Improving the Security of Containerized Workloads using Transparency and Traceability Services

インターネットを、ソフトウェアが誰もが食べる食べ物である、巨大で賑やかな都市だと想像してみてください。この食べ物を人々に届けるために、シェフ（開発者）は「コンテナ化されたワークロード」と呼ばれるデジタル料理を作るための自動組み立てラインである「CI/CDパイプライン」を使用します。これらの料理は「イメージ」と呼ばれるデジタルの箱に詰められ、「レジストリ」と呼ばれる巨大なデジタルのパントリーに保管され、それから巨大なクラウドキッチンから小さな路面店の屋台（エッジ環境）に至るまで、世界中のレストランへと出荷されます。問題は、もしサボタージュを行う者が組み立てラインに忍び込んだ場合、健康的な食事を毒入りのものとすり替えられてしまう可能性があることです。そして、組み立てラインがあまりにも高速かつ自動化されているため、誰かが気づく前に、毒が何千もの顧客へと出荷されてしまうのです。これが、ソフトウェア・サプライチェーン・セキュリティの世界です。これは、デジタル食品を改ざん、盗難、および悪意のある行為者から守るための、非常に重要なゲームなのです。

これを止める方法を理解するには、2つの主要なツールが必要です。第一に、ジャムの瓶についている「改ざん防止シール」のような**完全性（Integrity）**が必要です。もしシールが破られていたり、中のジャムがすり替えられていたりすれば、すぐに分かります。第二に、**透明性（Transparency）**が必要です。これは、瓶が封印されるたびに、その出来事が消せないインクで書き込まれる、公開された消去不可能な日記のようなものです。もし誰かが毒入りの瓶を封印しようとしたら、その日記にはそのことが記されます。そして、人々はその日記をチェックして、シールがその記録と一致しているかを確認できます。これらがなければ、シェフの鍵を盗んだハッカーが、毒入りの瓶を「有効な」シールで封印してしまっても、手遅れになるまで誰もその違いに気づかないでしょう。

本論文は、まさにその問題を解決するための巧妙な新システムを紹介しています。著者たち（セキュリティ研究者のチーム）は、デジタル食品の箱に対する、非常に安全で自動化された公証人の役割を果たす「透明性サービス（Transparency Service）」を提案しています。組み立てラインが永続的なマスターキーを保持し続ける（もしそれが盗まれたら災難です）代わりに、このシステムは、料理を作るたびに全く新しい、使い捨てのキーを生成します。その後、直ちに料理に署名を行い、そのイベントを公開された消去不可能な日記（透明性レジストリ）に書き込み、そしてキーを破棄します。料理がレストランに到着したとき、マネージャーは単にシールを確認するだけでなく、その署名が実際に記録されているか、そして署名したシェフがそれを行う許可を持っているかどうかを、公開された日記を使って確認します。

研究者たちは、このシステムの動作するプロトタイプを構築し、GitHub ActionsやGitLabのような人気のコーディングツールと接続しました。彼らは、キーを盗んだり不正なコードを紛れ込ませたりしようとする攻撃者が現れる現実的なシナリオに対して、これをテストしました。彼らのシミュレーションによれば、このアプローチは、不正なユーザーからの盗まれた資格情報を使用しようとする場合など、多くのケースにおいて、悪意のあるソフトウェアのデプロイを効果的に阻止できることが示されました。しかし、もしハッカーが正当な開発者の資格情報を盗み出した場合、署名とアイデンティティが有効に見えるため、システムは最初、悪意のあるソフトウェアをセキュリティチェックに通してしまう可能性があります。この特定のシナリオにおいて、システムの強みは、その悪用を迅速に検知できる能力にあります。すべての署名イベントが公開日記に記録されているため、「モニター」は不審な活動を察知して組織に警告を発することができます。これにより、組織は広範囲に被害が及ぶ前に、悪意のあるソフトウェアをブロックし、侵害された資格情報を無効にすることができます。ただし、この検知の速度は、日記がどれくらいの頻度でチェックされるかに依存します。

デジタルキッチンの物語

これがどのように機能するかを、ハイテクで自動化されたキッチンの比喩を使って詳しく見ていきましょう。

問題点：マスターキーの罠
昔日のことを想像してください。あるレストランチェーンでは、すべてのシェフが正面玄関への恒久的な、頑丈なマスターキーを持っていました。もし泥棒がその鍵を盗んだら、彼らは中に忍び込んで毒入りのシチューを作り、それをメニューに載せることができてしまいます。鍵が「本物」であったため、ドアの警備員はそのシチューを通してしまうのです。デジタルの世界では、ハッカーが開発者のパスワードやサーバーの秘密キーを盗んだときに、まさにこれが起こります。彼らは盗まれた鍵を使って悪意のあるソフトウェアアップデートに署名することができ、その署名が有効であるため、ソフトウェアは何百万台ものコンピュータにインストールされてしまいます。

解決策：使い捨てのチケット
論文の著者たちは、「もうマスターキーはいらない！」と言います。代わりに、彼らはシェフが鍵を一切持たないシステムを提案しています。新しいプロセスは以下の通りです。

1. 注文： シェフ（開発者）が新しい料理（コンテナイメージ）を作りたいと考えています。彼らはレシピを特別な、非常に安全な「公証マシン（Transparency Service）」に送ります。
2. 使い捨てキー： 公証マシンはシェフのIDを確認します。もし彼らに調理の許可があれば、マシンは即座に、この特定の料理のためだけの、全く新しい使い捨てキーを作成します。マシンはこのキーで料理に署名し、その後すぐにそのキーを破棄します。パッ！と消えてしまいます。
3. 公開日記： 公証マシンは、巨大で公開された、消去不可能な日記（Transparency Registry）にメモを書き込みます。メモには「午後2時、シェフのアリスがキーXを用いて料理#123に署名した」と記されます。日記はブロックチェーンや公開台帳のようなもので、一度ページが書かれると、そのページを破り取ったり変更したりすることはできません。
4. レシート： マシンはシェフに、署名、シェフの名前、および「包含証明（Proof of Inclusion）」を含むレシートを渡します。この証明は、「はい、私はこのエントリが実際に日記の中に存在することを証明できます」という数学的なレシートのようなものです。

チェックポイント：セキュリティガード
次に、料理がレストラン（クラウドサーバーなどのデプロイ先）に到着します。セキュリティガード（ポリシーエンジン）は、単に署名を見るだけではありません。彼らは3段階のチェックを行います。

1. シールは本物か？ 彼らは署名が料理と一致しているかを検証します。
   理
2. シェフは許可されているか？ 彼らはシェフの名前を、許可されたスタッフのリストと照合します。
3. 日記に載っているか？ これが魔法の部分です。彼らは「包含証明」を取り出し、公開日記をチェックして、そのイベントが実際に発生したかどうかを確認します。もし料理が日記に載っていない、あるいは日記のエントリが料理と一致しない場合、ガードはそれを追い出します。

なぜこれがゲームチェンジャーなのか
論文は、このシステムを破ることは極めて困難であることを示しています。たとえハッカーがシェフのパスワードを盗み、公証マシンを騙して毒入り料理に署名させようとしても、システムには2つのセーフティネットがあります。

• 使い捨てキー： キーは即座に破棄されるため、ハッカーはそれを再び使って他の毒入り料理に署名することはできません。
• 公開日記： もしハッカーが（例えば、正当なシェフのログイン情報を盗むことで）有効な署名を手に入れたとしても、そのイベントは公開日記に記録されます。「モニター」（監視役）は日記を24時間体制で見守っています。もしモニターが、不審なエントリ（例：やってはいけない料理に署名しているシェフなど）を見つけた場合、それはレストランに警告を発することができます。レストランは、その特定の料理が顧客に届く前に、それをブロックすることができます。ただし、このアラートの速度は、モニターが日記をチェックする頻度に依存します。署名イベントと検知の間には、数分からモニタリング間隔の全時間に及ぶタイムラグが存在します。

トレードオフ：インクが乾くのを待つこと
論文はまた、小さな注意点も指摘しています。公開日記は非常に安全であるため、新しいエントリを書き込むのに少し時間がかかります。現実の世界では、新しいエントリが日記に表示されるまでに約12分かかることがあります。これは、料理が署名されたものの、まだ日記には表示されていないという、ごくわずかな空白期間が存在することを意味します。著者たちは、レストランが「クーリングオフ期間」を設定できることを示唆しています。つまり、署名が作成された後、料理を入れる前に数分間待つことです。これにより、料理が提供される前に、日記のエントリが確実なものになるようにします。

結論
この論文は、単に理論を提案しているだけではありません。彼らはこれの動作するバージョンを構築し、テストしました。使い捨てキー、公開日記、および厳格なルールを組み合わせることで、ハッカーがソフトウェア・サプライチェーンを汚染しようとする一般的な手法のほとんどを阻止できることを発見しました。それは、デジタルキッチンを、すべての食事の動きが追跡され、すべてのシェフが検証され、あらゆる改ざんの試みが誰もが読める本に記録される要塞へと変えるようなものです。わずかな複雑さと短い待ち時間が発生しますが、自分のデジタル食品が安全であるという安心感には、それだけの価値があるのです。