一種在虛擬機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動隔離系統(tǒng)與方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種在虛擬機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動隔離系統(tǒng)與方法，涉及計算機(jī)容錯技術(shù)，通過被隔離驅(qū)動程序的授權(quán)表，實現(xiàn)簡單、有效、兼容已有操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序架構(gòu)的基于全虛擬化技術(shù)在虛擬機(jī)內(nèi)部隔離驅(qū)動程序的系統(tǒng)，一種在虛擬機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動隔離系統(tǒng)包括運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊、虛擬機(jī)內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存信息監(jiān)視模塊以及虛擬機(jī)管理器內(nèi)部的內(nèi)存訪問控制模塊，所述虛擬機(jī)內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存信息監(jiān)視模塊包括：包裝函數(shù)庫、隔離控制子模塊以及消息通信子模塊。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，涉及計算機(jī)容錯技術(shù)，特別涉及。
技術(shù)介紹
對于高可靠計算機(jī)系統(tǒng)來說，操作系統(tǒng)的可靠性顯得至關(guān)重要，但是由于操作系統(tǒng)的高度復(fù)雜性，使得其可靠性仍然是一個至關(guān)重要卻仍未解決的問題。通過可操作系統(tǒng)的可擴(kuò)展機(jī)制，大量第三方開發(fā)的驅(qū)動程序可被加載進(jìn)內(nèi)核。同時傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的宏內(nèi)核架構(gòu)，使得驅(qū)動與內(nèi)核將運行在相同的地址空間和特權(quán)級下，任何驅(qū)動程序的故障都可輕易的傳遞到內(nèi)核其他部分，嚴(yán)重削弱了系統(tǒng)的可靠性。由于驅(qū)動程序所占內(nèi)核代碼量的比例巨大，且常常缺乏完善的測試，使得驅(qū)動程序故障成為操作系統(tǒng)崩潰的主要原因。相關(guān)研究表明，Linux操作系統(tǒng)中驅(qū)動程序的故障是內(nèi)核其他部分故障的三到七倍，在Windows操作系統(tǒng)下也有類似的結(jié)論。近年來，虛擬機(jī)技術(shù)也被作為解決驅(qū)動程序可靠性問題的方法。傳統(tǒng)方法是將驅(qū)動及其內(nèi)核都隔離到獨立的虛擬機(jī)實例中，利用虛擬機(jī)實例本身的隔離性來隔離驅(qū)動程序。然而，這種方法只是利用虛擬機(jī)替代整機(jī)來承受可能出現(xiàn)的系統(tǒng)崩潰，從而換取整機(jī)的可靠性提高，對于虛擬機(jī)中的驅(qū)動程序的可靠性并沒有提高。如果虛擬機(jī)中的驅(qū)動程序發(fā)生故障則會造成虛擬機(jī)實例的故障或崩潰，從而造成虛擬機(jī)實例所提供的所有服務(wù)中斷。另外，每個被隔離的驅(qū)動程序運行一個獨立的客戶機(jī)操作系統(tǒng)，同樣也造成了較多的性能損失。
技術(shù)實現(xiàn)思路
針對上述缺陷或不足，本專利技術(shù)提供了通過被隔離驅(qū)動程序的授權(quán)表，實現(xiàn)簡單、有效、兼容已有操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序架構(gòu)的。為達(dá)到上述目的，本專利技術(shù)提供的在虛擬機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動隔離系統(tǒng)包括運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊、虛擬機(jī)內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存信息監(jiān)視模塊以及虛擬機(jī)管理器內(nèi)部的內(nèi)存訪問控制模塊，其中，所述運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊將驅(qū)動模塊文件中監(jiān)視未定義符號與內(nèi)存信息監(jiān)視模塊中監(jiān)視包裝函數(shù)建立聯(lián)系，使得驅(qū)動以隔離方式運行，并向內(nèi)存信息監(jiān)視模塊中的隔離控制子模塊發(fā)出被隔離驅(qū)動程序提醒消息，以使得進(jìn)入內(nèi)核的驅(qū)動為被隔離驅(qū)動程序；所述監(jiān)視未定義符號包括內(nèi)存管理函數(shù)的未定義符號和驅(qū)動注冊函數(shù)的未定義符號；所述虛擬機(jī)內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存信息監(jiān)視模塊包括包裝函數(shù)庫、隔離控制子模塊以及消息通信子模塊，其中，所述包裝函數(shù)庫為虛擬機(jī)內(nèi)核中所監(jiān)控的函數(shù)建立內(nèi)核包裝函數(shù)，并為虛擬機(jī)內(nèi)核中驅(qū)動接口中的接口函數(shù)建立驅(qū)動包裝函數(shù)，以使得被隔離驅(qū)動與內(nèi)核和驅(qū)動包裝函8數(shù)鏈接，并進(jìn)入隔離運行模式；所述內(nèi)核包裝函數(shù)包括內(nèi)存包裝函數(shù)和注冊包裝函數(shù)，所述內(nèi)存包裝函數(shù)是指內(nèi)核中內(nèi)存管理函數(shù)的包裝函數(shù)，所述注冊包裝函數(shù)是指內(nèi)核中驅(qū)動注冊函數(shù)的包裝函數(shù)；所述隔離控制子模塊接收運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊發(fā)出的被隔離驅(qū)動程序提醒消息，建立被隔離驅(qū)動程序的相關(guān)信息，并指示消息通信子模塊向所述虛擬機(jī)管理器內(nèi)部的內(nèi)存訪問控制模塊發(fā)送設(shè)置被隔離驅(qū)動授權(quán)表的指令，同時，根據(jù)需要獲取可信任的虛擬機(jī)內(nèi)核的地址范圍，注入到內(nèi)存訪問控制模塊，并發(fā)出設(shè)置虛擬機(jī)管理器中影子頁表的指令；所述可信任的虛擬機(jī)內(nèi)核的地址范圍包括虛擬機(jī)內(nèi)核代碼和未被隔離的驅(qū)動程序代碼的內(nèi)存起始地址及其大小；所述消息通信子模塊向內(nèi)存訪問控制模塊實時報告被隔離驅(qū)動所使用內(nèi)存信息、可信任的虛擬機(jī)內(nèi)核的地址范圍、及發(fā)送建立被隔離驅(qū)動授權(quán)表的指令；所述消息通信子模塊被所述包裝函數(shù)庫和所述隔離控制子模塊調(diào)用；所述內(nèi)存訪問控制模塊用于控制被隔離驅(qū)動程序?qū)懖僮鳎ㄊ跈?quán)表管理子模塊、頁面設(shè)置子模塊以及缺頁處理子模塊，其中，所述授權(quán)表管理子模塊接收所述內(nèi)存信息監(jiān)視模塊發(fā)出的設(shè)置被隔離驅(qū)動授權(quán)表的指令后，設(shè)置被隔離驅(qū)動程序可寫內(nèi)存范圍的授權(quán)表，并負(fù)責(zé)確認(rèn)寫操作地址是否在授權(quán)表中；所述頁面設(shè)置子模塊接收所述內(nèi)存信息監(jiān)視模塊發(fā)出的設(shè)置虛擬機(jī)管理器中影子頁表的指令，并根據(jù)所述被隔離驅(qū)動所在虛擬機(jī)的內(nèi)核空間在虛擬機(jī)管理器中所對應(yīng)的影子頁表，將影子頁表設(shè)置為只讀另外，當(dāng)缺頁處理子模塊允許寫操作時，還接收所述缺頁處理子模塊發(fā)出的允許寫操作段的指令，并設(shè)置寫操作目標(biāo)地址對應(yīng)的影子頁表，在寫操作結(jié)束后，重新將影子頁表設(shè)置為只讀；所述缺頁處理子模塊當(dāng)被隔離驅(qū)動所在虛擬機(jī)內(nèi)核出現(xiàn)寫操作時，根據(jù)寫操作指令的來源和被隔離驅(qū)動對應(yīng)的授權(quán)表，判斷和控制是否允許進(jìn)行寫操作。運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊具體用于運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊，將驅(qū)動模塊文件中的內(nèi)存管理函數(shù)的未定義符號和驅(qū)動注冊函數(shù)的未定義符號替換為對應(yīng)的所述內(nèi)存包裝函數(shù)和注冊包裝函數(shù)的符號及其符號名；調(diào)用虛擬機(jī)內(nèi)核的原模塊加載方式加載驅(qū)動程序模塊，以使驅(qū)動程序模塊中包裝函數(shù)符號將自動鏈接到所述虛擬機(jī)內(nèi)存信息監(jiān)視模塊中的所監(jiān)控的包裝函數(shù)，從而完成與內(nèi)核包裝函數(shù)建立聯(lián)系；虛擬機(jī)內(nèi)核的原模塊加載方式會調(diào)用驅(qū)動模塊的初始化函數(shù)，執(zhí)行驅(qū)動注冊，驅(qū)動會自動調(diào)用已經(jīng)鏈接到注冊包裝函數(shù)的驅(qū)動注冊函數(shù)，完成與驅(qū)動包裝函數(shù)建立聯(lián)系。所述隔離運行模式是指被隔離驅(qū)動程序使用的所有內(nèi)存信息都被實時的捕獲，并建立對應(yīng)的授權(quán)表，實現(xiàn)驅(qū)動程序隔離運行模式具體包括驅(qū)動在加載時，執(zhí)行驅(qū)動注冊函數(shù)向內(nèi)核的驅(qū)動接口注冊驅(qū)動程序，將內(nèi)核中驅(qū)動模塊各個功能函數(shù)的地址賦予驅(qū)動接口中的接口函數(shù)指針，通過所述驅(qū)動隔離加載模塊，驅(qū)動實際將執(zhí)行驅(qū)動注冊函數(shù)對應(yīng)的包裝函數(shù)，即注冊包裝函數(shù)，從而實現(xiàn)內(nèi)核對驅(qū)動調(diào)用過程的監(jiān)視；所述注冊包裝函數(shù)執(zhí)行所述虛擬機(jī)內(nèi)核中的原驅(qū)動注冊函數(shù)，并執(zhí)行驅(qū)動接口中接口函數(shù)指針的替換操作；所述接口函數(shù)指針的替換操作是指將接口函數(shù)指針賦值成驅(qū)動包裝函數(shù)的地址，代替原驅(qū)動功能函數(shù)的地址；驅(qū)動程序加載后，驅(qū)動接口中的接口函數(shù)指針已被驅(qū)動包裝函數(shù)所替換，當(dāng)內(nèi)核調(diào)用驅(qū)動函數(shù)時，將執(zhí)行驅(qū)動包裝函數(shù)，獲得驅(qū)動所使用的被賦予內(nèi)存信息和棧內(nèi)存信息；驅(qū)動包裝函數(shù)記錄被賦予內(nèi)存信息和棧內(nèi)存信息，并將被賦予內(nèi)存信息和棧內(nèi)存信息注入到虛擬機(jī)管理器的授權(quán)表管理子模塊，執(zhí)行被隔離驅(qū)動中的原驅(qū)動函數(shù)；所述被賦予內(nèi)存信息包括內(nèi)核授權(quán)驅(qū)動操作的內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)存起始地址及其大小；所述棧內(nèi)存信息包括執(zhí)行驅(qū)動程序的進(jìn)程的棧的內(nèi)存起始地址及其大小；驅(qū)動在運行過程中，調(diào)用內(nèi)存管理函數(shù)來分配或釋放內(nèi)存，通過所述驅(qū)動隔離加載模塊，驅(qū)動實際將執(zhí)行內(nèi)存管理函數(shù)對應(yīng)的包裝函數(shù)，即內(nèi)存包裝函數(shù)，實現(xiàn)向內(nèi)核申請分配或釋放內(nèi)存；所述內(nèi)存包裝函數(shù)執(zhí)行所述虛擬機(jī)內(nèi)核中的原內(nèi)存管理函數(shù)，并記錄分配或釋放的堆內(nèi)存信息，并將堆內(nèi)存信息注入到虛擬機(jī)管理器的授權(quán)表管理子模塊；所述堆內(nèi)存信息包括驅(qū)動程序向所述虛擬機(jī)內(nèi)核申請分配或釋放的內(nèi)存起始地址及其大小。所述內(nèi)存信息監(jiān)視模塊中的隔離控制子模塊具體用于I)當(dāng)接收運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊發(fā)出的被隔離驅(qū)動程序提醒消息時，將執(zhí)行以下操作向內(nèi)存訪問控制模塊中的授權(quán)表管理子模塊，發(fā)出建立被隔離驅(qū)動程序?qū)?yīng)授權(quán)表的指令；當(dāng)被隔離驅(qū)動是所述虛擬機(jī)中第一個被隔離的驅(qū)動時，向內(nèi)存訪問控制模塊中的頁面設(shè)置子模塊，發(fā)出設(shè)置虛擬機(jī)管理器中影子頁表為成只讀模式的指令；當(dāng)被隔離驅(qū)動是所述虛擬機(jī)中第一個被隔離的驅(qū)動時，向內(nèi)存訪問控制模塊中的缺頁處理子模塊，注入所述被隔離驅(qū)動所在虛擬機(jī)的可信任內(nèi)核空間的地址范圍；2)當(dāng)捕獲驅(qū)動進(jìn)入內(nèi)核的消息，但沒有接收到進(jìn)入內(nèi)核的驅(qū)動為被隔離驅(qū)動的消息時，將執(zhí)行以下操作向內(nèi)存訪問控制模塊中的缺頁處本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種在虛擬機(jī)內(nèi)部的驅(qū)動隔離系統(tǒng)，其特征在于：包括運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊、虛擬機(jī)內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存信息監(jiān)視模塊以及虛擬機(jī)管理器內(nèi)部的內(nèi)存訪問控制模塊，其中，所述運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊：將驅(qū)動模塊文件中監(jiān)視未定義符號與內(nèi)存信息監(jiān)視模塊中監(jiān)視包裝函數(shù)建立聯(lián)系，使得驅(qū)動以隔離方式運行，并向內(nèi)存信息監(jiān)視模塊中的隔離控制子模塊發(fā)出被隔離驅(qū)動程序提醒消息，以使得進(jìn)入內(nèi)核的驅(qū)動為被隔離驅(qū)動程序；所述監(jiān)視未定義符號包括內(nèi)存管理函數(shù)的未定義符號和驅(qū)動注冊函數(shù)的未定義符號；所述虛擬機(jī)內(nèi)核態(tài)的內(nèi)存信息監(jiān)視模塊包括：包裝函數(shù)庫、隔離控制子模塊以及消息通信子模塊，其中，所述包裝函數(shù)庫：為虛擬機(jī)內(nèi)核中所監(jiān)控的函數(shù)建立內(nèi)核包裝函數(shù)，并為虛擬機(jī)內(nèi)核中驅(qū)動接口中的接口函數(shù)建立驅(qū)動包裝函數(shù)，以使得被隔離驅(qū)動與內(nèi)核和驅(qū)動包裝函數(shù)鏈接，并進(jìn)入隔離運行模式；所述內(nèi)核包裝函數(shù)包括內(nèi)存包裝函數(shù)和注冊包裝函數(shù)，所述內(nèi)存包裝函數(shù)是指內(nèi)核中內(nèi)存管理函數(shù)的包裝函數(shù)，所述注冊包裝函數(shù)是指內(nèi)核中驅(qū)動注冊函數(shù)的包裝函數(shù)；所述隔離控制子模塊：接收運行于虛擬機(jī)用戶態(tài)的驅(qū)動隔離加載模塊發(fā)出的被隔離驅(qū)動程序提醒消息，建立被隔離驅(qū)動程序的相關(guān)信息，并指示消息通信子模塊向所述虛擬機(jī)管理器內(nèi)部的內(nèi)存訪問控制模塊發(fā)送設(shè)置被隔離驅(qū)動授權(quán)表的指令，同時，根據(jù)需要獲取可信任的虛擬機(jī)內(nèi)核的地址范圍，注入到內(nèi)存訪問控制模塊，并發(fā)出設(shè)置虛擬機(jī)管理器中影子頁表的指令；所述可信任的虛擬機(jī)內(nèi)核的地址范圍包括虛擬機(jī)內(nèi)核代碼和未被隔離的驅(qū)動程序代碼的內(nèi)存起始地址及其大小；所述消息通信子模塊：向內(nèi)存訪問控制模塊實時報告被隔離驅(qū)動所使用內(nèi)存信息、可信任的虛擬機(jī)內(nèi)核的地址范圍、及發(fā)送建立被隔離驅(qū)動授權(quán)表的指令；所述消息通信子模塊被所述包裝函數(shù)庫和所述隔離控制子模塊調(diào)用；所述內(nèi)存訪問控制模塊：用于控制被隔離驅(qū)動程序?qū)懖僮鳎ǎ菏跈?quán) 表管理子模塊、頁面設(shè)置子模塊以及缺頁處理子模塊，其中，所述授權(quán)表管理子模塊：接收所述內(nèi)存信息監(jiān)視模塊發(fā)出的設(shè)置被隔離驅(qū)動授權(quán)表的指令后，設(shè)置被隔離驅(qū)動程序可寫內(nèi)存范圍的授權(quán)表，并負(fù)責(zé)確認(rèn)寫操作地址是否在授權(quán)表中；所述頁面設(shè)置子模塊：接收所述內(nèi)存信息監(jiān)視模塊發(fā)出的設(shè)置虛擬機(jī)管理器中影子頁表的指令，并根據(jù)所述被隔離驅(qū)動所在虛擬機(jī)的內(nèi)核空間在虛擬機(jī)管理器中所對應(yīng)的影子頁表，將影子頁表設(shè)置為只讀另外，當(dāng)缺頁處理子模塊允許寫操作時，還接收所述缺頁處理子模塊發(fā)出的允許寫操作段的指令，并設(shè)置寫操作目標(biāo)地址對應(yīng)的影子頁表，在寫操作結(jié)束后，重新將影子頁表設(shè)置為只讀；所述缺頁處理子模塊：當(dāng)被隔離驅(qū)動所在虛擬機(jī)內(nèi)核出現(xiàn)寫操作時，根據(jù)寫操作指令的來源和被隔離驅(qū)動對應(yīng)的授權(quán)表，判斷和控制是否允許進(jìn)行寫操作。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：董小社，鄭豪，張興軍，王恩東，辛龍，張東，陳寶可，王強，
申請(專利權(quán))人：西安交通大學(xué)，山東高效能服務(wù)器和存儲研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：