gpu虚拟化中安全问题的研究

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1、代号10701学号1101120083分类号TP309.1密级公开题（中、英文）目GPU虚拟化中安全问题的研究ResearchonSecurityProblemsforGPUVirtualizationSystem作者姓名赵冰指导教师姓名、职务马文平教授学科门类工学学科、专业通信与信息系统提交论文日期二〇一四年四月万方数据西安电子科技大学学位论文创新性声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包

2、含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其

3、它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。（保密的论文在解密后遵守此规定）本人签名：日期导师签名：日期万方数据摘要摘要近年来，基于通用计算的GPU虚拟化技术受到了国内外学者的广泛关注。由于API重定向技术的灵活性，越来越多的研究人员认定API重定向技术才是GPU虚拟化技术的归宿。归咎于API重定向技术的性能瓶颈，学者们将更多的注意力集中在了虚拟化的功能实现和通信效率之上。然而，在信息爆炸的大背景下，安全性将会是GPU虚拟化另一个不可忽视的问题。现阶段有关GPU虚拟化

4、安全计算的研究成果可谓寥寥无几。本文借鉴了其他虚拟化平台的研究思路，从虚拟化平台和GPU内存隔离机制两个角度进行了安全研究。可信GPU虚拟化平台的建立：首先，结合前人有关控制面板重组的思想，本文给出了GPU虚拟化平台控制面板重组的具体方案。从特权域虚拟机上提取负责GPU通用计算的模块构成更小的特权域，继而降低了GPU虚拟化平台的TCB。其次，本文提出了将可信计算与GPU虚拟化相结合的思想。针对现存虚拟化系统中存在的硬件TPM与vTPM松耦合的问题，本文提出了基于二进制哈希树的绑定方案，实现了多个vPCR与单一硬件PCR的绑定机

5、制，建立起了真正意义上基于硬件基础的信任链，大大提高了GPU虚拟化平台对于恶意软件的免疫力。然而，API重定向技术为GPU虚拟化引入了新的并行入侵模型。归咎于GPU独特的访存模式和内存隔离机制，即使是只利用CUDA提供的合法软件接口，入侵者都有可能为GPU虚拟化平台带来安全威胁。首先，本文以黑盒测试的方式研究了可信GPU虚拟化平台在并行入侵模型下可能存在的信息泄露问题。然后，在有关信息泄露的实验案例中，本文评测和量化分析了信息泄露的危害。最后，针对信息泄露发生的内部机制，本文提出了安全有效的核内共享内存清零机制，大大缓解了共享

6、内存的信息泄露问题。关键词：GPU虚拟化通用计算API重定向可信计算并行入侵模型万方数据万方数据ABSTRACTABSTRACTInrecentyears,GPU-basedgeneral-purposecomputingvirtualizationtechnologyhasbeenwidlyconcernedbyscholarsathomeandabroad.DuetotheflexibilityofAPIredirectiontechnology,moreandmoreresearchersidentifiedAPIred

7、irectiontechniquetobethedestinationofGPUvirtualizationtechnology.InordertoimprovethelowperformanceofAPIredirection,scholarspaidmoreattentiononthepursuitofefficiency.However,securityisanotherproblemthatcannotbeignored.Drawingontheresearchideasfromothervirtualizationp

8、latforms,thispaperconductedsafetystudiesfromtwoangles:GPUvirtualizationplatformandmechanismsofmemoryisolation.TheestablishmentofGPUvirtual