Improving the Security of Containerized Workloads using Transparency and Traceability Services

Stellen Sie sich das Internet als eine riesige, geschäftige Stadt vor, in der Software das Essen ist, das alle essen. Um dieses Essen zu den Menschen zu bringen, nutzen Köche (Entwickler) automatisierte Fließbänder namens CI/CD-Pipelines, um digitale Gerichte zuzubereiten, die als „containerisierte Workloads“ bekannt sind. Diese Gerichte werden in digitale Boxen namens „Images“ verpackt, in riesigen digitalen Vorratskammern namens „Registries“ gelagert und dann in Restaurants auf der ganzen Welt ausgeliefert, von großen Großküchen bis hin zu winzigen Straßenständen (Edge-Umgebungen). Das Problem ist: Wenn ein Saboteur in die Fließbandproduktion eindringt, kann er eine gesunde Mahlzeit gegen eine vergiftete austauschen, und weil die Fließbandproduktion so schnell und automatisiert abläuft, wird das Gift ausgeliefert, noch bevor es jemand bemerkt. Dies ist die Welt der Software-Lieferketten-Sicherheit: ein hochriskantes Spiel darum, das digitale Essen vor Manipulation, Diebstahl und böswilligen Akteuren zu schützen.

Um dies zu verhindern, benötigen wir zwei Hauptwerkzeuge. Erstens brauchen wir Integrität, was wie ein versiegeltes Glas Marmelade ist; wenn das Siegel gebrochen oder der Inhalt ausgetauscht wurde, wissen Sie es sofort. Zweitens brauchen wir Transparenz, was wie ein öffentliches, unveränderliches Tagebuch ist, in dem jedes Mal, wenn ein Glas versiegelt wird, das Ereignis mit Tinte festgehalten wird, die nicht durchgestrichen werden kann. Wenn jemand versucht, ein vergiftetes Glas zu versiegeln, wird das Tagebuch zeigen, dass das Siegel nicht zur Eintragung passt, und die Öffentlichkeit kann das Tagebuch prüfen, um sicherzustellen, dass das Siegel mit dem Eintrag übereinstimmt. Ohne diese Werkzeuge könnte ein Hacker, der den Schlüssel eines Kochs stiehlt, ein vergiftetes Glas mit einem „gültigen“ Siegel versehen, und niemand würde den Unterschied bemerken, bis es zu spät ist.

Dieses Paper stellt ein kluges neues System vor, um genau dieses Problem zu lösen. Die Autoren, ein Team von Sicherheitsforschern, schlagen einen „Transparency Service“ vor, der wie ein super-sicherer, automatisierter Notar für diese digitalen Lebensmittelboxen fungiert. Anstatt das Fließband einen permanenten Generalschlüssel halten zu lassen (was eine Katastrophe wäre, wenn dieser gestohlen wird), generiert das System für jedes einzelne Gericht, das es zubereitet, einen brandneuen Schlüssel für den Einmalgebrauch. Es versiegelt das Gericht sofort, schreibt das Ereignis in ein öffentliches, unveränderliches Tagebuch (den Transparency Registry) und wirft den Schlüssel danach weg. Wenn das Gericht in einem Restaurant ankommt, prüft der Manager nicht nur das Siegel, sondern prüft auch das öffentliche Tagebuch, um sicherzustellen, dass die Versiegelung tatsächlich aufgezeichnet wurde und dass der Koch, der unterschrieben hat, dazu berechtigt war.

Die Forscher haben einen funktionierenden Prototyp dieses Systems gebaut und es mit beliebten Codierungswerkzeugen wie GitHub Actions und GitLab verbunden. Sie haben es gegen realistische Szenarien getestet, bei denen Hacker versuchen, Schlüssel zu stehlen oder schlechten Code einzuschleusen. Ihre Simulationen zeigen, dass dieser Ansatz Angreifer in vielen Fällen effektiv stoppt, etwa wenn sie versuchen, gestohlene Zugangsdaten eines unbefugten Benutzers zu verwenden. Wenn ein Hacker jedoch die Zugangsdaten eines autorisierten Entwicklers stiehlt, könnte das System die bösartige Software anfangs durch die Sicherheitsprüfungen lassen, weil die Signatur und die Identität gültig aussehen. In diesem spezifischen Szenario liegt die Stärke des Systems in seiner Fähigkeit, den Missbrauch schnell zu erkennen. Da jedes Signaturereignis im öffentlichen Tagebuch festgehalten wird, kann ein „Monitor“ (ein Überwacher) die verdächtige Aktivität bemerken und die Organisation alarmieren. Dies ermöglicht es ihnen, die bösartige Software zu blockieren und die kompromittierten Zugangsdaten zu widerrufen, bevor ein weit verbreiteter Schaden entsteht, wobei die Geschwindigkeit dieser Erkennung davon abhängt, wie häufig das Tagebuch überprüft wird.

Die Geschichte der digitalen Küche

Tauchen wir ein in die Funktionsweise, unter Verwendung der Analogie einer hochtechnologischen, automatisierten Küche.

Das Problem: Die Falle des Generalschlüssels
Stellen Sie sich in der alten Zeit eine Restaurantkette vor, in der jeder Koch einen permanenten, robusten Generalschlüssel zur Vordertür besaß. Wenn ein Einbrecher diesen Schlüssel stahl, konnte er hineingehen, einen giftigen Eintopf kochen und ihn auf die Speisekarte setzen. Weil der Schlüssel „echt“ war, ließ der Sicherheitsmann an der Tür den Eintopf passieren. In der digitalen Welt passiert genau das, wenn ein Hacker das Passwort eines Entwicklers oder den geheimen Schlüssel eines Servers stiehlt. Sie können diesen gestohlenen Schlüssel verwenden, um ein bösartiges Software-Update zu signieren, und weil die Signatur gültig aussieht, wird die Software auf Millionen von Computern installiert.

Die Lösung: Das Einmal-Ticket
Die Autoren dieses Papers sagen: „Keine Generalschlüssel mehr!“ Stattdessen schlagen sie ein System vor, bei dem der Koch überhaupt keinen Schlüssel besitzt. Hier ist der neue Prozess:

1. Die Bestellung: Ein Koch (ein Entwickler) möchte ein neues Gericht zubereiten (ein Container-Image bauen). Er sendet das Rezept an eine spezielle, super-sichere „Notary Machine“ (den Transparency Service).
2. Der Einmal-Schlüssel: Die Notary Machine überprüft die ID des Kochs. Wenn er berechtigt ist zu kochen, erstellt die Maschine sofort einen brandneuen Einmal-Schlüssel speziell für dieses eine Gericht. Sie signiert das Gericht mit diesem Schlüssel und zerstört den Schlüssel dann sofort. Puff! Weg.
3. Das öffentliche Tagebuch: Die Notary Machine schreibt eine Notiz in ein riesiges, öffentliches, unveränderliches Tagebuch (den Transparency Registry). Die Notiz lautet: „Um 14:00 Uhr hat Koch Alice Gericht #123 mit Schlüssel X signiert.“ Das Tagebuch ist wie ein Blockchain oder ein öffentliches Register; sobald eine Seite geschrieben wurde, kann sie nicht herausgerissen oder geändert werden.
4. Der Beleg: Die Maschine gibt dem Koch einen Beleg, der die Signatur, den Namen des Kochs und einen „Proof of Inclusion“ (Nachweis der Aufnahme) enthält. Dieser Nachweis ist wie ein mathematischer Beleg, der besagt: „Ja, ich kann beweisen, dass dieser Eintrag tatsächlich im Tagebuch enthalten ist.“

Der Kontrollpunkt: Der Sicherheitsdienst
Nun kommt das Gericht im Restaurant an (die Deployment-Stätte, wie ein Cloud-Server). Der Sicherheitsdienst (eine Policy Engine) prüft nicht nur die Signatur. Er führt eine dreistufige Prüfung durch:

1. Ist das Siegel echt? Er verifiziert, ob die Signatur zum Gericht passt.
2. Ist der Koch erlaubt? Er gleicht den Namen des Kochs mit einer Liste autorisierter Mitarbeiter ab.
3. Ist es im Tagebuch? Das ist der magische Teil. Er nimmt den „Proof of Inclusion“ und prüft das öffentliche Tagebuch, um sicherzustellen, dass das Ereignis tatsächlich stattgefunden hat. Wenn das Gericht nicht im Tagebuch steht oder wenn der Tagebucheintrag nicht zum Gericht passt, wirft der Sicherheitsdienst es raus.

Warum dies ein Wendepunkt ist
Das Paper zeigt, dass dieses System unglaublich schwer zu brechen ist. Selbst wenn ein Hacker das Passwort eines Kochs stiehlt und versucht, die Notary Machine zur Signierung eines giftigen Gerichts zu überreden, hat das System zwei Sicherheitsnetze:

• Der Einmal-Schlüssel: Da der Schlüssel sofort zerstört wird, kann der Hacker ihn nicht erneut verwenden, um weiteres Gift zu signieren.
• Das öffentliche Tagebuch: Wenn der Hacker es schafft, eine gültige Signatur zu erhalten (zum Beispiel durch den Diebstahl des Logins eines autorisierten Kochs), wird das Ereignis im öffentlichen Tagebuch festgehalten. Ein „Monitor“ (wie ein Wächter) beobachtet das Tagebuch rund um die Uhr. Wenn er einen verdächtigen Eintrag sieht – etwa wenn ein Koch ein Gericht signiert, das er nicht signieren dürfte – kann er das Restaurant alarmieren. Das Restaurant kann dann dieses spezifische Gericht blockieren, bevor es die Kunden erreicht. Die Geschwindigkeit dieses Alarms hängt jedoch davon ab, wie oft der Monitor das Tagebuch prüft; es gibt eine Verzögerung zwischen dem Signierereignis und der Erkennung, die von wenigen Minuten bis zum gesamten Monitoring-Intervall reichen kann.

Der Kompromiss: Warten, bis die Tinte trocken ist
Das Paper weist auch auf einen kleinen Haken hin. Da das öffentliche Tagebuch so sicher ist, dauert es ein wenig Zeit, einen neuen Eintrag zu schreiben. In der realen Welt kann es etwa 12 Minuten dauagen, bis ein neuer Eintrag im Tagebuch erscheint. Das bedeutet, dass es ein winziges Zeitfenster gibt, in dem ein Gericht signiert, aber noch nicht im Tagebuch sichtbar sein könnte. Die Autoren schlagen vor, dass Restaurants eine „Abkühlphase“ festlegen können – also einige Minuten warten, nachdem die Signatur erstellt wurde, bevor sie das Gericht zulassen. Dies stellt sicher, dass der Tagebucheintrag solide ist, bevor das Essen serviert wird.

Das Fazit
Dieses Paper schlägt nicht nur eine Theorie vor; die Autoren haben eine funktionierende Version davon gebaut und getestet. Sie haben herausgefunden, dass sie durch die Kombination von Einmal-Schlüsseln, öffentlichen Tagebüchern und strengen Regeln die meisten gängigen Wege blockieren können, mit denen Hacker versuchen, die Software-Lieferkette zu vergiften. Es ist, als würde man eine digitale Küche in eine Festung verwandelt, in der jede Mahlzeit nachverfolgt, jeder Koch verifiziert und jeder Manipulationsversuch in einem Buch festgehalten wird, das jeder lesen kann. Obwohl es ein kleines bisschen Komplexität und eine kurze Wartezeit hinzufügt, ist der Seelenfrieden, zu wissen, dass das digitale Essen sicher ist, dies wert.