云计算安全总体框架与关键技术研究
云计算已经成为当前IT 界关注的热点话题，但云计算的发展也
面临许多关键性问题，而安全问题首当其冲，并且随着云计算的不断
普及，其重要性呈现逐步上升趋势，已成为制约云计算发展的核心因
素。因此，对云计算的安全进行系统研究显得迫切而重要。
1.云计算的概念与总体框架
1.1 云计算的概念
目前，业界对云计算的理解并不一致。简单地讲，可以从技术和
运营服务两个层面来理解其含义：
1）从技术层面看
云计算并不是一项技术，而是代表一系列计算方式发展趋势的综
合概念，是并行计算（parallel computing） 、分布式计算（dist
ributed computing） 和网格计算（grid computing）的发展。事实
上，云计算不是指一项独立的技术，而是在从C/S 结构、分布式计
算到网格计算、效用计算、SaaS 的计算方式发展大趋势下，一系列
包括虚拟化、按需服务在内的概念总和。
2）从运营层面看
云计算提供了按需租用计算能力的服务，对于外部使用者来说，
这种服务就像天上的云一样透明，不需要考虑其背后的实现细节，从
而可以专注于自身业务，有利于创新及节约成本。对整个行业来说，
这是一次革命性的创新。可以说，云计算不仅仅是技术的进一步发展，
更是一种业务模式的创新。如果用一个简单的公式来表达云计算，就
是：
云计算 =（基础设施+ 平台+ 软件+ 数据）* 服务（1）其中，
基础设施、平台、软件、数据可以理解为云计算的技术层面。但仅有
技术是不够的，还要具备良好的服务，两者是相乘的关系。即在同等
技术条件下，服务越好，云计算的价值就越大。
1.2 云计算总体框架
云计算的总体框架如图1 所示。图1 云计算总体框架图
从图1 可看出，云计算是一个复杂的体系，可以从以下几个层
面来论述。
1）从基础技术角度看，云计算是一系列技术的总和，这一点从
公式（1）可看出。
2）从性能上看，云计算有以下5 大特点：
（1）按需自助服务。消费者可按需方便地获得计算资源。
（2）泛在的网络访问。可通过各种网络渠道，以标准统一的机
制获取服务。
（3）动态资源池。资源可以被整合为一个动态资源池，以多租
户模式服务所有客户并动态分配。
（4）快速伸缩性。可以迅速、弹性地提高服务，既能快速扩展，
也能快速释放资源。
（5）可计量的服务。服务收费可以是基于计量的一次一付，也
可以针对不同服务需求计量和定价。
3）从服务模式看，云计算包含如下3 种模式：
（1）基础设施即服务（IaaS）。消费者通过Internet 可以从
完善的计算机基础设施获得服务。IaaS 通过网络向用户提供计算机
（物理机和虚拟机）、存储空间、网络连接、负载均衡和防火墙等基
本计算资源；用户在此基础上部署和运行各种软件，包括操作系统和
应用程序。
（2）平台即服务（PaaS）。将软件的开发、测试和部署平台作
为一种服务提供给客户。PaaS 平台通常包括操作系统、编程语言的
运行环境，数据库和 Web 服务器，用户在此平台上部署和运行自己
的应用。
（3）软件即服务（SaaS）。即通过Internet 提供软件，用户
无需购买软件，而是向服务商租用基于Web 的软件，以管理企业的
经营活动。
4）从部署模式看，云计算可以分为以下3 种模式：
（1）公有云。是由独立的第三方建设并运行，由若干企业和用
户共享使用的云环境。
（2）私有云。为某一客户单独构建和使用的云环境，该客户拥
有基础设施，并可以控制在此基础设施上部署应用程序的方式。
（3）混合云。把公用云模式与私有云模式结合在一起的云环境。
混合云有助于提供按需的、外部供应的扩展服务。可见，云计算是一
个复杂的体系，既是一系列IT 技术的融合，又包含多种服务模式。

2.云计算安全总体框架
作为一项新生事物，云计算的推广遇到诸多困难，其中遇到的最
大挑战是用户对安全问题的担忧。Gartner、IDC 等专业机构的调研
也表明，安全问题已成为阻碍云计算推广的最大障碍。鉴于云计算的
复杂性，它的安全问题也应该是一个涵盖技术、管理，甚至法律、法
规的综合体。
根据云计算平台的特点，构建了如图2 所示的云计算安全总体
框架：
图2 云计算安全总体框架
下面概要介绍该框架中每部分的含义。
2.1 云计算安全政策、法规、标准
传统的安全技术已经出现多年，相应的标准、法律、法规也都相
对成熟，但现在的云计算安全缺少标准，政策、法规也不健全。再加
上云计算自身的特点，数据可以存储在世界上任何一个国家，当出现
问题时，国家政策的不同也是云计算安全的一个重大挑战。
标准化是云计算安全发展的重要措施之一，但目前云计算安全研
究还处于起步阶段。国际上研究主力包括云安全联盟（CSA）、国际
电联（ITU）、IEEE 等组织，国内有中国通信标准化协会（CCSA）、
中国云计算技术与产业联盟（CCCTIA）等组织，但这些组织的研究也
都处于进行中，尚未形成获得一致认可的安全技术和标准。
2.2 IaaS层的安全风险与措施
IaaS 层处于云计算平台的最底层，为上层云应用提供安全数据
存储、计算等 IT 资源服务，是整个云计算体系安全的基石。IaaS 平
台既有传统数据中心的安全特性，更面临自身特有的安全风险。
一方面，IaaS 平台沿袭传统计算中心面临的安全问题，要采取
全面、严密的安全措施。例如，在物理层考虑厂房安全；在存储层考
虑数据加密、备份、归档、灾难恢复等；在网络层考虑DDoS 攻击、
数据传输机密性等；在数据层考虑数据库安全、数据的隐私性与访问
控制等；在应用层考虑程序完整性检验、访问控制与漏洞管理等。
另一方面，IaaS 平台大量采用虚拟化技术，包括虚拟服务器、
虚拟存储、虚拟网络，甚至虚拟交换机等，虚拟化安全成为其面临的
最大安全风险。虚拟化安全综合起来可以归结为以下两个方面：
1）虚拟化软件安全
该软件层直接部署于裸机之上，提供能够创建、运行和销毁虚拟
服务器的服务。云服务提供商应建立必要的安全控制措施，限制对于
Hypervisor 和其他形式的虚拟化层次的物理和逻辑访问。在laaS 服
务中，用户不能接入虚拟化软件层，该层由云服务提供商来操作、管
理。
2） 虚拟服务器安全
虚拟服务器或客户端面临着许多主机安全威胁，包括接入和管理
主机的密钥被盗、在脆弱的服务标准端口侦听、劫持未采取合适安全
措施的账户等。这就需要采取以下措施：
（1）选择具有TPM （ 可信计算平台模块）的虚拟服务器。
（2）安装时为每台虚拟服务器分配一个独立的硬盘分区，以便
进行逻辑隔离。
（3）每台虚拟服务器应采用VLAN 和不同IP 网段的方式进行逻
辑隔离，需要通信的虚拟服务器间的网络连接采用VPN 进行。
（4）进行有计划的备份，包括完整、增量或差量备份方式。
2.3 PaaS层的安全风险与措施

PaaS 层处于云计算平台的中间，它既依靠IaaS 平台提供的基
础资源，又为上层SaaS 提供应用平台，起到了承上启下的作用。
PaaS 的核心技术是分布式处理，主要解决云计算数据中心大规
模服务器群的协同工作。要提供PaaS 云计算服务，首先要在云计算
数据中心架设分布式处理平台，包括分布式文件系统、分布式计算、
分布式数据库等；其次，要对分布式处理平台进行封装，包括提供开
发环境（SDK）、API 接口和库等。因此，对PaaS 层来说，面临的
安全威胁主要包括：
1）分布式文件和数据库安全
基于云计算数据中心的分布式文件系统和分布式数据库系统构
建在大规模的廉价服务器集群上，从而面临诸多挑战。
（1）服务器的失效现象经常出现，需要解决系统的容错问题。
（2）服务器增减频繁，需要解决动态扩展问题。
（3）需要提供海量数据的存储和快速检索、读取能力。
（4）多用户同时访问，需要解决并发控制和存取效率等问题。
为了提升分布式文件系统的可靠性，目前的基本做法是采取冗余
存储的方式来解决，每份文件或数据在系统中保存多个备份。冗余存
储解决了数据的可靠性问题，但也带来了一致性问题，因为文件或数
据存储在多个不同的节点中，对文件或数据进行修改时必须确保对所
有副本都进行了修改，这就需要分布式同步机制对并发操作进行控
制。这些技术的复杂性都给数据的可靠和安全带来了巨大挑战。
2）用户接口和应用安全
对于PaaS 服务来说，来自客户端的可能是恶意的。如果PaaS 层
暴露过多接口，可能会给攻击者带来机会，如抢占CPU 时间、内存
空间和其他资源，也可能攻击其他用户，甚至会攻击底层平台等。因
此，如何检验用户的可靠性是PaaS 提供商面临的又一个巨大挑战。

用户基于PaaS 平台开发的软件最终也会部署在该平台上，Paa
S 提供商需要保证程序的可靠运行，尤其是保证不同应用之间的相互
隔离。这点与在SaaS 模式下遇到的挑战是相同的。另外，从技术上
看，目前PaaS 对底层资源的调度和分配采用“尽力而为”的机制，
如果一个平台上运行多个应用，就会存在资源分配、优先级配置等问
题。要解决这些问题，需要借助IaaS 层的虚拟化机制来实现多个应
用的资源调配和SLA 等。
2.4 SaaS层的安全风险与措施
传统的软件都部署在客户自己或租用的数据中心内，服务于特定
的用户，其安全控制相对简单。但在SaaS 模式下，成千上万的用户