基于虛擬化技術(shù)的遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)保全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉欣

摘要：網(wǎng)絡(luò)的普及，涉及互聯(lián)網(wǎng)的侵權(quán)、犯罪行為越來越多，遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)保全是一項(xiàng)有效的電子數(shù)據(jù)取證手段，利于更好地保護(hù)廣大用戶的利益。然而當(dāng)前的遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)保全系統(tǒng)都存在一些不足，例如為了克服以上不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于虛擬化技術(shù)的數(shù)據(jù)保全系統(tǒng)，用戶可以直接通過該系統(tǒng)訪問需要保全數(shù)據(jù)的網(wǎng)站，相關(guān)操作和數(shù)據(jù)會自動(dòng)保存到系統(tǒng)中，用戶可查看、下載之前保存的電子證據(jù)。用戶的數(shù)據(jù)保全環(huán)境進(jìn)行定制，安全可靠。

關(guān)鍵詞：虛擬化;數(shù)據(jù)保全;遠(yuǎn)程訪問協(xié)議;負(fù)載均衡;虛擬桌面

中圖分類號：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）21-0011-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： The network popularization， involving the Internet infringement， criminal acts more original， in order to better protect the interests of the majority of users， the electronic data preservation provided out， but the remote electronic data preservation system there are shortcomings in one way or another， in order to overcome before the deficiencies of the system， the design and implementation of a data preservation system based on virtualization technology， users can directly through the system access to the website of the preservation of the data， related to the operation and data will be automatically saved to the system. Users can also view before preservation of electronic data and download， customized to the user data preservation environment， safe and reliable.

Key words： virtualization; data preservation; remote access protocol; load balancing; virtual desktop

1 背景

隨著計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，各種因電子數(shù)據(jù)被篡改或電子數(shù)據(jù)的有效性遭質(zhì)疑而引起的糾紛也隨之劇增，提供一種可靠、高效、方便的電子數(shù)據(jù)取證方式非常緊迫。

因此我們設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于虛擬化的遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)保全系統(tǒng)，為廣大互聯(lián)網(wǎng)使用者提供隨時(shí)隨地電子數(shù)據(jù)保全方法，系統(tǒng)支持網(wǎng)頁、郵件、聊天記錄等電子數(shù)據(jù)保全功能。系統(tǒng)為不同用戶分配定制的虛擬機(jī);進(jìn)行保全操作過程中，系統(tǒng)將自動(dòng)做全過程錄像;這些過程都在系統(tǒng)本地進(jìn)行。系統(tǒng)對每項(xiàng)保全的數(shù)據(jù)文件都計(jì)算其校驗(yàn)值，確保電子數(shù)據(jù)的有效性。

2 電子數(shù)據(jù)保全技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內(nèi)市場上的電子數(shù)據(jù)保全服務(wù)主要包括國信電子數(shù)據(jù)保全平臺、易保全、無憂保全等。但是他們提供服務(wù)中都存在這樣或那樣的問題。有的需要和第三方合作，通過第三方獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，這樣獲取的數(shù)據(jù)可靠性相對較高，但主要針對相關(guān)企業(yè)，并不適用于所有群體，例如個(gè)人用戶并不能直接使用服務(wù);有的保全的數(shù)據(jù)由用戶上傳完成，由于用戶數(shù)據(jù)在其私有的計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的操作，操作過程中可能會因其計(jì)算機(jī)遭受攻擊或出現(xiàn)故障而導(dǎo)致電子數(shù)據(jù)的破壞，從而無法確保保全的電子數(shù)據(jù)的原始性和有效性;有的網(wǎng)頁數(shù)據(jù)保全僅僅是通過用戶輸入的URL去打開相關(guān)鏈接，然后進(jìn)行保全操作，很多需要用戶認(rèn)證的信息的網(wǎng)頁并不能夠簡單的通過URL來獲取并進(jìn)行操作。再就是有的需要把電子數(shù)據(jù)上傳到保全服務(wù)器會對網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了很高的要求，特別是對大容量的圖片、視頻文件數(shù)據(jù)，更是需要非常高的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速率，因而限制了系統(tǒng)的普及。此外，Internet數(shù)據(jù)傳輸還具有低可靠性和不安全性。

因此本文從用戶群體出發(fā)，考慮到當(dāng)前技術(shù)方案的不足，重新設(shè)計(jì)了一種基于虛擬化技術(shù)的電子數(shù)據(jù)保全系統(tǒng)。

3 電子數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程保全系統(tǒng)

下圖為電子數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程保全系統(tǒng)的工作原理示意圖。

用戶可以使用個(gè)人計(jì)算機(jī)、平板電腦、手機(jī)等智能終端等進(jìn)行數(shù)據(jù)保全操作。首先用戶訪問本系統(tǒng)，再通過本系統(tǒng)連接待保全數(shù)據(jù)的網(wǎng)站，保全的內(nèi)容包括網(wǎng)頁，電子郵件、聊天記錄等等，電子數(shù)據(jù)保全功能對用戶透明。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下：

1） Web展現(xiàn)層為用戶提供了Web界面，是用戶執(zhí)行數(shù)據(jù)保全的入口，每個(gè)用戶只有通過注冊為用戶后，登錄系統(tǒng)才可以獲取遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)保全功能。

2） 業(yè)務(wù)邏輯層提供了對Web請求的業(yè)務(wù)邏輯處理，包括調(diào)用數(shù)據(jù)庫，調(diào)用文件服務(wù)，向Web展示層返回展示數(shù)據(jù)，將請求轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)層等等。

3） Web服務(wù)層為虛擬機(jī)管理控制提供了Web服務(wù)接口，便于從UI界面中對虛擬機(jī)進(jìn)行控制和管理。

4） 協(xié)議轉(zhuǎn)化層實(shí)現(xiàn)了協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，將用戶的數(shù)據(jù)保全操作中的指令在不同的傳輸協(xié)議總進(jìn)行封裝和還原。

5） 虛擬控制管理層實(shí)現(xiàn)了直接面對虛擬服務(wù)器，完成了虛擬服務(wù)器的虛擬化管理，可以根據(jù)不同的需求提供不同層次的虛擬化方案，我們這里主要采用的是桌面虛擬化。

6） 數(shù)據(jù)訪問層提供了對數(shù)據(jù)庫的訪問接口，便于直接操作。

用戶通過瀏覽器訪問系統(tǒng)，請求轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用服務(wù)器處理，應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)請求類型，采用不同的處理方式，若需要進(jìn)行數(shù)據(jù)保全，自動(dòng)分配符合用戶特征的虛擬環(huán)境，用戶在虛擬環(huán)境中進(jìn)行操作，對感興趣的電子數(shù)據(jù)進(jìn)行保全，保全結(jié)果會自動(dòng)打包、校驗(yàn)、上傳的本地資料庫中，以便以后進(jìn)行查看。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

4.1 Web UI設(shè)計(jì)

為了支持不同類型的終端，采用B/S模式的結(jié)構(gòu)，用瀏覽器作為客戶端，實(shí)現(xiàn)了零客戶端的部署。但由于用戶可能使用PC個(gè)人計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、手機(jī)智能終端等，各種設(shè)備的屏幕大小、分辨率不同，所以為了更好地保證網(wǎng)頁在終端設(shè)備上的顯示，應(yīng)用響應(yīng)式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)。

其理念是：頁面的設(shè)計(jì)與開發(fā)應(yīng)當(dāng)根據(jù)用戶行為以及設(shè)備環(huán)境（系統(tǒng)平臺、屏幕尺寸、屏幕定向等）進(jìn)行相應(yīng)的響應(yīng)和調(diào)整。具體的實(shí)踐方式由多方面組成，包括彈性網(wǎng)格和布局、圖片、CSS media query的使用等。無論用戶正在使用筆記本還是iPad，我們的頁面都應(yīng)該能夠自動(dòng)切換分辨率、圖片尺寸及相關(guān)腳本功能等，以適應(yīng)不同設(shè)備;換句話說，頁面應(yīng)該有能力去自動(dòng)響應(yīng)用戶的設(shè)備環(huán)境。響應(yīng)式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)就是一個(gè)網(wǎng)站能夠兼容多個(gè)終端——而不是為每個(gè)終端做一個(gè)特定的版本。這樣，我們就可以不必為不斷到來的新設(shè)備做專門的版本設(shè)計(jì)和開發(fā)了。實(shí)現(xiàn)上采用了BootStrap 框架。

4.2 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能

用戶端瀏覽器將用戶的Web 請求發(fā)送到Web服務(wù)器，服務(wù)器接收請求，將該請求解除Http的封裝，獲得用戶實(shí)際請求數(shù)據(jù)。再由負(fù)載均衡器通過數(shù)據(jù)庫獲取當(dāng)前的遠(yuǎn)程連接代理的負(fù)載情況，根據(jù)負(fù)載均衡選擇算法，將請求轉(zhuǎn)發(fā)到選中的鏈接代理;鏈接代里再通過協(xié)議轉(zhuǎn)換將用戶的自定義報(bào)文轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)程訪問協(xié)議，同時(shí)由負(fù)載均衡模塊獲得提供遠(yuǎn)程服務(wù)的虛擬桌面。

在這個(gè)過程中，Web瀏覽器到Web服務(wù)器的為了保持長連接通常有以下幾種實(shí)現(xiàn)方法：

這種長連接其實(shí)是一種“偽”長連接，本身是連接后斷開的。在服務(wù)器的程序中加入一個(gè)死循環(huán)，在循環(huán)中監(jiān)測數(shù)據(jù)的變動(dòng)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新數(shù)據(jù)時(shí)，立即將其輸出給瀏覽器并斷開連接，瀏覽器在收到數(shù)據(jù)后，再次發(fā)起請求以進(jìn)入下一個(gè)周期，這就是常說的長輪詢（long-polling）方式。

4.2.2使用流方式實(shí)現(xiàn)

客戶端的頁面使用一個(gè)隱藏的窗口向服務(wù)端發(fā)出一個(gè)長連接的請求。服務(wù)器端接到這個(gè)請求后做出回應(yīng)并不斷更新連接狀態(tài)以保證客戶端和服務(wù) 器端的連接不過期。通過這種機(jī)制可以將服務(wù)器端的信息源源不斷地推向客戶端。這種機(jī)制在用戶體驗(yàn)上有一點(diǎn)問題，需要針對不同的瀏覽器設(shè)計(jì)不同的方案來改進(jìn) 用戶體驗(yàn)，同時(shí)這種機(jī)制在并發(fā)比較大的情況下，對服務(wù)器端的資源是一個(gè)極大的考驗(yàn)。

4.2.3 使用WebSocket實(shí)現(xiàn)

WebSocket 協(xié)議本質(zhì)上是一個(gè)基于 TCP 的協(xié)議。為了建立一個(gè) WebSocket 連接，客戶端瀏覽器首先要向服務(wù)器發(fā)起一個(gè) HTTP 請求，這個(gè)請求和通常的 HTTP 請求不同，包含了一些附加頭信息，其中附加頭信息“Upgrade： WebSocket”表明這是一個(gè)申請協(xié)議升級的 HTTP 請求，服務(wù)器端解析這些附加的頭信息然后產(chǎn)生應(yīng)答信息返回給客戶端，客戶端和服務(wù)器端的WebSocket 連接就建立起來了，雙方就可以通過這個(gè)連接通道自由的傳遞信息，并且這個(gè)連接會持續(xù)存在直到客戶端或者服務(wù)器端的某一方主動(dòng)的關(guān)閉連接。

1） 自定義協(xié)議格式

在瀏覽器和Web服務(wù)器傳輸?shù)氖亲远x的協(xié)議，為了提高傳輸準(zhǔn)確率、性能，盡量定義的相對簡潔。協(xié)議類型分為兩大類，命令類型、數(shù)據(jù)類型。命令類型協(xié)議主要包括了從客戶端到服務(wù)器的建立連接（connect）、鼠標(biāo)操作（mouse operation）、鍵盤操作（keyboard operation） 、斷開連接（disconnect）。數(shù)據(jù)類型協(xié)議包括圖像數(shù)據(jù)（Image Data）、聲音數(shù)據(jù)（Sound Data）。

協(xié)議定義的格式如下：

Web服務(wù)器選擇哪個(gè)遠(yuǎn)程連接代理、連接代理選擇哪個(gè)虛擬服務(wù)器是通過負(fù)載均衡算法決定的。負(fù)載均衡算法主要考慮的是遠(yuǎn)程連接代理的負(fù)載、虛擬服務(wù)器的負(fù)載。數(shù)據(jù)庫中記錄了當(dāng)前連接代理運(yùn)行狀態(tài)，這些信息包連接目前總共連接數(shù)、當(dāng)前有效連接數(shù)、CPU占用情況、內(nèi)容使用情況、網(wǎng)絡(luò)吞吐率等。通過綜合衡量代理負(fù)載，可以選擇一個(gè)相對空閑代理來處理連接請求。虛擬服務(wù)器的選擇也是相同的道理。

4.2.5 連接建立和數(shù)據(jù)傳輸流程

用戶感覺虛擬桌面直接顯示在了瀏覽器中，實(shí)際上數(shù)據(jù)經(jīng)過了上面的數(shù)據(jù)解封、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)重新封裝等過程，并且在相鄰的兩者之間保持了長連接。為了提高效率就應(yīng)該使自定義協(xié)議盡可能簡潔、高效。

4.3 數(shù)據(jù)保全功能

用戶接入虛擬機(jī)后，所有的操作全程自動(dòng)錄像，用戶可以選擇需要保存的電子數(shù)據(jù)，信息保存方式主要是頁面保存、截屏等。

錄像功能由虛擬機(jī)管理服務(wù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用戶接入虛擬機(jī)時(shí)，虛擬管理服務(wù)將屏幕錄像功能開啟，當(dāng)用戶退出虛擬機(jī)時(shí)，虛擬管理服務(wù)停止錄像。錄像功能獨(dú)立于虛擬機(jī)存在，不受用戶的干預(yù)，用以保證數(shù)據(jù)的正確性。屏幕截取、電子數(shù)據(jù)的保存由用戶參與完成，用戶選擇自己關(guān)注的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并截圖。用戶操作結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)將用戶本次登錄后產(chǎn)生的電子數(shù)據(jù)和保存的錄像計(jì)算校驗(yàn)和，并壓縮打包，上傳到文件服務(wù)器上，并將此次操作數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。

4.4 桌面虛擬化管理

桌面虛擬化依賴于服務(wù)器虛擬化，在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上進(jìn)行服務(wù)器虛擬化，生成大量的獨(dú)立的桌面操作系統(tǒng)（虛擬機(jī)或者虛擬桌面），同時(shí)根據(jù)專有的虛擬桌面協(xié)議發(fā)送給終端設(shè)備。通過基于開源的VirtualBox進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)了靈活的桌面虛擬化管理。

4.4.1 虛擬機(jī)管理

Web服務(wù)接口對外提供了管理虛擬機(jī)的方法;虛擬機(jī)管理模塊實(shí)現(xiàn)了與虛擬機(jī)管理程序的交互，負(fù)責(zé)了具體的虛擬機(jī)操作。主要的功能包括：

1）創(chuàng)建虛擬機(jī)

動(dòng)態(tài)創(chuàng)建虛擬機(jī)，并分配相關(guān)的資源。

2）銷毀虛擬機(jī)

動(dòng)態(tài)銷毀虛擬機(jī)，并回收相關(guān)資源。

3）配置虛擬機(jī)參數(shù)

配置網(wǎng)絡(luò)接口、硬盤、內(nèi)存等。

4）配置虛擬機(jī)遠(yuǎn)程桌面

可以指定虛擬機(jī)遠(yuǎn)程桌面的連接接口

5）啟動(dòng)、停止虛擬機(jī)

6）虛擬機(jī)備份

4.4.2 虛擬機(jī)的分配

不同的物理服務(wù)器中創(chuàng)建的虛擬機(jī)個(gè)數(shù)不同、配置不同、虛擬機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)也不同，為了提供給用戶好的體驗(yàn)，在滿足用戶請求的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡量選擇負(fù)載小的物理服務(wù)器。狀態(tài)維護(hù)模塊在系統(tǒng)運(yùn)行中實(shí)時(shí)記錄下當(dāng)前宿主服務(wù)器的狀態(tài)，包括內(nèi)存占用率、CPU占用率、硬盤占用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、當(dāng)前用戶連接數(shù)、活躍用戶數(shù)、活躍虛擬機(jī)個(gè)數(shù)等等。將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，取前一段時(shí)間的平均數(shù)值，加權(quán)求值，計(jì)算出能夠代表當(dāng)前服務(wù)器負(fù)載的數(shù)值。連接代理通過比較物理服務(wù)器的負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，并建立遠(yuǎn)程桌面連接。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于虛擬化的遠(yuǎn)程電子數(shù)據(jù)保全方法，通過桌面虛擬化，為用戶提供一個(gè)定制的數(shù)據(jù)保全環(huán)境，在該環(huán)境中用戶可以將需要保全的數(shù)據(jù)進(jìn)行保全，會自動(dòng)錄像，打包，計(jì)算校驗(yàn)值，并上傳的服務(wù)端進(jìn)行集中管理，避免了客戶端到服務(wù)端的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的安全性、帶寬低等問題。系統(tǒng)在試運(yùn)行中感覺后續(xù)有幾方面的還可以進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化

1）以支持更多的遠(yuǎn)程協(xié)議，支持更多的高效的遠(yuǎn)程訪問協(xié)議，例如VNC 、Citrix的ICA協(xié)議等。

2）隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，使用基于容器的方法進(jìn)行用戶環(huán)境的定制，可能會更高效和便捷。

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