1. ２００８年１１月１８日（火）
セキュアVMワークショップ
（公開用修正版）
筑波大学 講師 品川高廣

2.  情報漏洩事件の増加
 PC・USBメモリ等の紛失・盗難
 インターネット経由
▪ ウィルスやファイル交換ソフトなど
 仮想マシンモニタ（VMM）による安全性向上
 暗号化・認証をVMMで強制する
▪ ストレージ及びネットワークの暗号化
▪ ICカードによる認証・鍵管理
2008/11/21 2

3.  ストレージ管理
ゲストＯＳ
 HDD・USBメモリの暗号化
 ネットワーク管理 ＶＭＭ
 IPsecでVPN接続 ストレージ管理 ID 管理 ネットワーク管理
認証
暗号化 VPN
鍵管理
 ID管理
 ICカードで認証・鍵管理 VMMコア
CPU・デバイス仮想化，アクセス制御
 ＶＭＭコア
ハードウェア
 ＣＰＵ・デバイスの仮想化
 アクセス制御
2008/11/18 3

4.  暗号化を確実に実施できる
 強力・強制的な実施
▪ ユーザが勝手にセキュリティを無効にできない
▪ たとえＯＳが脆弱でも大丈夫
 透過的な実施
▪ OSの機能や設定には依存しない
 統一した暗号化システムを実現できる
 HDD, USBメモリを一括管理
▪ ICカードの活用
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5.  VMM自身に脆弱性がないことが重要
 暗号化を無効される危険性がある
▪ VMMを乗っ取られる，暗号化を回避される，…
 VMMにセキュリティパッチは当てたくない
▪ OSとVMMの両方を管理するのは「二重苦」
 （TCBの）コードサイズ最小化が有効
 バグの数はコードサイズに比例する
▪ 小さいほど安全性の検証が容易になる
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6. VM VM
 Type II 型（ホスト型） Device Model
VMM
 TCB=ホストOS+VMM Host OS
Device Driver
▪ Linux 5,600万行＋QEMU31万行 hardware
 Type I 型（ハイパーバイザ型） VM
Device Model
VM
 VMMがデバイスを管理 VMM
Device Driver
▪ VMWare ESX Server’s hypervisor=20万行 hardware
Driver VM
 ドライバVM型 Device Model VM
Device Driver
▪ Xen hypervisor=10万行
VMM
hardware
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7. ゲストＯＳ
 可能な限りパススルー
デバイスドライバ
 デバイスを仮想化しない
▪ ゲストOSがデバイスを直接制御
準パススルーVMM
 必要最小限の監視・変換 制御I/O その他I/O データI/O
パススルー
 制御I/Oの監視 アクセス制御 暗号化
▪ 状態把握とアクセス制御
 データI/Oの変換 デバイス
▪ データの暗号化 ハードウェア
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8.  ゲストＯＳは複数同時に稼働しない
 １つのゲストOSがデバイスを直接制御している
▪ 複数ゲストOS間での共有・保護は難しい
 必ずしも複数ゲストOS稼働は必要ではない
▪ デスクトップ環境のセキュリティ（暗号化）が目的
 対応するマシン環境が限定される
 制御I/O及びデータI/Oはデバイス依存
▪ 通常のデバイスドライバよりはサイズが小さい
 ドライバが必要なのは一部のデバイスのみ
▪ グラフィックスやサウンドは（完全）パススルー
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9.  コードサイズを小さくできる
 完全なデバイスドライバを持たなくてよい
▪ ゲストOSのデバイスドライバを活用している
 複数ゲストOS間の共有機能を削減できる
▪ スケジューリング，資源管理機能などが不要
 開発コストを削減できる
 デバイスドライバの数を削減できる
 オーバーヘッドを低減できる
 デバイスへのアクセスが準パススルー
 VM間のスケジューリングなどが不要
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10.  制御I/O
 デバイスへのデータ転送を制御するI/O
▪ （例）LBAの指定，R/Wの指定，転送の開始・終了，…
 アクセス制御をおこないつつパススルー
▪ 制御自体はゲストOSのデバイスドライバが行う
 データI/O
 実際のデータの転送をおこなうI/O
▪ ディスクデータの読み書き，ネットワークパケットの送受信
 VMMで捕捉して変換する（encrypt/decrypt）
▪ メモリ上でのデータの書き換え
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11.  原則ハードウェアの名前空間と同じ
 デバイスをゲストOSに直接見せる
▪ ゲスト物理アドレス＝マシン物理アドレス
▪ I/Oアドレス，ストレージLBA，PCIバスアドレス，…
 アクセス制御のみをおこなう
 VMMの保護
▪ VMMのメモリ領域，ディスク領域への読み書き禁止
▪ IOMMUによるDMAアクセス制御
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12. 各種ドライバ
ゲストOS ATAドライバ USBドライバ NICドライバ
（画面，サウンドなど）
ストレージ IKE
暗号化 ID管理 IPsec
(AES-XTS)
UDP/IP
VMM
ATA準パススルー USB準パススルー NIC準パススルー IOMMU
ドライバ ドライバ ドライバ ドライバ
VMMコア
USBホストコントローラ NIC 各種デバイス
ハードウェア ATAホストコントローラ
（IDE） （UHCI, EHCI） （Intel Pro100など） （画面，サウンドなど）
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13.  I/O命令
 I/Oアドレス空間（16bit）へのアクセス
 専用の命令（IN, OUT）によるI/O
▪ Ex. “in dx, al”, “out dx, al”, ...
 MMIO（メモリマップドI/O）
 物理メモリ空間（32bit or 64bit）へのアクセス
 メモリアクセス命令によるI/O
▪ Ex. “mov al, [edx]”, “mov [edx], al”
 DMA
 専用ハードウェアによるデータ転送
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14. Command Block Registers LBA
0
I/O Addr Offset Size Name(read) Name(write)
0x1F0 0 16bit Data Data
1 8bit Error Features
2 8bit Sector Count Sector Count 01001101
00110101
3 8bit LBA Low LBA Low
4 8bit LBA Mid LBA Mid
5 8bit LBA High LBA High
6 8bit Device Device
7 8bit Status Command
0x20: READ SECTOR
0x30: WRITE SECTOR
0xC8: READ DMA
0xCA: WRITE DMA
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15. Read Write
ゲストOS rep insw rep outsw
シャドウ シャドウ
バッファ ←復号 暗号化→ バッファ
VMM （512byte） （512byte）
rep insw rep outsw
ハードウェア
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16.  テーブル構造のDMAディスクリプタ
 PRD(Physical Region Descriptor)のテーブルをメモリ上に保持
 テーブルへのアドレスをレジスタに指定
 Command Register の Start Bit に 1 を書き込むとDMA転送開始
Physical Region Descriptor Table
Bus Master IDE Controller Memory Region Physical Base Address[31:1] 0
EOT reserved Byte Count[15:1] 0
オフセット 機能
… 0
00h Command Register
… … … 0
02h Status Register
04h-07h PRD Table Address
1
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17.  ＤＭＡディスクリプタのシャドウを作る
 データだけＶＭＭで横取りする
▪ 制御はゲストＯＳにさせる
シャドウDMAディスクリプタ
バッファアドレス バイト数 ステータス
0xF0004000 16384 OK
ホストコントローラ
VMMの領域
ベースアドレスレジスタ
+
DMAディスクリプタ
インデックス バッファアドレス バイト数 ステータス
0x08086000 4096 OK
0x04004000 8192 OK
0x00386000 4096 Ready
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18. 物理メモリ
シャドウDMAディスクリプタ
VMM
ベースアドレス バイト数
0xF0004000 16384
VMMによる暗号化/復号化＋コピー
DMAディスクリプタ
ベースアドレス バイト数
ゲストOS
0x08086000 4096
0x04004000 8192
0x00386000 4096
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19.  内容
 コードサイズ
▪ コードサイズが削減できていることの確認
 オーバーヘッド
▪ VMMによるオーバーヘッドの測定
 環境
▪ ハードウェア：Intel Core 2 Duo E6850(3.0GHz),メモリ2GB,
ディスク74GB(10,000rpm)
▪ ゲストOS：Fedora 8 (Linux 2.6.25.9-40.fc8)
▪ VMM: BitVisor 0.3 (64bit版）
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20.  コア
 総数：21,582行
▪ 実行時：13,789行
▪ 命令エミュレーション：2,239行，シャドウページ管理：1,130行
▪ 初期化：2,062行
▪ デバッグ：5,781行
 ATAドライバ
 総数：1,287行
▪ ※最新バージョンでは実行時789行
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21. 1400
25000
1200
20000 5781 1000
2062 800
15000 デバッグ デバッグ
1279
600
初期化 初期化
10000 789
実行時 400 実行時
13789
5000 200
0
0
ATA ATA
VMMコア
ドライバ ドライバ
（最新）
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22. BitVisor
40
35
30
オーバーヘッド（％）
25
20
15
10
5
0
null fork exec prot page ctx
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23. 140
120
100
転送速度（MB/s）
80 Linux
BitVisorコア
60
＋ドライバ
40 ＋暗号化
20
0
4KB 64KB 512KB 10MB
ブロックサイズ
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24. WindowsXP
14
12
10
起動時間（秒）
8
6
4
2
0
VMMなし BitVisorコア ＋ATAドライバ ＋暗号化
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25.  準パススルー型VMM「BitVisor」の概要
 VMMのサイズを非常に小さく出来る
▪ ゲストOSのデバイスドライバを活用
▪ 必要最小限のI/OのみをVMMで監視・変換
 準パススルー方式の実現手法を示した
▪ 制御I/OとデータI/Oの捕捉によるアクセス制御・暗号化
▪ シャドウDMAディスクリプタによるDMA転送の監視
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26. 近日公開予定
BitVisor 0.7
http://www.securevm.org/
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