在任何层次（TVM/VMM/网络）灵活部署。部署在网络云物理网络的网关点的网络IDS提供了从网络攻击中的主要防御。然而，在这种情况下，监控的虚拟机（VMs）的可见性并不好。这些IDS在检测VM特定的网络攻击方面的性能不如其他类型的IDS。实际上，操作系统和应用程序程序的VM特定攻击很难被这些IDS检测到。VM程序特定的信息不能从网络点提取。诸如拒绝服务（DoS）、扫描和远程用户攻击等网络攻击可以被这些IDS有效检测。这些工具是健壮的，并且具有高抗攻击性，因为它们不能被租户或外部访问。这些是独立于虚拟机管理程序的，适合在各种云部署场景中部署。

6 云中的入侵检测技术

入侵检测技术是确保云环境安全的关键。这些技术用于检测和响应各种攻击，以保护云中的应用程序、基础设施和数据。以下是几种常见的入侵检测技术：

6.1 误用检测

误用检测技术通过识别已知的攻击模式或异常行为来检测入侵。它依赖于预先定义的规则和签名库，能够有效地检测已知攻击。然而，对于未知攻击，误用检测的效果有限。

6.2 异常检测

异常检测技术通过建立正常行为的基线，然后检测偏离基线的行为来识别潜在的攻击。这种方法可以检测未知攻击，但可能会产生较高的误报率。为了提高准确性，异常检测通常结合机器学习算法进行。

6.3 虚拟机自省

虚拟机自省（VMI）是一种高级技术，它通过在虚拟机监控器层面上获取虚拟机的高级视图来检测恶意活动。VMI可以在不影响虚拟机性能的情况下，监控虚拟机内部的状态和行为，从而发现隐藏的恶意软件或攻击行为。

6.4 虚拟机管理程序自省

虚拟机管理程序自省（Hypervisor Introspection）通过直接监控虚拟机管理程序的活动，检测和响应来自虚拟机内部的威胁。这种方法可以检测虚拟机逃逸攻击和其他高级威胁，但它依赖于对虚拟机管理程序的深度理解和技术支持。

graph TD;
    A[入侵检测技术] --> B[误用检测];
    A --> C[异常检测];
    A --> D[虚拟机自省];
    A --> E[虚拟机管理程序自省];
    B --> F[识别已知攻击模式];
    C --> G[建立正常行为基线];
    D --> H[获取虚拟机高级视图];
    E --> I[监控虚拟机管理程序活动];

7 云中工具概述

云安全工具是保护云环境的重要手段。这些工具可以帮助检测和响应各种攻击，确保云中的应用程序、基础设施和数据的安全。以下是几类常用的云安全工具：

7.1 攻击工具

攻击工具用于模拟攻击行为，帮助测试云环境的安全性。这些工具可以帮助识别潜在的漏洞和弱点，从而采取相应的防护措施。常见的攻击工具包括：

XOIC ：用于发起DDoS攻击的工具。
RUDY ：一种慢速HTTP POST攻击工具。
DDosSIM ：用于模拟DDoS攻击的工具。

7.2 安全工具

安全工具用于检测和响应攻击，确保云环境的安全。这些工具可以部署在网络层、虚拟机层或虚拟机管理程序层，以提供多层次的安全防护。常见的安全工具包括：

SNORT-IDS ：基于网络的入侵检测系统，用于检测和响应网络攻击。
Collabra ：分布式入侵检测系统，用于检测和响应跨多个虚拟机的攻击。
ISCS ：基于虚拟机管理程序的入侵检测系统，用于检测和响应虚拟机内部的威胁。

工具类型	描述
攻击工具	用于模拟攻击行为，帮助测试云环境的安全性
安全工具	用于检测和响应攻击，确保云环境的安全

8 虚拟机内省与虚拟机管理程序内省

虚拟机内省（VMI）和虚拟机管理程序内省（Hypervisor Introspection）是两种高级云安全技术，用于保护虚拟域和虚拟机管理程序。这两种技术通过在较低层次上监控虚拟机和虚拟机管理程序的活动，检测和响应潜在的威胁。

8.1 虚拟机内省

虚拟机内省（VMI）通过在虚拟机监控器层面上获取虚拟机的高级视图，检测恶意活动。VMI可以在不影响虚拟机性能的情况下，监控虚拟机内部的状态和行为，从而发现隐藏的恶意软件或攻击行为。VMI技术还可以用于取证分析，帮助安全团队调查攻击事件。

8.2 虚拟机管理程序内省

虚拟机管理程序内省（Hypervisor Introspection）通过直接监控虚拟机管理程序的活动，检测和响应来自虚拟机内部的威胁。这种方法可以检测虚拟机逃逸攻击和其他高级威胁，但它依赖于对虚拟机管理程序的深度理解和技术支持。虚拟机管理程序内省还可以用于实时监控虚拟机管理程序的状态，确保其正常运行。

9 容器安全

容器化环境下的安全问题与传统虚拟化环境有所不同。容器安全主要关注容器镜像的安全性、容器运行时的安全性以及容器网络的安全性。以下是一些常见的容器安全问题和防御机制：

9.1 容器镜像安全

容器镜像的安全性是容器安全的基础。容器镜像可能存在漏洞或恶意代码，因此需要定期扫描和更新。常见的容器镜像安全工具包括：

Clair ：开源容器镜像漏洞扫描工具。
Trivy ：用于扫描容器镜像漏洞的工具。

9.2 容器运行时安全

容器运行时的安全性是确保容器在运行过程中不受攻击的关键。常见的容器运行时安全问题包括权限提升、资源滥用和容器逃逸。为了防止这些问题，可以采取以下措施：

使用最小权限原则，限制容器的权限。
定期监控容器的运行状态，及时发现异常行为。
使用容器安全工具，如Falco，检测和响应容器运行时的威胁。

9.3 容器网络安全

容器网络的安全性是确保容器之间通信安全的关键。常见的容器网络安全问题包括网络攻击和数据泄露。为了防止这些问题，可以采取以下措施：

使用网络策略，限制容器之间的通信。
使用加密技术，保护容器之间的通信。
定期监控容器网络流量，及时发现异常行为。

结论

云计算为现代组织带来了巨大的便利和发展机遇，但同时也带来了新的安全挑战。通过了解云安全的目标、威胁模型、攻击类型和入侵检测技术，我们可以更好地保护云环境中的应用程序、基础设施和数据。云安全工具和高级安全技术如虚拟机内省和虚拟机管理程序内省，为我们提供了有效的防护手段。容器安全问题也需要引起足够的重视，以确保容器化环境的安全。通过不断研究和创新，我们可以构建更加安全可靠的云环境，迎接未来的挑战。

这篇文章总结了云计算安全的关键技术和挑战，提供了对云安全的全面理解。通过对不同层次的攻击、入侵检测技术和安全工具的详细介绍，希望能够帮助读者更好地理解和应对云环境中的安全问题。