Современные технологии обеспечения безопасности виртуальных машин. Учебно-методическое пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Современные технологии обеспечения безопасности виртуальных машин

Учебно-методическое пособие

Москва 2023

УДК 004.3:004.946.56 ББК 32.973.26-018.2 С56

Современные технологии обеспечения безопасности виртуальных машин: Учебно-методическое пособие / А.А. Артамонов, Ю.Е. Фомина, Е.В. Антонов, К.В. Ионкина. – М.: НИЯУ МИФИ, 2023. – 44 с.

В пособии изложены теоретические концепции и модели построения и эксплуатации виртуальных машин, приведены принципы безопасности виртуальных машин. Рассмотрены области применения технологий обеспечения безопасности виртуальных машин. Представлены современные технологии и программные средства обеспечения безопасности виртуальных машин.

Предназначено для студентов старших курсов всех факультетов НИЯУ МИФИ, а также может быть использовано преподавателями при проведении ими практических занятий.

Рецензент канд. техн. наук И.Ю. Галин

ISBN 978-5-7262-2937-9

©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2023

ВВЕДЕНИЕ

Виртуальная машина (ВМ) – среда, где эмулируется программная и/или аппаратная платформа, на которой работает другое программное обеспечение. Такая система использует те же физические ресурсы (процессорную вычислительную мощность, оперативную память и физический носитель), но выполняет задачи и запускает приложения как будто бы они находятся на другом оборудовании. Виртуальная изоляция имеет массу преимуществ: снижение затрат, высокая производительность, стабильность работы, централизованное управление.

Однако существуют методы, с помощью которых заинтересованное лицо может получить доступ к вашей хостовой операционной системе, выйдя за пределы изолированной среды. Как отмечает Национальный институт стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, США): «В условиях сосредоточения нескольких виртуальных машин на одном физическом компьютере инциденты безопасности могут иметь более серьезные последствия. Более того, использование в виртуальных средах ресурсов общего доступа несет в себе дополнительный риск, поскольку в этом случае заражение одной виртуальной машины представляет угрозу для всей виртуальной среды»1.

В связи с такой особенностью виртуальных машин остро стоит необходимость в разработке и внедрении технологий, которые бы обеспечивали безопасность виртуальных машин.

1 Guide to Security for Full Virtualization Technologies, National Institute of Standards & Technology, 2011.

4

РАЗДЕЛ 1. ПРИНЦИПЫ И КОНЦЕПЦИИ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ ВИРТУАЛЬНЫХ МАШИН И БЕЗОПАСНОСТИ

ВИРТУАЛЬНЫХ МАШИН

1.1. Принципы работы виртуальных машин

Виртуализация – процесс создания программной (виртуальной) версии компьютера с выделенным центральным процессором (ЦП), памятью и ресурсами хранения, которые «заимствуются» у физического компьютера (например, персонального компьютера) и/или удаленного сервера, например сервера-поставщика облачных услуг. Виртуальная машина (ВМ) – компьютерный файл (обычно называемый изображением), который действует как обычный компьютер. Физическое («реальное») оборудование, на котором работает ВМ, обычно называется «хостом», а ВМ, эмулируемая на этой машине, обычно называется «гостевой».

ВМ служит изолированной средой для запуска собственной операционной системы (ОС) и приложений независимо от базовой хостсистемы или других ВМ на этом хосте. ОС ВМ обычно называют гостевой ОС, и она может быть такой же или отличаться от ОС хоста или других ВМ. Таким образом, на одном компьютере может быть размещено несколько ВМ, все из которых запускают различные ОС

иприложения, не влияя и не мешая друг другу. ВМ по-прежнему зависит от физических ресурсов хоста, но эти ресурсы виртуализированы, распределены между ВМ и могут быть переназначены по мере необходимости, что позволяет одновременно запускать различные среды, а также учитывать изменения рабочей нагрузки [1].

Выделяют два типа ВМ системные ВМ и ВМ процессов.

Системная виртуальная машина – программная эмуляция компьютерной системы. Она имитирует работу всего компьютера.

Ввычислительной технике эмулятор – аппаратное или программное обеспечение, которое позволяет одной компьютерной системе (хост) вести себя как другая компьютерная система (гость). Эмулятор обычно позволяет хост-системе запускать программное обеспечение или использовать периферийные устройства, предназначенные для гостевой системы.

ВМ данного типа предоставляют полную системную платформу

иобеспечивают выполнение полной виртуальной операционной

5

системы. Системная ВМ предоставляет среду для полной установки ОС. На рис. 1.1 показано, что аппаратное обеспечение физической машины распределяется между двумя симулированными операционными системами с использованием гипервизора (virtual machine monitor, VMM). И затем некоторые программы, процессы (applications, APPs) выполняются на этом распределенном оборудовании ВМнезависимо друг от друга.

Рис. 1.1. Системная ВМ

Такая среда позволяет нескольким операционным системам (ВМ) работать на хост-системе, совместно используя физические ресурсы.

Системная ВМ предоставляет платформу для выполнения полноценной операционной системы. Она создает несколько различных изолированных идентичных сред выполнения в одном компьютере путем разделения памяти компьютера для установки и выполнения различных операционных систем одновременно. Таким образом, это позволяет устанавливать приложения в каждой операционной системе, запускать приложение в этой операционной системе как при работе на физической машине. Например, с помощью ВМ можно установить Linux Ubuntu/Kali в операционной системе Windows 10.

ВМ процесса, иногда называемая ВМй приложения или управляемой средой исполнения (Managed Runtime Environment, MRE), работает как обычное приложение внутри ОС хоста и поддерживает

6

один процесс. Она создается при запуске процесса и уничтожается при его завершении. Ее цель – обеспечить независимую от платформы среду программирования, которая абстрагируется от деталей базового оборудования или операционной системы и позволяет программе выполняться одинаково на любой платформе.

Рис. 1.2. ВМ процесса

ВМ процесса, в отличие от системных ВМ не дают возможности полностью установить виртуальную операционную систему. Скорее они создают виртуальную среду этой ОС во время использования ка- кого-либо приложения или программы, и эта среда будет уничтожена, как только приложение будет закрыто. Как показано на рис. 1.2, на основной ОС запущено несколько приложений, а также создано несколько ВМдля запуска других приложений. Это показывает, что поскольку для этих программ требуется другая ОС, ВМ процесса предоставила им эту ОС на время работы этих программ [2].

Этот тип ВМ стал популярным благодаря языку программирования Java, который реализован с помощью ВМ Java. Другие примеры включают ВМ Parrot и .NET Framework, которая работает на ВМ под названием Common Language Runtime [3].

7

1.2. Риски использования ВМ

При использовании ВМ пользователь должен быть осведомлен о ряде рисков, с которыми он может столкнуться.

Разрастание виртуальных машин. Этот термин используется для описания ситуации, когда количество ВМ сети выходит за рамки возможности эффективного управления ими. Хотя настройка ВМ может быть проще, чем настройка реальных физических машин, ВМ имеют практически те же требования к лицензированию, безопасности и соответствию нормативным требованиям, что и реальные физические машины.

Довольно часто можно наблюдать, что ВМ быстро настраиваются, но отстают в плане наличия самых последних обновлений и конфигурации. Это может привезти к появлению уязвимостей, связанных с безопасностью.

Существует несколько инструментов для управления разрастанием ВМ, которые предоставляют единый пользовательский интерфейс, с помощью которого можно контролировать и управлять всеми ВМ, работающими в сети. Такие приложения содержат всю необходимую информацию, включая отображение физических машин, расположение хранилищ и лицензии на программное обеспечение.

Сложность мониторинга. Один из рисков виртуализированных платформ заключается в том, что количество уровней, через которые реализуется инфраструктура ВМ, крайне велико. Поиск и устранение неисправностей в событиях, журналах активности и сбоях может быть довольно сложным. Очень важно правильно настроить программные инструменты, чтобы обеспечить точный сбор всей информации, необходимой для мониторинга.

Потеря данных, взлом и хакерские атаки. Как и физические машины, ВМ содержат большое количество таких важных конфиденциальных данных, как личные данные, профили пользователей, пароли, лицензионные ключи и история. Хотя риск потери данных высок как для физических, так и для ВМ, для последних он гораздо выше, поскольку переместить файлы и изображения с ВМ гораздо проще, чем взломать физические машины через сетевые соединения. Многие изображения и моментальные снимки создаются ВМ для

8

развертывания или восстановления системы, и они могут быть подвержены краже данных.

Существует несколько способов снижения таких рисков. Одним из способов является использование решений для шифрования на основе закрытого ключа. Также крайне важно иметь всеобъемлющие механизмы и средства контроля хранения образов и снимков.

Отсутствие прозрачности трафика виртуальных сетей. Одной из самых больших проблем виртуализации является отсутствие видимости виртуальных сетей, используемых для связи между ВМ. Это создает проблемы при применении политики безопасности, поскольку трафик, проходящий через виртуальные сети, может быть не виден таким устройствам, как системы обнаружения вторжений, установленные в физической сети. Это связано с природой виртуализированных систем. Сетевой трафик, проходящий между ВМ, не исходит от конкретного узла, и гипервизор, как правило, не в состоянии отслеживать все соединения, происходящие между ВМ.

Существуют программные инструменты, которые могут отслеживать виртуальный сетевой трафик, и их необходимо применять при использовании ВМ. Кроме того, рекомендуется использовать гипервизор, который может контролировать каждый экземпляр операционной системы отдельно.

Приостановленные и неактивные виртуальные машины.

Одни из существенных недостатков виртуализированных систем – неработающие или неактивные ВМ. По своей природе, они могут быть инициализированы, когда это необходимо. Аналогичным образом, можно приостановить (сделать неактивными) или перевести в неактивный режим в зависимости от потребностей в ресурсах в данный момент.

Обновления программного обеспечения безопасности и развертывание важных патчей прекращаются для неактивных или приостановленных ВМ. За то время, пока они находятся в неактивном режиме, они, по сути, устаревают. Поэтому, когда их снова подключают к сети, возникают уязвимости, пока патчи и программное обеспечение не будут обновлены. Это повышает риск кражи данных.

Данная проблема может быть решена посредством разработки специальных правил для управления неактивными ВМ. Также необходимо использовать программные инструменты, которые распознают момент возвращения неактивных или автономных ВМ в

9

активный режим и обеспечивают немедленную синхронизацию их конфигурации.

1.3. Монитор ВМ – гипервизор

Гипервизор (монитор ВМ, VMM, виртуализатор) – компьютерное программное обеспечение, микропрограмма или аппаратное обеспечение, которое создает и запускает ВМ. Гипервизор представляет гостевым операционным системам виртуальную операционную платформу и управляет выполнением гостевых операционных систем. Несколько экземпляров различных операционных систем могут совместно использовать виртуализированные аппаратные ресурсы, например экземпляры Linux, Windows и macOS могут работать на одной физической машине.

Выделяют два основных типа гипервизоров. Первый тип называют встроенными гипервизорами, или гипервизорами «на голом железе» (bare-metal). Эти гипервизоры запускаются непосредственно на аппаратном обеспечении хоста для контроля аппаратного обеспечения и управления гостевыми операционными системами. Он не требует наличия базовой серверной операционной системы и имеет доступ к аппаратным ресурсам напрямую. По этой причине их иногда называют гипервизорами «на голом железе» (рис. 1.3).

Эти гипервизоры очень эффективны, поскольку имеют прямой доступ к таким физическим аппаратным ресурсам, как процессор, память, сеть, физическое хранилище, что повышает безопасность и снижает риск взлома злоумышленником.

Одним из недостатков гипервизоров первого типа является то, что им обычно требуется отдельная машина для выполнения операций, для управления виртуальными машинами и аппаратными ресурсами хоста.

Второй тип называют размещенными гипервизорами. Гипервизоры второго типа работают под управлением обычной операционной системы (ОС) так же, как и другие компьютерные программы. Гостевая операционная система запускается как процесс на хосте (рис. 1.4). Гипервизор делает запрос к операционной системе хоста. Гипервизоры второго типа отделяют гостевые операционные системы от операционной системы хоста.

10