[发明专利]一种应用程序关键数据保护系统及其保护方法

说明书

技术领域

本发明涉及应用程序所使用的高安全要求的关键数据保护领域，尤其涉及一种不可信操作系统内核条件下的保护应用程序关键数据的虚拟机监控器实现及其关键数据保护方法。

背景技术

操作系统通常作为上层应用程序可信计算基的一部分,其安全性是可信执行环境的重要基础。但是，由于其庞大的代码规模和设计实现过程难于避免的缺陷，操作系统的安全性不能令人完全信任它。事实上，随着软件规模的不断增大，存在漏洞会更多。此外，云计算模式越来越普及，多用户共用同一个计算环境的情况下，用户对自身重要信息的保护的需求更加迫切。发展基于用户立场的数据保护技术，是非常必要的。计算机硬件虚拟化技术为此提供的较好的条件和基础。利用计算机硬件虚拟化技术，提供更为个性化的数据保护技术和方法，即使当操作系统被攻击时，也能够保证用户关键数据的保密性，具有现实意义。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种应用程序关键数据保护系统及其保护方法，阻止操作系统内核级别的恶意攻击，为应用程序关键数据提供安全保护。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种应用程序关键数据保护系统，包括宿主进程、客户机操作系统、计算机硬件和关键数据保护器；

宿主进程利用客户机操作系统访问计算机硬件，当需要关键数据保护时，向关键数据保护器发出请求，并在关键数据保护器控制下对关键数据执行读写操作；

关键数据保护器运行在计算机硬件上，为宿主进程中的关键数据提供隔离保护环境，并对关键数据进行管理和访问处理。

一种应用程序关键数据保护方法，包括如下步骤：

（1）关键数据保护器的启动与初始化：关键数据保护器由Grub（GRand Unified Bootloader，一个多重启动管理器）引导程序启动后，并启用扩展页表EPT机制和intel的VPID（Virtual-Processor Identifier）技术，用于支持虚拟化环境；

（2）关键数据注册：宿主进程向关键数据保护器发出关键数据保护请求，并利用VMCALL超级调用指令注册关键数据KD（key data），关键数据保护器设置关键数据KD的保护环境；

（3）关键数据访问请求：宿主进程需要访问关键数据KD时，通过VMCALL超级调用指令向关键数据保护器提出对关键数据KD的访问请求；

（4）关键数据保护器判断访问请求合法性；

（5）关键数据访问退出：宿主进程退出访问关键数据KD时，通过VMCALL超级调用指令向关键数据保护器提出对关键数据KD的退出访问请求；

（6）关键数据注销，宿主进程利用VMCALL超级调用指令向关键数据保护器发出关键数据注销请求，关键数据保护器注销关键数据KD的保护环境。

更进一步的，步骤（1）中关键数据保护器的初始化包括如下步骤：

（10）起始状态；

（11）初始化用于连接所有safe_data结构的链表safe_link，safe_data结构唯一对应宿主进程中的关键数据KD，初始化的safe_link为仅包含头结点的空链表；

（12）启用扩展页表EPT机制和VPID机制，启用VPID的目的是为了减少不必要的TLB刷新将虚拟机控制块VMCS中Enable EPT位和Enable VPID位置1；

（13）按照客户机Guest物理地址的大小设置全部的EPT表项，扩展页表EPT页面大小设为4KB，初始化全部EPT表项的READ、WRITE、EXECUTION位置1，保证客户机Guest物理地址与机器物理地址的恒等映射，并将EPT页表基地址存放到虚拟机控制块VMCS的EPTP字段，将关键数据保护器自身所在物理内存区域从EPT页表项中删去，以禁止外部组件访问关键数据保护器自身内容；

（14）结束。

更进一步的，步骤（2）中关键数据保护器注册关键数据KD包括如下步骤：

（20）起始状态；

（21）验证VMCALL超级调用指令传递参数的合法性，即判断关键数据KD的起始地址start和结束地址end是否处在其宿主进程地址空间里面，并且start<end，若传递参数合法，转入步骤22，否则转入步骤2c的错误处理；