eMicro: Real-Time Multi-Hop Access Control for Microservices with eBPF
يقدم البحث نظام eMicro، وهو نظام دفاعي فعال يعتمد على تقنية eBPF ويدرك المسارات، حيث يفرض التحكم في الوصول متعدد القفزات في الوقت الفعلي للخدمات المصغرة عن طريق ترميز السياسات الأمنية كأجهزة حالات محدودة حتمية لمنع الهجمات المعقدة متعددة القفزات مع حد أدنى من عبء التشغيل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل الإنترنت كمدينة ضخمة ومزدحمة حيث كل مبنى فيها هو عامل صغير ومتخصص يسمى "خدمة مصغرة" (microservice). بدلاً من وجود مصنع واحد ضخم يقوم بكل شيء، يتبادل هؤلاء العمال الملاحظات فيما بينهم لإنجاز مهمة ما. أحياناً، تنتقل ملاحظة من المخبز إلى البنك، ثم إلى حارس الأمن، وأخيراً إلى الخزنة. هكذا تعمل التطبيقات الحديثة: فهي مكونة من آلاف هذه الخدمات الصغيرة التي تتواصل في رقصة معقدة.
لكن إليك الجزء الصعب: حراس الأمن عادةً لا يفحصون إلا الشخص الواقف أمامهم مباشرة. إذا أرسل المخبز ملاحظة إلى البنك، فإن الحارس يتحقق مما إذا كان المخبز مسموحاً له بالتحدث إلى البنك. لكنه لا ينظر إلى كيف وصل المخبز إلى هناك. هذا يخلق ثغرة مخادعة. يمكن لشخص سيء أن يخدع المخبز لإرسال ملاحظة إلى البنك، وقد يظن البنك: "أوه، المخبز يتحدث معي، هذا أمر جيد!" دون أن يدرك أن المخبز كان في الواقع مُجبراً على ذلك من قبل مخترق. يُسمى هذا "هجوم تعدد القفزات" (multi-hop attack)، حيث يقفز المتمرد من عامل شرعي إلى آخر، بانيًا سلسلة من الثقة تبدو جيدة في كل خطوة بمفردها، لكنها في الواقع كارثة من البداية إلى النهاية.
الورقة البحثية التي ستطالعها الآن، والتي تحمل اسم eMicro، تعالج هذه المشكلة تحديداً. هي تسأل: كيف نوقف هذه السلاسل المخادعة دون إبطاء كل شيء أو إجبار كل عامل على حمل حقيبة ظهر ضخمة وثقيلة مليئة بالتاريخ؟ قام المؤلفون، وهم فريق من الباحثين من جامعة فرجينيا تيك، وIBM، وغيرهم، ببناء نظام يعمل كشرطي مرور ذكي وغير مرئي. بدلاً من مجرد فحص الشخص عند الباب، يعرف هذا الشرطي القصة الكاملة لرحلة الملاحظة. يستخدم تقنية خاصة تسمى eBPF (والتي تسم تتيح للبرامج العمل بأمان داخل محرك الكمبيوتر الأساسي) لتتبع المسار دون الحاجة لتغيير ملابس العمال. كما يستخدمون خدعة رياضية ذكية تسمى DFA (نوع من المخططات الانسيابية) لتذكر القواعد بكفاءة عالية بحيث لا تشغل مساحة تذكر. والنتيجة؟ نظام يوقف هذه الهجمات المخادعة في الوقت الفعلي، ويعمل بسرعة فائقة، ويتناسب مع الأنظمة السحابية الضخمة دون عناء.
رد الفعل المتسلسل المخادع
لنفترض أن لديك تطبيقاً لمشاركة الصور. لديه باب أمامي (nginx)، ومحرر صور (media)، وغرفة تخزين (cloud)، وخزنة لكلمات المرور (creds). في يوم عادي، يطلب مستخدم من الباب الأمامي صورة. يطلب الباب الأمامي من المحرر، ويطلب المحرر من غرفة التخزين، وبوم—تحصل على صورتك. هذا مسار آمن.
الآن، تخيل أن مخترقاً وجد شقاً صغيراً في الباب الأمامي. يخدع الباب الأمامي ليطلب من خزنة كلمات المرور مفتاحاً، متظاهراً بأن هذا مجرد طلب عادي. سيقوم حارس الأمن التقليدي بالنظر إلى الباب الأمامي وخزنة كلمات المرور ويقول: "مهلاً، الباب الأمامي مسموح له بالتحدث إلى الخزنة أحياناً، لذا تفضل بالدخول!" سيفوت الحارس حقيقة أن الباب الأمامي كان من المفترض أن يتحدث إلى محرر الصور، وليس إلى الخزنة. لقد نجح المخترق في "تحريف" سير العمل.
هذه هي مشكلة "تعدد القفزات". الهجوم ليس انفجاراً كبيراً واحداً؛ بل هو سلسلة من الخطوات الصغيرة التي تبدو قانونية ولكنها تؤدي إلى كارثة. توضح الورقة أن أنظمة الأمن القديمة تشبه الحراس الذين لا يهتمون إلا بالشخص الواقف أمامهم، ولا يبالون بمن دفع ذلك الشخص قبل خمس خطوات.
دخول eMicro: حافظ القصة
بنى مؤلفو هذه الورقة نظام eMicro لإصلاح هذا الأمر. فكر في eMicro كنظام يعطي كل طلب "علامة قصة". عندما يبدأ الطلب، يحصل على ملصق صغير. وعندما ينتقل من الباب الأمامي إلى المحرر، يتم تحديث الملصق ليقول: "لقنا جئت من الباب الأمامي". وعندما ينتقل إلى غرفة التخزين، يقول الملصق: "أنا جئت من الباب الأمامي، ثم المحرر".
إذا حاول مخترق خداع الباب الأمامي للذهاب مباشرة إلى خزنة كلمات المرور، فسيكون الملصق خاطئاً. سيقول: "أنا الباب الأمامي"، لكن الخزنة تتوقع ملصقاً يقول: "أنا الباب الأمامي بعد التحدث مع المحرر". يرى النظام عدم التطابق ويوقف الطلب فوراً.
ولكن إليك السحر: حمل علامة قصة كاملة لكل طلب سيكون ثقيلاً وبطيئاً. تخيل لو كان عليك مع كل رسالة نصية إرفاق سيرة ذاتية من 50 صفحة عن كل من تحدثت إليهم من قبل. سيؤدي ذلك إلى سد الشبكة.
المخطط الانسيابي السحري (DFA)
لحل مشكلة "الحقيبة الثقيلة"، استخدم الباحثون خدعة رياضية ذكية تسمى Deterministic Finite Automaton (DFA). بدلاً من كتابة القصة كاملة، يحول النظام القواعد إلى مخطط انسيابي فعال وضخم.
تخيل مخططاً انسيابياً حيث كل خطوة تتخذها تنقلك إلى دائرة جديدة:
- الدائرة 0: البداية.
- الدائرة 1: تحدثت مع الباب الأمامي.
- الدائرة 2: تحدثت مع الباب الأمامي، ثم المحرر.
- الدائرة 3: تحدثت مع الباب الأمامي، ثم المحرر، ثم التخزين.
النظام لا يحمل الكلمات "الباب الأمامي، المحرر، التخزين". هو فقط يحمل رقم الدائرة التي أنت فيها (مثلاً: "الدائرة 3"). إذا حاولت القفز من الدائرة 1 مباشرة إلى خزنة كلمات المرور، سيقول المخطط الانسيابي: "انتظر، لا يوجد خط من الدائرة 1 إلى الخزنة!" ويمنعك.
هذا فعال للغاية. توضح الورقة أنه بينما قد تحتاج الطريقة "القياسية" لكتابة التاريخ إلى مئات البتات (مثل سلسلة طويلة من الأصفار والآحاد)، فإن طريقة المخطط الانسيابي هذه تقلصها إلى مجرد بضعة بتات فقط. في اختباراتهم، خزنوا 50 مليون قاعدة أمنية مختلفة في مساحة 100 ميجابايت فقط. هذا يشبه وضع مكتبة من ملايين الكتب في هاتف ذكي واحد.
شرطي المرور غير المرئي (eBPF)
كيف يقوم eMicro بتحديث هذه الملصقات بسرعة دون مطالبة كل برنامج كمبيوتر بتغيير كوده؟ الإجابة هي eBPF.
فكر في eBPF كأداة خاصة تتيح لك تشغيل برامج صغيرة وآمنة داخل محرك الكمبيوتر (الـ kernel). عادةً، لتتبع ما يحدث، سيتعين عليك مطالبة كل تطبيق بتثبيت أدا تتبع، وهو كابوس للمطورين. eMicro لا يفعل ذلك. بدلاً من ذلك، يربط برامجه الصغيرة بأنابيب الشبكة والعمليات الداخلية للكمبيوتر.
عندما تخرج حزمة طلب من خدمة ما، يلتقطها برنامج eBPF، ويحدث "رقم الدائرة" (الملصق)، ثم يتركها تمر. يحدث هذا بسرعة كبيرة لدرجة أن الطلب لا يشعر به. وقد قاس الورقة هذا ووجد أن eMicro يضيف أقل من ميكرو ثانية واحدة (واحد من مليون من الثانية) إلى الوقت المستغرق لفحص الطلب. إنه أسرع من رمشة عين الإنسان.
ما الذي وجدوه؟
اختبر الفريق eMicro بعدة طرق مختلفة للتأكد من فعاليته:
- إيقاف الهجمات: قاموا بمحاكاة ثلاثة أنواع من الهجمات المخادعة، بما في ذلك خداع الخدمات للتحدث إلى أماكن خاطئة واستخدام برمجيات خبيثة لمسح الشبكة. أوقف eMicro 100% من هذه الهجمات. في المقابل، لم تلتقط أساليب الأمن القديمة (التي تعتمد على فحص الجار المجاور) سوى جزء ضئيل منها. على سبيل المثال، في سلسلة مكونة من 6 خطوات، لم تلتقط الطرق القديمة سوى 0.3% من المسارات السيئة، بينما التقط eMicro كل شيء.
- السرعة: مرروا 12 مليون طلب عبر نظامهم. حافظ eMicro على تدفق حركة المرور بسلاسة، مضيفاً تأخيراً لا يكاد يُذكر. كان أسرع بنسبة 35% من الأنظمة المركزية القديمة التي حاولت القيام بنفس الشيء ولكنها كانت تضطر لسؤال "رئيس مركزي" عن الإذن في كل مرة.
- المساحة: كما ذكرنا، خزنوا 50 مليون سياسة في 100 ميجابايت من الذاكرة. هذا تحسن هائل مقارنة بالطرق القديمة التي كانت ستحتاج إلى جيجابايت من المساحة.
- الموثوقية: اختبروا أيضاً ما يحدث إذا تعطل كمبيوتر في الشبكة. يستخدم eMicro نظاماً يسمى Raft لضمان اتفاق جميع أجهزة الكمبيوتر على القواعد. إذا تعطل أحدها، تتولى الأجهزة الأخرى المهمة، ويتعافى النظام في أقل من 4 ثوانٍ.
لماذا هذا مهم؟
تخلص الورقة إلى أن eMicro هو حل عملي وواقعي. فهو لا يتطلب إعادة كتابة كل البرمجيات في العالم، ولا يبطئ العمل. إنه يثبت أنه يمكنك امتلاك حارس أمن يعرف القصة الكاملة لكل طلب، وليس فقط الشخص الواقف أمامه.
يؤكد المؤلفون بحذر أنه بينما يعد نظامهم رائعاً للخدمات المصغرة، إلا أنه ليس عصا سحرية لـ كل المشاكل الأمنية. فهو يفترض أن محرك الكمبيوتر الأساسي (الـ kernel) آمن. إذا حصل مخترق على سيطرة كاملة على "عقل" الكمبيوتر، فقد يتمكن من إيقاف الحارس. ولكن بالنسبة للغالبية العظمى من هجمات السحابة حيث يحاول المخترقون التسلل عبر الشقوق بين الخدمات، فإن eMicro يسد تلك الثغرات.
باختاً، يأخذ eMicro الشبكة المعقدة وغير المرئية للتطبيقات الحديثة ويمنحها مجموعة واضحة وسريعة وغير قابلة للكسر من القواعد. إنه يحول مدينة فوضوية من العمال إلى فريق منظم للغاية، حيث يعرف الجميع بالضبط مع من يجب أن يتحدثوا، ولا يمكن لأحد التسلل من الباب الخلفي.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.