[论文解读] Improving Hard Disk Contention-based Covert Channel in Cloud Computing Environment

Bartosz Lipiński, Wojciech Mazurczyk+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2014

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一句话总结

本文提出了 CloudSteg，一种在云环境中利用同一物理主机上共置虚拟机之间的硬盘争用实现的隐蔽信道。通过操控 I/O 调度和磁盘访问模式，CloudSteg 实现了约 0.1 bps 的带宽——比以往最先进的方法高出 1,000 倍——显著提升了基于磁盘争用的隐蔽信道在云环境中的性能。

ABSTRACT

Steganographic methods allow the covert exchange of secret data between parties aware of the procedure. The cloud computing environment is a new and hot target for steganographers, and currently not many solutions have been proposed. This paper proposes CloudSteg which is a steganographic method that allows the creation of a covert channel based on hard disk contention between the two cloud instances that reside on the same physical machine. Experimental results conducted using open source cloud environment OpenStack, show that CloudSteg is able to achieve a bandwidth of about 0.1 bps which is 1000 times higher than is known from the state-of-the-art version.

研究动机与目标

• 解决云计算环境中缺乏有效隐蔽编码解决方案的问题。
• 克服现有基于硬盘争用的隐蔽信道在云基础设施中带宽低下的局限性。
• 设计并实现一种利用多租户云环境中共享物理存储资源的实用隐蔽信道。
• 在真实世界开源云平台（OpenStack）中评估所提方法的性能与可行性。

提出的方法

• 该方法利用同一物理主机上共置的两个虚拟机（VM）之间的磁盘 I/O 争用，以编码并传输隐蔽数据。
• 通过控制 I/O 请求模式——特别是调整磁盘访问的频率和时间——来制造可测量的争用水平。
• 发送方 VM 在预设时间间隔内生成 I/O 突发，接收方 VM 通过监控磁盘访问延迟来检测这些模式并解码隐藏信息。
• 系统利用 Linux I/O 调度器（CFQ）以确保争用效应具有可预测性和可测量性。
• 该实现部署于 OpenStack 云平台，以在真实云环境下验证其性能与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在云环境中，共置虚拟机之间的磁盘争用是否可被可靠地用于建立隐蔽通信信道？
• RQ2 在真实云基础设施中，基于磁盘争用的隐蔽编码技术可实现的最大数据传输速率是多少？
• RQ3 与现有最先进的基于磁盘争用的隐蔽信道相比，所提方法在性能上表现如何？
• RQ4 I/O 调度策略和访问模式的选择在多大程度上影响隐蔽信道的可靠性和带宽？

主要发现

• 在使用 OpenStack 的真实实验中，CloudSteg 实现了约 0.1 bps 的隐蔽信道带宽。
• 这比以往报道的基于磁盘争用的隐蔽信道的最先进带宽高出 1,000 倍。
• 该方法在受控 I/O 模式和一致的磁盘争用效应下，表现出稳定且可测量的数据传输能力。
• 性能在多次测试运行中保持一致，证实了基于 I/O 的信号机制的可靠性。