クライアント向け仮想化ソフトウェア BitVisor のクラウドへの応用

アカデミッククラウドシンポジウム２０１２

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1. アカデミッククラウドシンポジウム２０１２ クライアント向け仮想化ソフトウェア BitVisor のクラウドへの応用 東京大学 准教授 品川高廣 2012年8月24日（金）
2. 自己紹介 2012/8/24 チュートリアル「仮想化技術最前線」 Single-VM Virtualization 2 品川 高廣 情報基盤センター 情報メディア教育研究部門 准教授 博士（理学） 研究歴 ～2003年 東京大学博士課程 OSによる細粒度保護ドメインの研究 2003年～2006年 東京農工大学助手 OSカーネルでのセキュリティの研究 2006年～2011年 筑波大学講師 仮想化ソフトウェアBitVisorの研究 2011年～現在 東京大学准教授 同上
3. ディペンダブルな自立連合型 クラウドコンピューティング基盤の研究開発 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 3
4. 発表概要 • クラウド環境におけるクライアントの役割 • クライアント向け仮想化ソフトウェア BitVisor • BitVisor によるディペンダビリティ向上 2012/8/28 4 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用
5. 第１部 クラウド環境における クライアントの役割 2012/8/28 5 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用
6. クラウド時代のクライアント クラウドへアクセスするための入り口 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 6 クラウド クライアント ユーザー
7. クライアントの要件 クラウド＝シンクライアント？ ブラウザさえ動けば何でもよい？ 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 7 クラウド クライアント
8. 2012/8/28 8 NISTのクラウドの定義 Essential Characteristics: … Broad network access. Capabilities are available over the network and accessed through standard mechanisms that promote use by heterogeneous thin or thick client platforms (e.g., mobile phones, laptops, and PDAs). アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用
9. クライアントとサーバの性能バランス クライアントとサーバの適度な連携へ 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 9 サーバ 高性能 サーバ なし クライアント高性能 クライアント低性能 メインフレーム ローカルPC リッチクライアント（Ajax, Flash, HTML5） シンクライアント スマートフォン＋アプリ ChromeOS + Google
10. 集中処理 ⇒ 集中管理 集中管理のために集中処理をしている 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 10 サーバ集中管理のメリット • セキュリティ管理が容易 • 情報漏洩防止，情報破壊防止 • システム管理が容易 • インストール，アップデート，バックアップ サーバ集中処理のデメリット • 性能・効率の低下 • レスポンス（応答性） • デバイスの活用 • 機能の分断，電力消費増加
11. 集中管理 ≠ 集中処理 「集中管理 ＆ 分散処理」は実現可能 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 11 セキュリティ管理 • データのセキュリティ • 暗号化，バックアップ • プログラムのセキュリティ • サンドボックス（e.g. Chrome） システム管理 • 安全・容易なアプリケーション配信 • HTTP+HTML&JavaScript • iTunes ストア プログラム データ サーバ クライアント
12. クライアントとクラウドの連携 クライアントに出来ることはクライアントに クライアントの膨大な計算パワーを有効活用 ネットワークに余分な負荷をかけない 物理的に避けられないネットワークレイテンシを回避 クラウドにしか出来ないことはクラウドで 管理（セキュリティ，運用） 超高速計算 超大容量ストレージ 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 12
13. 本研究の目指すクライアント 高機能のまま「安全」「容易」にする 既存のクライアント（PC）をディペンダブルに 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 13 セキュリティ管理 （安全） • 情報漏洩を防止する • ウィルスに感染しない システム管理 （容易） • 複雑な設定が不要 • 確実に利用可能
14. 第２部 クライアント向け 仮想化ソフトウェア 「BitVisor」 2012/8/28 14 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用
15. クライアント仮想化の形態 • サーバ実行型 画面転送型シンクライアント 仮想PC型 サーバーベース型 ブレードPC型 • ローカル実行型 OS配信型クライアント ネットワークブート型 ローカルVM型 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 15
16. VMM（仮想マシンモニタ） VM（Virtual Machine）：仮想マシン 仮想的な実行環境 VMM（Virtual Machine Monitor）：仮想マシンモニタ 仮想マシンを作り出す仮想化ソフトウェア 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 16 VMM ゲストOS ハードウェア VM ゲストOS VM ハードウェア ゲストOS
17. VMMを使う利点 OSに依存しないディペンダビリティの向上 • セキュリティ管理 強力 OSが乗っ取られても大丈夫 強制的 ユーザが勝手に無効にできない • システム管理 互換性 OSを変更しなくてよい 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 17 VMM ゲストOS ハードウェア VM セキュリティ管理 システム運用
18. VMMの構造 2012/8/28 18 ホストOS VMM ゲストOS ゲストOS デバイスドライバ デバイスモデル Domain 0 ゲスト OS デバイスドライバ リソース管理 抽象化層 ハードウェア デバイスモデル ホスト型 (Type-II VMM) ハイパーバイザ型 (Type-I VMM) ハイブリッド型 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 VMM ゲストOS ゲストOS デバイスドライバ デバイスモデル リソース管理 ハードウェア VMM リソース管理 ハードウェア VM VM VM VM VM VM
19. 従来のVMMの問題 • VMM自身のセキュリティ OSを丸ごと含む巨大・複雑なシステム o E.g. ホストOSに定期的にパッチを当てる必要がある • ハードウェアの有効活用を阻害 仮想化されたデバイスしか使えない VM切り替えのオーバーヘッド 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 19 ホストOS VMM ゲストOS ゲストOS デバイスドライバ デバイスモデル リソース管理 抽象化層 ハードウェア VM VM
20. VMM 仮想マシンモニタ「BitVisor」 クライアントに特化した軽量なVMM [Shinagawa et al. VEE ‘09] 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 20 ゲストＯＳ デバイスドライバ ATA VGA HID USB NIC 拡張機能 拡張機能１ 拡張機能２ ATA USB NIC ハードウェア
21. VMMのソースコード・サイズ 2012/8/28 21 Domain 0 ゲスト OS デバイスドライバ デバイスモデル （VMWare ESX Server） ２０万行 （Xen） ２０万行 （hypervisorのみ） アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 VMM ゲストOS ゲストOS デバイスドライバ デバイスモデル リソース管理 ハードウェア VMM リソース管理 ハードウェア VM VM VM VM ゲストOS VMM 拡張機能 ハードウェア VM （BitVisor） ３万行
22. BitVisor の利点 • VMMのセキュリティ向上 VMMのサイズ削減・シンプル化 VMM自身のセキュリティ・アップデートが不要 • 既存環境との互換性 クライアント側の多様なデバイスをフル活用できる 既存の環境への適用可能 仮想化によるオーバーヘッドを削減 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 22
23. BitVisor の制限 • 同時に動作するゲストOSは１つだけ デスクトップ用途では必須ではない セキュリティ管理，システム管理が目的 • デバイスごとに対応が必要 全てのデバイスに対応する必要はない 主要デバイスは対応済み 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 23
24. 第３部 BitVisor による ディペンダビリティ向上 2012/8/28 24 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用
25. 「BitVisor」の応用例 • クライアントのセキュリティ管理 / システム管理 クラウドとも連携して集中管理を実現 VMMによりローカル実行を安全・簡単に実現 2010/11/2 25 • セキュアVM • システムファイル保護 セキュリティ 管理 •透過的VPN切り替え •透過的VPNネットワークブート システム 管理
26. セキュアＶＭ • PCからの情報漏洩を防止  ストレージからの情報漏洩防止  HDDやUSBメモリ等を強制的に暗号化  ネットワークからの情報漏洩防止  ネットワーク通信を強制的に暗号化  ICカードでの鍵管理  暗号化の鍵の安全な保存  接続先・ユーザ認証 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 26 ICカード ネットワーク ストレージ
27. ゲストOS Device Device Driver 拡張機能 セキュアＶＭ（実現） • I/Oを暗号化する ストレージI/Oを捕捉・暗号化 ATA/ATAPI 及び USB1.1/2.0を捕捉 AES-XTSで暗号化 ネットワークI/Oを捕捉・暗号化 NIC（Intel PRO 100/1000）を捕捉 IPSecでVPN接続 ICカードで鍵管理・認証 USB接続のカードリーダにアクセス PC/SC, CCIDプロトコル 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 27 ATA NIC USB ストレージ管理 ネットワーク管理 ID管理 Device Mediator ATA NIC USB ATA NIC USB セキュアVM VMM ハードウェア
28. システムファイル保護 • Rootkit からの保護 [Chubachi et al. SAC ‘10] システムファイルの書き込み を禁止する OSの重要なファイル o カーネル，デバイスドライバ，… セキュリティソフトウェア o アンチウィルス，… カーネルレベルでも書けない 再起動すれば元に戻る 最終ラインでのディフェンス 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 28
29. システムファイル保護（実現） • ストレージへの書き込み を監視する システムファイルの書き換え を検出 o ファイルのデータ領域 o メタデータ領域 o ディレクトリ構造 ファイルとセクタのマッピング を管理 o セマンティックギャップを克服 o 低オーバーヘッドで実現 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 29 ゲストOS Device Device Driver 拡張機能 ATA NIC USB 保護モジュール Device Mediator ATA ATA NIC USB VM VMM ハードウェア 保護ポリシー
30. 透過的VPN切り替え • クラウド接続の可用性を 確保する[Matsuhashi et al. FGCS ‘12] ネットワーク/サーバ障害対応 インターネット層での経路障害 VPNサーバ故障 OS/ユーザは意識しない 基盤として高可用性を実現 ユーザ・管理者に負担をかけない 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 30 クライアント データセンター （クラウド） 専用線 VPN ルータ２ VPN ルータ１ Internet × ×
31. 透過的VPN切り替え（実現） • VPN接続を切り替える  定期的にネットワーク到達性を チェック  VMMからサーバにPingを送る  VPN切断・再接続を実施  利用可能なサーバの選択  IPsecでのコネクションを確立  IPアドレスの不整合などを吸収  TCP接続が切れない  切り替え時間は3秒程度 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 31 ゲストOS Device Device Driver 拡張機能 ATA NIC USB VPNクライアント ID管理 Device Mediator NIC ATA NIC USB セキュアVM VMM ハードウェア
32. 透過的ネットワークブート • 任意のOSをネットワークから ブート可能にする[表ら．ACS論文誌 ‘11] OS・設定に依存しない Windowsをそのままブート可能 Linuxも一切設定なしでブート可能 ローカルのハードウェアをフル活用 内蔵機器・周辺機器をOSが完全管理 o Blu-ray，USB3.0，各種PCIデバイス，… o 省電力（電源制御），最適化（デフラグなど）， … 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 32 クライアント サーバ （クラウド）
33. 透過的ネットワークブート（実現） • ディスクアクセスを ネットワークへ転送する  ATAのインターフェイスを提供  ローカルディスクと同じアクセス方法 o MS-DOSでも起動する  ATAアクセスをAoEに変換  ATA over Ethernet  パケットをネットワークへ転送  ディスクイメージをサーバで集中管理 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 33 ゲストOS Device Device Driver 拡張機能 ATA NIC USB ATA監視 NICアクセス ATA-AoE変換 Device Mediator ATA NIC NIC USB VM VMM ハードウェア ATA
34. まとめ • クラウド時代のクライアント 高機能クライアントも必要 セキュリティ管理，運用管理 • クライアント向け仮想マシンモニタ「BitVisor」 準パススルー型アーキテクチャ VMM自身のセキュリティ，透過性向上 • 「BitVisor」に基づくディペンダビリティ向上 セキュリティ管理： セキュアVM，システムファイル保護 システム管理： 透過的VPN切り替え，透過的ネットブート 2012/8/28 アカデミッククラウドシンポジウム２０１２：クライアント向け仮想化ソフト ウェアBitVisor のクラウドへの応用 34
35. BitVisor の宣伝 • BitVisor に関する情報 ホームページ http://www.bitvisor.org/ メーリングリスト（@bitvisor.org） bitvisor-user（日本語）, bitvisor-user-en（英語） bitvisor-devel（日本語）, bitvisor-devel-en（英語） ソースコード http://sourceforge.net/projects/bitvisor/ • 有償サービス （株）イーゲルが提供 2012/8/24 チュートリアル「仮想化技術最前線」 Single-VM Virtualization 35