云计算环境下数字图书馆虚拟化安全问题与对策研究

摘要：随着云计算环境下数字图书馆的发展，基于云计算的数字图书馆虚拟化安全问题逐渐成为人们关注重点，同时也带来了新的安全威胁。文章首先描述了云计算环境下数字图书馆存在的虚拟化安全问题。然后，介绍了云计算环境下数字图书馆虚拟化安全防御和保护采用的方法，从虚拟化安全和“云”数字图书馆建设角度出发，提出了相应的安全策略与建议。这种安全策略能够提高云计算环境下数字图书馆虚拟化系统的整体安全性。

关键词：“云”计算数字图书馆虚拟化安全问题对策

中图分类号：G25０．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：1003-69３８（２０12）０6－0029-04

1引言

随着云计算技术的发展与成熟，利用云计算技术建设安全、高效、经济、低碳的数字图书馆，按需为读者提供个性化数字阅读服务成为图书馆发展的趋势与必然。云计算环境下，数字图书馆具有基础设施结构复杂、安全威胁增多、读者云阅读需求多样化、云阅读活动满意度与收益率要求高的特点。因此，利用虚拟化技术对云计算、云存储和网络资源进行统一管理和资源共享，实现云基础设施、操作系统和读者服务软件等IT资源表示、访问、配置的简化管理，并提供标准的接口来进行数据输入和输出，是实现数字图书馆云系统资源最优化管理与分配的保障。

Gartner预测到2015年，企业数据中心40%的安全资源管理内容将是虚拟化的。因此，随着虚拟化技术在数字图书馆建设、运营、维护活动中的普及，利用虚拟化技术在降低云图书馆建设、管理、运营、维护成本，并提高数字图书馆云系统组织、结构逻辑性的同时，保证数字图书馆云应用安全和读者云阅读活动服务质量，是关系云计算环境下数字图书馆虚拟化建设与安全所面临的重要问题［1］。

2云图书馆虚拟化安全问题与需求

虚拟化是云计算的关键支撑技术，为云计算环境下数字图书馆云计算、云存储、网络、用户桌面与阅读应用等资源提供逻辑化的资源管理、分配与优化。在大幅度降低云图书馆建设、管理与使用成本的前提下，提高资源的可管性与可用性。云计算环境下，虚拟化安全问题是关系云图书馆建设与读者云阅读活动服务质量的关键因素，也是云图书馆可用性效能判定的重要指标。

2.1虚拟化环境更加复杂、多变

随着虚拟化技术的应用，数字图书馆在大幅降低云计算、云存储和管理服务器硬件设备采购数量的前提下，利用虚拟化技术将单一服务器划分为若干个虚拟化设备，依据读者云阅读服务活动资源使用量按需分配。

虚拟化技术虽然提升了数字图书馆云数据中心资源的管理与使用效率，但是，单一物理服务器所承载的业务将更加密集、繁重，物理设备在逻辑上的隔离也无法保证不同用户、业务应用系统之间的完全隔离，数字图书馆传统意义上的安全界限将更加模糊和难以划定。此外，虚拟化环境下云基础设施结构与软件系统环境将更加复杂、多变，增加了黑客利用虚拟机操作系统和应用程序漏洞进行攻击的成功概率。同时，虚拟化环境下数字图书馆安全防范的对象与内容进一步扩大，对核心系统的攻击可能会造成云图书馆服务中断、系统崩溃和控制权限丢失。第三，黑客可能会利用虚拟化技术的超级计算能力发起对云数据中心的攻击，并巧妙隐藏个人行踪，使非法攻击难以预测和发现［2］。

2.2云图书馆虚拟化安全应用效率要求增加

云计算环境下，数字图书馆虚拟化应用具有智能管理、自动配置和动态迁移的特点。同时，复杂的云基础设施结构与读者数量具有极大不确定性。因此，造成云图书馆在虚拟化应用安全策略的制定、实施、管理和监测上具有较大难度，应根据虚拟化应用安全需求、用户要求、环境特点和客户端现状而制定相应的安全策略。此外，在不同虚拟机上执行安全防护策略时，应对虚拟化安全监测的范围、时间、内容与标准进行合理规划，并部署具有虚拟化感知能力的安全解决方案，避免虚拟化安全应用占用过多的系统资源而导致数据中心整体性能下降。第三，需加强虚拟化管理员与云计算、云存储、云系统管理员的技术协调。在提高云图书馆虚拟化应用安全性的前提下，避免“防病毒风暴”的产生，确保云数据中心管理、运营活动的高效和有序。

2.3虚拟化网络安全问题更加突出

虚拟化环境下，云数字图书馆网络拓扑结构重新组合，云数据中心网络、云图书馆功能区域内部网络、服务器物理设备内部逻辑网络结构的变化，产生了许多新的安全问题。同时，虚拟化网络内部安全区域划分更加模糊，传统的软、硬件防火墙和网关设备无法通过建立多个安全隔离区及制定、实施不同的安全策略来满足系统设备与虚拟化应用安全需求。此外，虚拟交换机与外部拓扑网络结构易变，导致云系统安全威胁与攻击对象无法准确定位，造成安全问题的扩散。第三，云计算环境中虚拟机迁移频率和虚拟化设备之间的数据交换量，随着图书馆云服务业务量的不断增长而增加。此外，不同虚拟设备之间通信链路的建立与断开具有极大的随机性。因此，利用虚拟化网络建立和虚拟机之间的数据通信过程进行渗透攻击，成为黑客攻击虚拟化网络的重要方式［3］。

2.4虚拟化技术存在安全隐患

随着云计算技术的发展，虚拟化技术在数字图书馆建设、服务活动中的应用范围不断扩展，其功能和可用性也不断增强。但是，虚拟化技术在提高云系统可管性、易用性的同时，也增加了系统复杂度，导致虚拟化安全漏洞和安全防范内容不断增加，比传统数字图书馆IT环境更容易受到攻击。

首先，为了提高虚拟机的安全性，应根据虚拟机应用类别和安全需求级别进行云资源与用户的逻辑隔离。但是，传统利用网关、防火墙等方式进行设备物理隔离的方法，已不能适用于采用逻辑划分方式所建立的虚拟化系统。因此，不正确的虚拟机安全隔离方式可能会造成数据的泄漏或者云系统工作效率的下降。第二，虚拟设备的迁移、逃逸等问题，会造成网络地址、端口等参数的随机变化，增加了管理员监控、管理虚拟化设备的难度，使黑客更易于获得虚拟设备的控制权。第三，云计算环境下数字图书馆读者服务具有突发性和随机性的特点，虚拟机在云资源分配活动中可能会因为不科学的资源管理、分配策略和优先级别划分方式，而导致资源分配、使用效率的降低和无节制滥用资源。

2.5虚拟化安全攻击形式多样化

与传统IT环境相比，云计算环境下数字图书馆遇到的安全问题更加复杂、多变，虚拟化技术在提高云系统管理、运营效率的同时，也增加了系统的复杂度和管理难度。

在虚拟化环境下，云图书馆除面临传统的安全威胁和攻击方法外，利用虚拟化管理、应用程序漏洞而发起的，以获得云系统控制权和降低云系统运营效率的攻击，成为云图书馆所面临的主要安全攻击方式。其次，如何快速有效地对处于快照、休眠、激活过程中的虚拟机提供有效安全防护策略，确保虚拟机从休眠状态过渡到激活状态时及时获得保护。第三，云计算环境下，黑客常通过租赁或攻击的方式获得某一虚拟机的控制权，进而借助此虚拟机发起对整个云系统的攻击。如何通过有效部署和虚拟化环境底层系统无缝集成的安全解决方案，有效实现对云系统内部虚拟设备之间数据通信的监控、屏蔽与隔离，是确保虚拟系统整体安全的有效方法［4］。

3云图书馆虚拟化安全管理策略

3.1提高虚拟化系统健壮性

提高虚拟化系统自身健壮性，是确保云图书馆数据中心硬件设施、管理与控制系统、应用与服务系统平台、安全防御系统自身免疫力，免受已知和未知病毒、攻击方式、系统漏洞侵害的首要条件。

首先，图书馆应根据服务商云租赁平台安全特点、云图书馆安全需求、虚拟化应用类型、安全需求和环境特点，在保证虚拟化系统安全标准和虚拟化应用效率的前提下，与云服务提供商共同制定相应的安全管理策略，实现虚拟化资源收集和分配的细粒度管理，确保虚拟化应用具有较高的可见性、相关性、可用性和扩展性。其次，应保证虚拟机部署活动高效、精细、可控、安全，虚拟机应用过程符合云计算和虚拟化应用安全标准。第三，云计算安全监测和管理平台能够全程、大范围地实施监控管理，能够识别并预测未知风险和威胁，并通过安全报警、主动防御、日志审查和智能预测等方式保障虚拟化应用安全。第四，应通过集中、压缩、过滤虚拟化应用过程和数据量的方式，大幅降低虚拟化应用与管理的成本、难度和复杂度，实现数字图书馆虚拟化资源与应用的集中控制、细粒度管理、资源快捷交付和基于安全策略的访问控制［5］。

3.2基于传统IT架构的虚拟化安全嵌入

云计算环境下，数字图书馆通常以云迁移的方式进行云基础设施和服务环境的构建。因此，基于传统IT架构基础之上的虚拟化安全嵌入，是实现云图书馆建设投资收益最优化的有效途径。

首先，在虚拟化技术选取和虚拟化应用构建初期，应结合虚拟化安全需求和云安全环境特点，将安全机制内嵌入虚拟化环境中，保证云计算环境下虚拟化具有较高的安全标准。其次，在虚拟化资源管理和虚拟机软件运行过程中，依据虚拟化应用实际划分详细的安全隔离区域和不同等级的安全标准，实现虚拟化资源与数据交流的安全控制策略。第三，虚拟化安全管理与应用必须确保具有较少的云系统资源消耗量，实现虚拟化安全收益和云系统资源消耗的最优化交付。第四，在虚拟化安全策略制定和实施过程中，应减少对物理基础设施安全管理方式的依赖性，不断提高物理设备虚拟化管理的可视性和可控性，实现服务器集群、虚拟化资源池、虚拟化网络、虚拟化数据中心的自动化配置。

3.3虚拟化网络安全防护

3.3.1确保虚拟化网络易监控和可管理

随着云计算环境下虚拟化系统结构和虚拟化应用复杂度的不断增加，许多云租户可能会共享位于同一物理设备上的不同虚拟机，云服务提供商也可能会根据数字图书馆不同云应用需求而分配位于不同物理设备上的虚拟机。因此，虚拟化网络结构复杂、虚拟化交换设备流量激增，是云计算环境下虚拟化网络的特点。

首先，应将多个虚拟化网络设备整体绑定为一个逻辑设备统一管理，并根据虚拟化设备的应用特点和安全要求，划分不同的安全区域并制定相应的安全策略。同时，利用虚拟化软件防护、虚拟化防火墙和入侵检测方法，在减少安全资本投入和合理使用资源的前提下，提高虚拟化网络的安全性。其次，应自动化、智能化地实现网络入侵防御和网络安全漏洞修复，能够利用云防毒技术预测、判定和防范未知病毒，并对重要数据在网络传输前实施加密。第三，云图书馆不同用户和虚拟化应用可能会使用同一物理设备上的虚拟机，并且具有不同的安全标准和要求。因此，在虚拟机安全管理上应避免依据物理设备位置和端口进行安全绑定。应依据用户和虚拟化应用的IP地址、Vlan等标识，把安全设备上的虚拟设备与用户资源池对应起来，实现虚拟化网络标识层面的安全防护［6］。

3.3.2实现虚拟化网络数据流量的监测和安全管理

云计算环境下，数字图书馆虚拟化网络数据传输主要可分为两种方式。一是数据流经数据中心不同物理设备或经过交换设备转发而流向用户，二是数据在某一物理设备内部不同虚拟机之间交换。因此，虚拟化网络具有组织结构复杂性和拓扑结构不确定性，虚拟化网络传输具有数据流量大、网络结构逻辑化、网络拓扑结构易变和网络流量可控性差的特点。

流经数据中心不同物理设备或经过交换设备转发而流向读者的数据，是云图书馆交换设备、网关、入侵防御设备的主要安全保障对象，其传输安全、有效性是云图书馆用户服务质量保障的前提。因此，对于此类数据的监控和管理，主要以依靠传统IT环境下的网络监控、防御系统为主。根据数据传输区域和对象实际在交换节点部署安全设备，并结合不同用户数据传输安全和质量要求制定相应的转发、隔离和安全管理策略，在符合数据传输安全要求的前提下保证传输质量。

同一物理设备内部不同虚拟机之间的数据传输是虚拟化网络存在的特有问题。同一物理设备内部不同虚拟机数据交换的复杂性、不可预测性和不可见性，是导致虚拟机之间数据监控、管理难度增大的主要原因。因此，在传统监控、管理设备和安全策略无法对虚拟机数据传输实施管理的情况下，应建立高效的虚拟交换机并设置相应的访问控制和数据交换策略，实现不同虚拟机之间的网络层数据传输监控和流量漏洞攻击行为检测，并利用虚拟网络防火墙实现虚拟化数据传输的管理和数据流分离［7］。

3.4加强虚拟化设备管理和应用安全性

云计算环境下，数字图书馆如何根据读者云阅读服务和虚拟化管理安全需求，结合虚拟化应用系统自身结构、运营特点，智能、自动化地对虚拟设备进行管理安全策略和运行可靠性检查，是确保物理设备和虚拟化系统运营安全、高效的前提。

虚拟化设备安全内容主要为物理设备的可虚拟划分性、操作系统可靠性、虚拟化管理程序高效性、虚拟化应用程序可执行性、相关数据的安全保密性等方面内容。首先，应坚持虚拟化系统与应用程序的整体安全性能评估和虚拟化应用系统运行可靠性测试，确保虚拟化应用程序安全、透明、高效、灵活，在提高单一虚拟化程序运营效率时以不降低整体系统性能为代价。其次，应根据虚拟化应用安全需求划分不同的安全等级。对涉及云图书馆管理、运营、安全、服务的虚拟化应用，应创建位于不同物理设备的备份虚拟机，确保当主虚拟机出现故障时快速切换，保证虚拟化应用的连续性。第三，应根据虚拟化应用优先级别和资源使用量，在降低虚拟化应用管理复杂度的前提下，实现虚拟化资源的动态分配和智能化负载迁移，确保虚拟化应用系统安全、高效、均衡、经济。第四，为了提高虚拟化应用安全，应将虚拟服务器的配置文件和虚拟硬盘镜像文件进行备份，当数字图书馆虚拟化应用停止工作时，只需将备份好的文件还原到新的服务器上即可恢复服务。此外，应对安全标准要求高的虚拟机实现加密的数据通信。

3.5提高虚拟化安全管理策略的高效性和可执行性

制定高效、可执行的虚拟化安全管理策略，是保障云图书馆虚拟化安全的前提和必要条件。

首先，应根据虚拟化系统组织结构和功能，将云服务供应商和云图书馆安全职责内容明确，并依据云计算安全标准对虚拟化安全配置和应用进行测试、评估。同时，应对数据进行分类存储和流量分流，加强虚拟化系统的监控、安全分析与数据访问的身份管理。其次，应加强用户虚拟化阅读终端设备的安全管理，通过托管、身份管理、日志审查、安全补丁等较低的安全投入，确保虚拟桌面具有较强的系统可操作性和数据可靠性。第三，应从提高云图书馆虚拟化应用管理安全、高效、经济、可控性目的出发，由云图书馆虚拟化管理员创建用户对虚拟化系统的细粒度访问控制政策，并对访问活动全面监控、记录和上报。第四，结合所制定的虚拟化安全管理策略，部署智能、自动化的系统管理、监管和监视工具，并通过宿主机的最小化安装来降低黑客可攻击的接口数量和攻击成功概率［8］。

3.6建设开放、可靠的安全防御系统

虚拟化应用增加了云图书馆管理和用户服务系统结构复杂性，传统的安全防御体系已不能完全解决云虚拟化应用环境中的安全问题。必须结合数字图书馆虚拟化应用安全实际，建设安全、可靠的云图书馆虚拟化安全防御系统，并制定相应有效的安全防御策略。

首先，应根据虚拟机安全级别和任务量，对一些涉及云图书馆安全性和云阅读活动服务质量的虚拟机，通过分配独立CPU、硬盘等方式，以及采用虚拟化和物理化双层隔离的方式来保障虚拟设备应用安全。同时，可通过在数据库和应用程序层间设置防火墙、隔离区（DMZ）内运行虚拟化、安全监控、漏洞补丁等方式，消除虚拟机溢出隐患。其次，云图书馆在开发、购买虚拟化应用产品时，应加强对API（应用程序编程接口）开放程度的监管，确保开发、购买的云图书馆虚拟化产品具有较高的安全性和可控性。第三，应定期全面、系统地评估云图书馆系统架构和虚拟化应用系统的健壮性，并有针对性地进行系统安全加固和应用程序的更新。第四，必须加强虚拟防火墙的部署和网络入侵检测。应特别加强虚拟防火墙在核心交换机和骨干服务器群之间、物理网络和虚拟网络之间、不同虚拟化网络之间位置的部署，并对可疑或者非法虚拟机流量进行强制隔离［9］。

4结语

云计算环境下，随着云图书馆建设规模的不断壮大和服务功能的扩展，数字图书馆虚拟化安全问题将直接关系到云图书馆的服务质量和未来发展，是一个涉及云图书馆基础设施架构可靠性、云图书馆运营与管理效率、读者云阅读活动满意度、云图书馆安全的重要问题。因此，只有将虚拟化安全问题与云图书馆系统拓扑架构科学性建设相结合，将虚拟化安全管理有效性与读者云服务系统可管、可用性相结合，坚持虚拟化安全建设高效、可管、经济、易用的原则，在不影响云系统运营效率的前提下实现虚拟化安全投入的最优化收益，才能确保云计算环境下数字图书馆虚拟化应用安全、高效，为读者提供满意的云个性化数字阅读服务［10］。

参考文献：

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［10］刘炜.图书馆需要一朵怎样的“云”？［J］.大学图书馆学报，2009，（4）：2-6.

作者简介：陈臣（1974－），男，兰州商学院网络中心讲师，研究方向：云计算、数字图书馆建设、数字图书馆网络安全。