品川高廣

筑波大学 講師

ディペンダブルな クラウド環境を支える クライアント仮想化技術

発表概要

•クラウド時代の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」に基づくディペンダビリティ向上

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第１部

クラウド時代の クライアントの役割

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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（フロントエンド）

クラウド

クライアント

ユーザー

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高性能なクライアントは不要？

ブラウザさえ動けば何でもよい？

世界に必要なコンピュータは５つだけ？

クラウド クライアント

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The NIST Definition of Cloud Computing

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).

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クライアントとサーバの性能バランス

サーバ 高性能

サーバ 低性能 （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 ダム端末

クライアント・ サーバ

Web （テキスト＋画像）

PC （スタンドアロン）

リッチクライアント Ajax, Flash, HTML5

シンクライアント X端末

iPhoneアプリ

Google検索

クラウド コンピューティング

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集中処理 ⇒ 集中管理

集中処理することで集中管理を実現している

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，…

•運用管理が容易

•インストール，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

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集中管理 ≠ 集中処理

「集中管理 ＆ 分散処理」は実現可能

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（ブラウザ，iPhone App）

運用管理

•安全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

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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

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クライアント（PC）は

クラウド環境においても

依然として重要である

本研究の目指すクライアント

高機能のまま「安全」「簡単」にする 既存のクライアント（PC）をディペンダブルに

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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

運用管理（容易）

•複雑な設定が不要

•確実に利用可能

第２部

クライアント向け 仮想化ソフトウェア 「BitVisor」

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仮想マシン （VM: Virtual Machine）

仮想マシン （VM: Virtual Machine）

仮想化ソフトウェア（仮想マシンモニタ）とは 仮想的な実行環境＝仮想マシンを生み出すソフトウェア

ハードウェア

仮想マシン （VM: Virtual Machine）

仮想マシンモニタ （VMM: Virtual Machine Monitor）

ゲストＯＳ

ハードウェア

物理マシン

ＯＳ

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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

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仮想マシンモニタを使う利点

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

• 運用管理

• 互換性

• OSを変更しなくてよい ハードウェア

仮想マシン

仮想マシンモニタ

ゲストＯＳ

仮想マシンモニタの構造

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ホストOS

仮想マシンモニタ

ゲストOS ゲストOS

仮想マシンモニタ

ゲストOS ゲストOS

デバイスドライバ デバイスドライバ

デバイスモデル

仮想マシンモニタ

Domain 0

ゲストOS

デバイスドライバ

リソース管理

抽象化層

デバイスモデル

ハードウェア ハードウェア ハードウェア

リソース管理

リソース管理

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

２０万行 (VMWare ESX Server)

１０万行+Domain 0 (Xen)

従来の仮想マシンモニタの問題点

•仮想マシンモニタ自身のセキュリティ

• OSを丸ごと含むくらいの巨大・複雑なシステム

• E.g. ホストOSに定期的にパッチを当てる必要がある

•ハードウェア資源の有効活用を阻害

• 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

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ホストOS

仮想マシンモニタ

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

仮想マシンモニタ

ハードウェア

仮想化ソフトウェア「BitVisor」

クライアントに特化した軽量な仮想マシンモニタ

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ゲストＯＳ デバイスドライバ

デバイス メディエータ

ATA VGA HID USB NIC

拡張機能

拡張機能１

拡張機能２ ATA USB NIC

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

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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，運用管理が目的

•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

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ハードウェア対応状況 •基本ハードウェア • Intel VT, AMD-V (32bit/64bit)

• ストレージ • HDD (ATA/AHCI)

• CD/DVD/Blu-ray (ATAPI)

• USBメモリ (UHCI (USB1.1)/EHCI (USB2.0))

•ネットワーク • Intel PRO 100/1000 シリーズ

• 82566MM, 82566DC, 82567LM, 82572EI, 82562V-2 10/100

• Realtek RTL 8169 (Experimental)

• RTL8111/8168B

第３部

「BitVisor」に基づく クライアントの ディペンダビリティ向上

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「BitVisor」の応用例

•セキュアVM

•システムファイル保護 セキュリティ

•透過的ネットワークブート

•透過的VPN切り替え 運用

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セキュアＶＭ

• PCからの情報漏洩を防止する

• ストレージ経由での情報漏洩防止

• HDDやUSBメモリ等を強制的に暗号化

• ネットワーク経由での情報漏洩防止

• ネットワーク通信を強制的に暗号化

• 接続先サーバを強制

• 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

ICカード

ネットワーク

ストレージ

ゲストOS

デバイス

デバイスドライバ

拡張機能

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セキュアＶＭ （実現手法） • VMMで３種類のデバイスを管理

• ストレージ・アクセスを捕捉・暗号化 • ATA/ATAPI 及び USB1.1/2.0を捕捉

• AES-XTS（IEEE 1619）方式で暗号化

• ネットワーク・アクセスを捕捉・暗号化 • NIC（Intel PRO 100/1000）を捕捉

• IPSecでVPN接続

• IPv4/IPv6，パスワード認証，証明書認証

• 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

• Type B の ICカードにアクセス

• PC/SC, CCIDプロトコル

ATA NIC USB

ストレージ管理

ネットワーク管理

ID管理

デバイス メディエータ

ATA NIC USB

ATA NIC USB セキュアVM

VMM

ハードウェア

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システムファイル保護

• PCの乗っ取りを防止する

• システムファイルを完全に保護する

• OSの重要なファイル

• カーネル・イメージ，デバイスドライバ，…

• セキュリティソフトウェア

• アンチウィルス，…

• カーネル・ルートキットからも保護する

• 直接デバイスI/Oでも書き込めない

• 再起動すれば元に戻る

• 最終ラインでのディフェンス

システムファイル保護 （実現手法）

• VMMでストレージアクセスを監視

• システムファイルへの書き換えを検出

• ファイルのデータ領域

• メタデータ領域

• 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

• セマンティックギャップを克服

• 低オーバーヘッドで実現

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ゲストOS

デバイス

デバイスドライバ

拡張機能

ATA NIC USB

保護モジュール デバイス メディエータ

ATA

ATA NIC USB VM

VMM

ハードウェア

保護ポリシー

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

• 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資源をフル活用

• 内蔵機器・周辺機器をOSが完全管理

• Blu-ray，USB3.0，各種USB機器，各種PCIデバイス，…

• 省電力（デバイスの電源制御），最適化（デフラグなど），…

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クライアント

サーバ （クラウド）

透過的ネットワークブート （実現手法） • VMMでディスクアクセスを ネットワーク転送

• OSに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

• MS-DOSでも起動する

• ATAへのアクセスをパケットに変換

• ATA over Ethernetプロトコルを使用

• 最小限の変換処理で実現可能

• 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

• 任意のAoEサーバを使用可能

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ゲストOS

デバイス

デバイスドライバ

拡張機能

ATA NIC USB

ATA監視

NICアクセス

ATA-AoE変換

デバイス メディエータ

ATA NIC

NIC USB VM

VMM

ハードウェア

ATA

透過的VPN切り替え

•クラウドへの接続の可用性を確保する

• ネットワーク～サーバでの障害に対応

• インターネット層での経路障害

• VPNサーバ故障

• OSやユーザは切り替えを意識しない

• あたかも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

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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

× ×

透過的VPN切り替え （実現手法）

• VMMでVPN接続を切り替え

• 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

• VMMで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

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ゲストOS

デバイス

デバイスドライバ

拡張機能

ATA NIC USB

VPNクライアント

ID管理

デバイス メディエータ

NIC

ATA NIC USB セキュアVM

VMM

ハードウェア

「BitVisor」の応用例一覧

•セキュアVM

•システムファイル保護 セキュリティ

•透過的ネットワークブート

•透過的VPN切り替え 運用

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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化ソフトウェア「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

• 運用管理： 透過的VPN切り替え，透過的ネットワークブート

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BitVisorの入手・サポート

http://www.bitvisor.org/

セキュアVMの販売・サポート

株式会社イーゲル

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