55AA-020

虚拟化方法和安全

层级: 研究生
状态: 建设中

提示：本课程仍在持续设计和校准中，页面内容仅供参考，不代表最终教学版本。

教学大纲

课程概览

虚拟化方法和安全课程研究虚拟机、容器、hypervisor、设备虚拟化、隔离和云安全。课程既讲虚拟化机制，也分析逃逸、侧信道、镜像供应链和 confidential computing 的边界。

这是操作系统、体系结构和系统安全之后的研究生系统专题课。

先修要求

操作系统、体系结构和系统安全基础。
理解页表、中断、设备和权限级别。
能阅读内核或 hypervisor 相关代码。

学习目标

解释 CPU、内存和 I/O 虚拟化机制。
比较虚拟机、容器和沙箱隔离边界。
分析 hypervisor、容器运行时和镜像供应链风险。
评估云环境中的逃逸、侧信道和租户隔离。
构建一个虚拟化实验或安全评估工具。

教学组织

每周 2 次课堂：一次讲授核心概念，一次用于实验、论文讨论或项目评审。
课程按 16 周推进，每周都有可检查的作业、实验或项目里程碑。
强调可复现材料：代码、配置、数据、实验日志和报告需要能被助教或同学复查。

周计划

第 1 周

虚拟化目标和隔离模型

比较 VM、容器和进程沙箱威胁模型。

第 1 次课虚拟化目标和隔离模型：概念、案例与方法90 min第 2 次课虚拟化目标和隔离模型：实验、评审与迁移90 min

第 2 周

虚拟化目标和隔离模型实验与评审

比较 VM、容器和进程沙箱威胁模型。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 3 次课虚拟化目标和隔离模型实验与评审：概念、案例与方法90 min第 4 次课虚拟化目标和隔离模型实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 3 周

CPU 虚拟化和陷入

跟踪一次特权指令或 VM exit。

第 5 次课CPU 虚拟化和陷入：概念、案例与方法90 min第 6 次课CPU 虚拟化和陷入：实验、评审与迁移90 min

第 4 周

CPU 虚拟化和陷入实验与评审

跟踪一次特权指令或 VM exit。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 7 次课CPU 虚拟化和陷入实验与评审：概念、案例与方法90 min第 8 次课CPU 虚拟化和陷入实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 5 周

内存虚拟化和 EPT

分析二级页表和隔离成本。

第 9 次课内存虚拟化和 EPT：概念、案例与方法90 min第 10 次课内存虚拟化和 EPT：实验、评审与迁移90 min

第 6 周

内存虚拟化和 EPT实验与评审

分析二级页表和隔离成本。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 11 次课内存虚拟化和 EPT实验与评审：概念、案例与方法90 min第 12 次课内存虚拟化和 EPT实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 7 周

I/O、设备和中断虚拟化

评估设备直通或模拟设备风险。

第 13 次课I/O、设备和中断虚拟化：概念、案例与方法90 min第 14 次课I/O、设备和中断虚拟化：实验、评审与迁移90 min

第 8 周

I/O、设备和中断虚拟化实验与评审

评估设备直通或模拟设备风险。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 15 次课I/O、设备和中断虚拟化实验与评审：概念、案例与方法90 min第 16 次课I/O、设备和中断虚拟化实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 9 周

容器、namespace 和 cgroup

配置容器隔离并测试边界。

第 17 次课容器、namespace 和 cgroup：概念、案例与方法90 min第 18 次课容器、namespace 和 cgroup：实验、评审与迁移90 min

第 10 周

容器、namespace 和 cgroup实验与评审

配置容器隔离并测试边界。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 19 次课容器、namespace 和 cgroup实验与评审：概念、案例与方法90 min第 20 次课容器、namespace 和 cgroup实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 11 周

逃逸、侧信道和云多租户

复盘一个虚拟化漏洞或云隔离案例。

第 21 次课逃逸、侧信道和云多租户：概念、案例与方法90 min第 22 次课逃逸、侧信道和云多租户：实验、评审与迁移90 min

第 12 周

逃逸、侧信道和云多租户实验与评审

复盘一个虚拟化漏洞或云隔离案例。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 23 次课逃逸、侧信道和云多租户实验与评审：概念、案例与方法90 min第 24 次课逃逸、侧信道和云多租户实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 13 周

镜像、运行时和供应链

审计镜像和运行时配置。

第 25 次课镜像、运行时和供应链：概念、案例与方法90 min第 26 次课镜像、运行时和供应链：实验、评审与迁移90 min

第 14 周

镜像、运行时和供应链实验与评审

审计镜像和运行时配置。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 27 次课镜像、运行时和供应链实验与评审：概念、案例与方法90 min第 28 次课镜像、运行时和供应链实验与评审：实验、评审与迁移90 min

第 15 周

confidential computing 和局限

提交虚拟化安全评估报告。

第 29 次课confidential computing 和局限：概念、案例与方法90 min第 30 次课confidential computing 和局限：实验、评审与迁移90 min

第 16 周

confidential computing 和局限实验与评审

提交虚拟化安全评估报告。完成配套实验、记录问题，并在课堂评审中解释设计取舍。

第 31 次课confidential computing 和局限实验与评审：概念、案例与方法90 min第 32 次课confidential computing 和局限实验与评审：实验、评审与迁移90 min

考核方式

个人作业

概念题、阅读题、设计题和小型编程或实验任务。

25%

实验与项目

虚拟化实验、安全评估、配置审计和报告。

40%

课堂参与与评审

参与讨论、演示、代码或论文评审，以及同伴反馈。

10%

期末报告与答辩

提交可复现材料、技术报告和演示，说明方法、结果、限制与后续工作。

25%

课程项目

项目围绕虚拟化机制或安全边界展开，例如容器隔离评估、hypervisor 实验、镜像供应链审计或云信任边界分析。

课程政策

允许使用 AI 工具，但所有生成代码、实验记录和设计建议必须经过学生本人审查，并在报告中说明使用方式。
严禁提交不能解释的代码、证明、配置或实验结果；答辩时每名成员都需要解释自己负责部分的设计、测试和取舍。
迟交会影响迭代评分，但课程更看重可复现、可审计和可维护的结果，而不是临时堆砌。