省级教育数据中心安全运维技术体系建设研究

郑厦君

摘 要：利用云计算技术，省级教育数据中心实现了计算资源、网络资源、存储资源的虚拟化和服务化，同时教育数据中心的安全威胁和防护要求也产生了新的变化。本文依据安全等级保护的有关标准和规范，结合数据中心承载的教育应用系统的特点和实际需求，采用分区分域、重点保护的原则，构建省级教育数据中心安全运维技术体系，提升虚拟化环境下数据中心的抗攻击能力。

关键词：教育数据中心；安全运维；技术体系

中图分类号：TP393 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2016）19-0005-06

一、省级数据中心的整体架构

近年来，福建省教育管理信息中心从更高层次上将过去以单位建设和运营的传统信息系统整合成以省级为单位的数据中心，形成资源共享、互联互通、服务整合的有机整体，省级数据中心实现虚拟化和动态管理，为本省提供教育管理信息系统运行的云服务平台，承载和满足国家教育管理公共服务平台在省级教育行政部门的部署和运行，集成和支撑省本级各类教育基础数据库和各类教育管理信息系统，服务于所辖区域内教育行政部门和学校的信息化管理业务应用。

整体设计架构如图1所示。

随着教育管理信息系统的建成，各级各类教育部门对信息系统的依赖程度将会越来越高，逐步形成覆盖各级各类教育的学生、教师和学校及资产等方面的海量信息，这对维持教育管理信息系统安全稳定运行，保障教育管理信息安全提出了更高的要求

二、省级数据中心安全防护的变化

利用云计算技术，省级数据中心实现了计算资源、网络资源、存储资源的虚拟化和服务化，同时数据中心的安全威胁和防护要求也产生了新的变化。云计算带来的一个最明显的变化就是计算网络的边界发生了改变，诸多的业务系统运行在数据中心云服务平台上，保障数据中心的业务连续性和进行灾难恢复将是一个巨大的挑战，任何一个机械故障、人为错误、黑客攻击、病毒木马如果得不到有效的控制，就很有可能造成整个数据中心的崩溃。

1.安全防护对象扩大

安全风险并没有因为虚拟化而消失或规避。尽管单台物理服务器可以划分成多台虚拟机使用，但是每台虚拟机上承载的业务和服务和传统单台服务器承载的基本相同，同样虚拟机面临的安全问题跟单台物理机也是基本相同的，如对业务系统的访问安全、不同业务系统之间的安全隔离、操作系统和应用程序的漏洞攻击等。

数据中心需要防护的对象范围也扩大了。安全防护需要考虑以HyPevsor和vcenter为代表的特殊虚拟化软件，由于 vcenter等本身所处的特殊位置和在整个系统中的重要性，如果漏洞没能及时修复，这必定会给虚拟化平台带来一定的安全风险，一旦攻击者获得虚拟化平台的管理权限，将可以随意访问任意一台虚拟机，服务器的业务数据也就没有任何安全性可言了。

2.威胁扩散速度快

在虚拟化环境中，同一台物理服务器上的不同虚拟机之间的通讯是基于服务器内部的虚拟交换网络解决，相邻虚拟机之间的流量交换不通过外部的网络交换机，此时外部的网络安全工具也都无法监测到物理服务器内部的流量。其中任何一台虚拟机存在安全漏洞被攻击控制后，攻击者可通过这台虚拟机入侵同一台服务器上的其他虚拟机。

虚拟机可以根据实际需求在不同物理机之间进行动态迁移，这可能会让一些重要的虚拟机迁移到不安全的物理机上，或者一些测试用的虚拟机与重要的虚拟机迁移到同一虚拟局域网，从而带来安全风险。

3.病毒扫描风暴

完成服务器虚拟化之后，为了保护虚拟服务器的安全运行，要在每一台虚拟机上安装防病毒等安全软件，每台虚拟机因此要消耗相同的CPU、内存等硬件资源，常规防病毒扫描和病毒码更新等也需要占用大量资源，这样随着虚拟机数量的增加，后端存储的负荷随之变大从而影响到系统的运行速度。

虚拟机的初衷是绿色环保，低碳节能，没有业务运行的时候可以关闭虚机，业务恢复时开启虚机，但关闭期间病毒代码是无法更新的，如果多台虚拟机同时开机更新防病毒软件的病毒码，这时网络带宽也有较大影响。如果所有虚拟机上的防病毒软件设置定期扫描或更新，将会引起“防病毒风暴”，影响服务器应用程序的正常运行。

三、省级数据中心安全运维技术体系构建

依据国家等级保护的有关标准和规范，以省级教育数据中心基础环境的安全防护需求为出发点，根据云计算虚拟化的特点和风险状况，同时参考传统“进不来，拿不走，看不到，改不了，走不脱”的防御要求，分别从事前监控、事中防护和事后审计三个角度进行考虑，采用分区分域、重点保护的原则，对数据中心网络和业务应用系统进行分区分域防控，对承载的国家教育管理公共服务平台、本级应用系统和重点区域进行重点的安全保障，根据业务应用系统面临的实际安全威胁，采用适当的安全保障措施，建立覆盖物理、网络、主机、存储、数据库、应用的整体信息安全防护技术支撑环境，提升数据中心的抗攻击能力，维持国家教育管理信息系统稳定运行，保障教育管理信息安全。

1.物理层

（1）机房安全

机房是数据中心重要的基础设施，服务器设备、网络设备和存储设备等是数据中心机房的核心设备。这些设备运行所需要的环境因素，如供电系统、空调系统、消防系统、机房与监控系统是数据中心机房重要的物理基础设施。福建省级教育数据中心前身是省教育厅信息中心机房，由服务器机房、网络机房、控制室、配电机房四部分组成，现有数据中心使用面积达115平方米，安装了机房智能、供配电、通风，环境监测、防雷接地、门禁等子系统，满足机房建设的相关标准和要求，符合信息安全等级保护三级的合规要求。

（2）资产管理

数据中心管理关键在于立足全局，明了拥有的资源，知晓设备放置在哪里，它们是如何连接到一起的。准确的资产数据是数据中心日常运维的基础之一，随着数据中心的设备数据增加，资产信息的准确性显得更加重要。对已有的虚拟机、物理设备和应用系统进行标记，例如业务IP、管理地址、外网映射、对外开放端口、VPN情况、资源情况、域名、相应特殊策略及对系统的简短描述。

2.网络层

（1）安全区域的划分

为保障数据中心整体结构安全，将安全区域划分作为安全运维技术体系设计的首要任务。数据中心的网络构成非常庞大，支撑的应用系统也非常复杂，因此采用基于安全域的办法是非常有效的，结合数据中心的基础环境及业务系统的实际情况和特点，以安全保障合理有效为原则，将信息系统网络划分为多个相对独立的安全区域，根据各个安全区域的功能和特点选择不同的防护措施。

省级教育数据中心既承载着国家教育管理信息系统，又为自建应用系统提供运营支撑。根据安全等级保护要求完成安全区域划分，分别设置外网接入区、骨干网络区、前置服务区、应用服务区、数据库区及运维区等，同时在应用服务区里根据应用对象划分了教育部系统区、厅主要应用区、其他应用区，结合各个安全区域的业务特点设计保护措施和安全策略，这大大提升了安全防护的有效性，也体现出重点区域重点防范的建设原则。

（2）外网接入区

主要实现网络出口及出口的安全管理、带宽管理、负载均衡控制。根据外网接入区的特点分析和需求分析，对该区域进行边界的防护，以及对入侵事件的深度检测及防护，抗拒绝服务攻击以及流量分析构成完善的防护系统。

A.实现边界结构安全。数据中心有多条ISP链路，包括移动、联通、电信等。通过互联网边界部署链路负载均衡设备避免因ISP链路故障带来的网络可用性风险和解决网络带宽不足带来的网络访问问题。根据业务的重要次序进行带宽分配优先，保证在网络发生拥堵的时候优先保护重要业务，保证网络各个部分的带宽满足业务高峰期需要。

B.实现边界访问控制。在互联网边界部署边界万兆防火墙，一方面满足数据中心万兆网络环境需求；另一方面满足互联网边界移动、电信、联通等线路接入以及对流经防火墙的数据包提供明确的拒绝或允许通过的能力、提供细粒度的访问控制，并满足网络层面抗攻击能力。防火墙详细记录了转发的访问数据包，便于管理人员进行分析。同时在防火墙配置会话监控策略，当会话处于非活跃一定时间或会话结束后，防火墙自动将会话丢弃，访问来源必须重新建立会话才能继续访问资源。

C.实现边界恶意代码防范。在互联网边界部署防病毒网关，采用透明接入方式，在最接近病毒发生源安全边界处进行集中防护，对夹杂在网络交换数据中的各类网络病毒进行过滤，对网络病毒、蠕虫、混合攻击、端口扫描等各种广义病毒进行全面的拦截。截断了病毒通过网络传播的途径，净化了网络流量，满足三级等级保护中实现边界恶意代码防范的要求。

D.实现边界安全审计。在互联网边界部署上网行为管理系统，满足为单位内部用户提供内网用户上网行为合规性检查，提供用户上网行为日志记录，不合规上网行为阻断等功能。

（3）骨干网络区

核心交换区连接数据中心内部各个功能分区，是整个运行网数据中心的核心，其功能是高速可靠地交换数据，需要具备高性能、高可靠。各个功能分区汇聚位置采用独立的汇聚交换机去实现。

A.实现边界访问控制。通过数据中心核心交换机配置防火墙板卡和IPS板卡，为数据中心的网络应用提供主动、实时的防护，监测网络异常流量，自动对各类攻击性的流量进行实时阻断，增强数据中心稳定性、可靠性、安全性。

B.数据中心万兆汇聚防火墙具备虚拟防火墙功能，通过将数据中心万兆汇聚防火墙虚拟成应用服务器区边界防火墙，为应用服务器区/数据库服务器区/运维管理区边界提供细粒度的访问控制能力，实现基于源/目的地址、通信协议、请求的服务等信息的访问控制，防止终端接入区用户非法访问应用服务器区的资源，并且利用防火墙的多个端口，将实现多个区域的有效隔离。

3.平台层

云安全技术多集中在虚拟化安全方面。虚拟化环境下计算、存储、网络结构、服务提供模式等的改变，带来了应用进程间的相互影响更加难以监测和跟踪，数据的隔离与访问控制管理更加复杂，传统的分区域防护界限模糊，对使用者身份、权限和行为的鉴别、控制与审计变得更为重要等一系列问题，对安全提出了更高的要求。

（1）防火墙

传统的网络安全设备无法查看虚拟机内的网络通信，因而无法检测或抑制源于同一主机上的虚拟机的攻击。针对服务器虚拟化面临的风险，通过部署与VMware虚拟化环境底层系统无缝集成的无代理安全防护系统，减少物理和虚拟服务器的攻击面。使用双向状态防火墙对服务器防火墙策略进行集中式管理，阻止拒绝服务攻击，实现针对虚拟交换机基于网口的访问控制和虚拟系统之间的区域逻辑隔离，构建虚拟化平台的基础架构多层次的综合防护。

以透明方式在VMware vSphere虚拟机上实施安全策略，按照最小授权访问的原则，细化访问控制策略，严格限制访问虚拟机宿主机和虚拟机的访问IP 地址、协议和端口号，保障虚拟机在动态环境中的安全。

（2）防恶意软件

为了确保虚拟化平台及虚拟机的安全运行，必须部署必要的安全工具，在虚拟机上安装网络杀毒软件和恶意代码查杀程序，防止虚拟机遭受病毒及恶意代码的侵袭，设置病毒和恶意代码查杀策略。及时更新病毒库和恶意代码库，保证病毒和恶意代码及时被清除。

无代理安全模式以一台物理机为管理单位，无需在每个虚拟机中部署安全防护程序，集中一台虚拟安全服务器中部署运行，随时在线升级和维护，分时扫描各应用服务器虚拟机，对虚拟环境的性能不会造成显著影响，从而避免了“防病毒风暴”等现象。

（3）补丁程序更新

虚拟化平台由于自身设计的缺陷，也存在安全隐患。要保证虚拟机的安全，必须及时为虚拟机进行漏洞修补和程序升级。即便如此，仍然存在安全隐患，原因在于虚拟机系统的补丁可能落后于更新，而且承载不同操作系统的虚拟机可能迟滞不同级别的补丁和更新。所以当其他虚拟机受到保护时，这些还没有更新补丁，容易受到安全威胁的机器就会影响其他虚拟机的安全。

4.系统层

安全测试与风险评估。在部署信息系统前，对承载应用系统的数据库、中间件进行安全配置，并在系统正式上线运行前进行安全测试与风险评估，对于发现的问题整改完成后再行上线，避免应用系统带病运行造成后期整改困难。

（1）部署漏洞扫描系统

如果说防火墙和网络监视系统是被动的防御手段，那么安全扫描就是一种主动的防范措施，能有效避免黑客攻击行为，做到防患于未然。采用最新的漏洞扫描与检测技术，包括快速主机存活扫描技术、操作系统识别技术、智能化端口服务识别技术、黑客模拟攻击技术、入侵风险评估技术等多种扫描技术的综合应用，快速、高效、准确地发现系统安全隐患并在短时间内修复漏洞，最大限度地降低系统安全风险，消除安全隐患。

（2）服务器加固系统

操作系统核心加固通过对操作系统原有系统管理员的无限权力进行分散，使其不再具有对系统自身安全构成威胁的能力，实现文件强制访问控制、注册表强制访问控制、进程强制访问控制、服务强制访问控制、三权分立的管理、管理员登录的强身份认证、文件完整性监测等功能，从而达到从根本上保障操作系统安全的目的。此外，内核加固模块稳定的工作于操作系统下，提升系统的安全等级，为用户构造一个更加安全的操作系统平台。

5.应用层

（1）应用服务区划分

应用服务区主要承载运行环境内的应用服务器，包括教育部应用的oracle、weblogic等中间件服务器等。核心区通过独立的防火墙设备接入应用服务区。

根据应用系统承载不同的应用，实现不同的功能，不同的管理模式，不同的应用系统划分为不同的保护等级，应用服务区分为教育部应用区（三级）、厅主要应用区（三级）、市县应用区（二级）。

（2）前置服务区

提供Web服务的服务器被放置在前置服务区，主要运行网站等互联网应用。在前置服务器区边界部署Web应用防火墙，能够满足为前置服务器区边界提供强制访问控制能力以及能够提供应用层针对网站攻击防护能力。事前，Web应用防火墙提供Web应用漏洞扫描功能，检测Web应用程序是否存在SQL注入、跨站脚本漏洞。事中，对黑客入侵行为、SQL注入/跨站脚本等各类Web应用攻击、DDoS攻击进行有效检测、阻断及防护。事后，针对当前的安全热点问题，网页篡改及网页挂马，提供诊断功能，降低安全风险，维护网站的公信度。从而更有效地对厅网站进行全面的保护，有效降低安全风险。通过部署Web应用防火墙弥补防火墙、IPS在应用层方面薄弱的防护能力。

6.数据层

（1）数据库安全审计

数据库服务区承载了运行环境下核心应用系统的核心数据库。目前共3套核心Oraclerac集群服务器。在数据库服务器区接入交换机旁路部署两台数据库审计系统，通过技术手段并结合管理制度，能够确保数据库服务器区的数据库系统的信息安全；能够及时发现非法用户以及黑客对数据库错误操作和非法操作，并进行及时阻断；能够对数据库查询和修改等操作进行记录，并能提供事后追溯；能够检测和分析数据库应用系统存在的BUG，并能提供相关报表信息；对所有数据库操作可实现字段级的细粒度审计，便于数据库管理。

（2）数据传输安全

保障业务数据在传输过程中的完整性与保密性。一方面，在外网接入区边界部署IPSECVPN实现在省级数据中心与教育部数据中心进行数据传输时，通过VPN技术措施进行传输加密，实现数据通信加密安全；另一方面，在前置服务器区部署SSLVPN实现在福建省教育厅数据中心服务器与外部出差、外部办公人员应用终端之间进行数据传输时，通过SSLVPN技术措施实现数据传输的加密，实现数据通信加密安全。

（3）数据容灾备份

备份是用户保护计算机中重要数据信息的最佳方式。通过Symantec Netbackup实现本地统一备份以及远程数据复制归档的功能，并且在本地配备重复数据删除功能，通过重删后的数据进行远程数据复制归档，从而降低数据的传输大小以及对传输带宽的要求。实现省级教育数据中心的各类结构化、非结构化数据的本地数据备份，制定备份策略，备份服务器将自动进行数据的增量备份与全备份操作；实现各类数据的异地归档备份数据级容灾，能够在数据中心生产数据以及其备份数据均产生问题时，通过容灾机房实现远程归档备份的数据还原操作；实现教育数据中心关键系统的独立部署以及本地数据备份，大大提高系统的数据安全性。

7.运维层

（1）安全运维管理平台

安全运维管理平台的主要监控对象包括各省级教育数据中心所辖硬件设备（网络设备、安全设备和服务器等）和应用系统，主要实现的功能包括：资产管理、性能监控、信息安全告警管理、信息安全事件审计、信息安全风险管理、工单管理、通告管理及多级联动等主要功能。

按照教育部安全运维管理平台统一配置规范、统一接口标准建设省级安全运维管理平台，一方面负责采集分析省级教育数据中心网络设备、安全设备、服务器、中间件的性能指标，实现省级数据中心基础环境的业务可用性集中监测与管理；另一方面收集汇总本级环境中的安全事件并进一步通过关联分析实现对部署在本级的国家教育管理信息系统的整体安全运行态势进行集中监控、分析与管理。最终省级安全运维管理平台通过IPSecVPN构建的数据加密传输通道上报业务可用性运行状态、重大信息安全风险、重要信息安全事件及信息安全审计分析报告等数据信息至中央级安全运维管理平台，实现对全国教育信安全事件的集中监测、上报与响应。

（2）应用安全监测与预警平台

应用安全监测与预警平台以应用系统为对象，对应用系统进行漏洞监测、实时挂马监测、关键字监测、可用性监测、事后篡改监测、安全告警与安全势态跟踪，实现对应用系统的可用性、脆弱性和内容安全性进行监测、预警。

统一部署的应用安全监测预警管理平台，实现对部署于数据中心的国家教育管理信息系统及自建系统进行应用安全监测与管理；并通过本平台上报国家教育管理信息系统的重大安全风险、重要安全事件及应用系统安全审计分析报告等数据信息。

（3）安全运维审计

在运维管理区部署运维审计系统，逻辑上将人与目标设备分离，建立“人-〉主账号（堡垒机用户账号）-〉授权—>从账号（目标设备账号）的模式；在这种模式下，基于唯一身份标识，通过集中管控安全策略的账号管理、授权管理和审计，建立针对维护人员的“主账号-〉登录—〉访问操作-〉退出”的全过程完整审计管理，实现对各种运维加密/非加密、图形操作协议的命令级审计。通过细粒度的安全管控策略，保证服务器、网络设备、数据库、安全设备等安全可靠运行，降低人为安全风险，避免安全损失。堡垒机不仅能记录操作痕迹，还能回放记录，追溯责任，定位问题，运维审计结果能以各种报表形式展现，满足不同人员的需求。

四、结束语

安全运维是确保信息系统正常运行的必要环节，也是信息系统生命周期中的一个长期工作。省级教育数据中心安全运维技术保障体系依托统一身份认证管理平台，通过分级和分域进行安全管理与保障，实现各个分域子网安全，实现基于安全域的安全互联、接入控制与边界安全防护，构建安全管理中心，提供安全管理、安全监控、安全审计、容灾备份、应急响应等安全服务手段，保证数据中心计算环境安全，保证承载的国家教育管理公共服务平台和本级各类教育管理信息系统的运行，最终形成“安全开放、等级保护、按需防御”的等级化安全保障体系，服务于所辖区域内教育行政部门和学校的信息化管理业务应用。

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（编辑：王晓明）