安全隔离模型

概述

Cube Hypervisor 采用多层安全隔离机制，确保每个沙箱运行在独立的安全域中。从硬件虚拟化到软件过滤，形成纵深防御体系。

第一层：硬件虚拟化

KVM 隔离

KVM（Kernel-based Virtual Machine）利用 CPU 硬件虚拟化扩展（Intel VT-x / AMD-V）创建隔离的执行环境：

// hypervisor/src/kvm/mod.rs
pub struct KvmHypervisor {
    kvm: Kvm,
}

impl Hypervisor for KvmHypervisor {
    fn create_vm(&self) -> Result<Arc<dyn Vm>, HypervisorError> {
        let vm = self.kvm.create_vm().map_err(|e| {
            HypervisorError::VmCreate(e.into())
        })?;
        Ok(Arc::new(KvmVm::new(vm)))
    }
}

关键隔离机制：

机制	说明
VMX Root Mode	VMM 运行在 Ring 0，Guest 运行在 Ring 3
EPT/NPT	二级页表隔离 Guest 物理地址
VM Entry/Exit	硬件级别的上下文切换
MSR Bitmap	控制 Guest 可访问的 MSR

地址空间隔离

第二层：Hypervisor 抽象层

Cube Hypervisor 通过 trait 抽象屏蔽底层差异：

// hypervisor/src/hypervisor.rs
pub trait Hypervisor: Send + Sync {
    fn create_vm(&self) -> Result<Arc<dyn Vm>, HypervisorError>;
    fn get_api_version(&self) -> Result<i32, HypervisorError>;
    fn get_cpuid(&self) -> Result<Vec<CpuIdEntry>, HypervisorError>;
    fn get_msr_list(&self) -> Result<MsrList, HypervisorError>;
}

pub trait Vm: Send + Sync {
    fn create_vcpu(&self, id: u8) -> Result<Arc<dyn Vcpu>, HypervisorVmError>;
    fn set_user_memory_region(&self, ...) -> Result<(), HypervisorVmError>;
    fn register_ioevent(&self, ...) -> Result<(), HypervisorVmError>;
    fn create_irq_chip(&self) -> Result<(), HypervisorVmError>;
    fn create_pit(&self) -> Result<(), HypervisorVmError>;
}

支持的 Hypervisor：

Hypervisor	平台	状态
KVM	Linux x86_64/aarch64	主要支持
MS-HV	Windows x86_64	可选支持
KVM-PVM	Linux (机密计算)	实验性

第三层：设备隔离

Virtio 设备隔离

Virtio 设备通过 virtqueue 与 Guest 通信，避免直接内存访问：

VFIO 设备直通

对于需要高性能的场景，支持 VFIO 设备直通：

// vmm/src/device_manager.rs
fn create_vfio_pci_device(
    &mut self,
    device_cfg: &DeviceConfig,
    interrupt_manager: &Arc<dyn InterruptManager>,
    ...
) -> Result<Arc<Mutex<VfioPciDevice>>> {
    // IOMMU 隔离
    let vfio_container = VfioContainer::new()?;
    let vfio_device = vfio_container.get_device(&device_cfg.path)?;
    
    // DMA 映射隔离
    let dma_mapping = VfioDmaMapping::new(
        vfio_container.clone(),
        mem.clone(),
    );
    
    Ok(Arc::new(Mutex::new(VfioPciDevice::new(
        ...,
        dma_mapping,
    )?)))
}

第四层：seccomp 过滤

seccomp（Secure Computing Mode）限制 VMM 进程可调用的系统调用：

// vmm/src/seccomp_filters.rs
pub fn get_seccomp_filter(thread: Thread) -> Result<SeccompFilter> {
    let mut filter = SeccompFilter::new(
        SeccompAction::KillProcess,
    )?;
    
    // 只允许必要的系统调用
    filter.add_rule(
        SeccompAction::Allow,
        SeccompRule::new(libc::SYS_read)?,
    )?;
    filter.add_rule(
        SeccompAction::Allow,
        SeccompRule::new(libc::SYS_write)?,
    )?;
    // ... 更多规则
    
    Ok(filter)
}

pub enum Thread {
    Vmm,           // VMM 主线程
    Vcpu,          // vCPU 线程
    Api,           // API 服务线程
    Http,          // HTTP 服务线程
    VirtioBlk,     // Virtio 块设备线程
    VirtioNet,     // Virtio 网络设备线程
    VirtioFs,      // Virtio 文件系统线程
    // ...
}

seccomp 过滤策略：

线程类型	允许的系统调用	说明
Vmm	read, write, ioctl, mmap, futex, ...	核心管理
Vcpu	read, write, ioctl, futex, ...	CPU 执行
Api	read, write, accept, epoll, ...	API 服务
VirtioBlk	read, write, io_uring, ...	块设备 I/O
VirtioNet	read, write, sendmsg, recvmsg, ...	网络 I/O

第五层：最小权限原则

进程隔离

每个 VMM 进程运行在独立的命名空间中：

文件系统隔离

Guest 文件系统通过 virtio-fs 提供，避免直接访问宿主机文件系统：

// virtio-devices/src/fs.rs
pub struct Fs {
    // Passthrough 文件系统
    fs: PassthroughFs,
    // 缓存配置
    cache: CachePolicy,
    // 安全配置
    xattr: XattrMap,
}

安全边界总结

最佳实践

1. 启用 seccomp - 生产环境必须启用 seccomp 过滤
2. 最小化设备 - 只暴露必要的 virtio 设备
3. IOMMU 隔离 - 设备直通时启用 IOMMU
4. 定期更新 - 及时应用安全补丁
5. 监控告警 - 监控异常系统调用和权限提升

下一步

• 了解 快速启动与快照恢复
• 深入 Hypervisor 抽象层源码