本文基于BitVisor轻量级虚拟机监控器框架和Intel硬件虚拟化技术实现了SLVMM(Secure Lightweight Virtual Machine Monitor,安全的轻量级虚拟机监控器)。然后以此S-LVMM构建操作系统的安全计算环境,对个人计算机进行保护。针对BitVisor存在的不足进行了适当的修改和扩展,主要工作内容如下:(1)由于BitVisor将密钥存储在内存中,因此密钥很容易受到冷启动攻击。本文使用了一种抗冷启动攻击的密钥管理方法。首先使用SHA-256算法根据密码生成256bit的密钥。该密钥的前128bit作为数据密钥,后128bit作为调柄密钥。然后将该密钥存储在CPU的四个调试寄存器中。最后使用Intel硬件虚拟化技术使得密钥只能由S-LVMM访问。(2)BitVisor对存储设备的加密方法是通过调用OpenSSL库中的AES加密函数实现的,在加密的过程中也使用了内存,因此也很容易受到冷启动攻击。本文使用了一种抗冷启动攻击的数据加密方法。使用AES-NI指令集实现AES算法并替换了BitVisor的加密方式。选择可调工作模式XTS作为AES算法的工作模式。AESNI通过提供aesenc、aesenclast、aesdec和aesdeclast等指令来实现AES的硬件加速,这些指令只在处理器上执行,不涉及内存,因此可以避免冷启动攻击。(3)由于BitVisor没有提供内存加密的功能,本文借助HyperCrypt提供的针对BitVisor的内存加密补丁来实现内存加密。在EPT(Extended Page Table,扩展页表)中只保留解密页面,加密页面不会插入到EPT中。在任何时候,只有一小部分工作的内存页面是解密页面,而绝大多数页面是加密页面。使用一个滑动窗口保持对这些解密页面的引用,并使用第二次机会算法减少滑动窗口中多余的解密页面。(4)对半穿透驱动程序拦截到的I/O数据进行处理。如果此I/O对应的逻辑块地址在预先配置的加密范围内,就进一步判断此I/O是读操作I/O还是写操作I/O。如果为写操作I/O,就将影子缓冲区中的数据加密后再复制到存储设备。如果为读操作I/O,就将影子缓冲区中的数据解密后再复制到客户缓冲区中。(5)重用了BitVisor的VPN客户端模块,分析了VPN客户端模块的实现原理,配置了VPN模块所用到的参数,使用strongSwan作为VPN服务端,并对strongSwan的相关配置进行了参数配置。最后对S-LVMM和strongSwan服务器之间的VPN连接进行了测试。