[論文レビュー] Security Design Patterns in Distributed Microservice Architecture

Chaitanya K. Rudrabhatla|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Software System Performance and Reliability参考文献 7被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、水平スケーリング、多様な技術スタック、分散型通信によって引き起こされる攻撃面積の拡大と複雑さに対処するため、分散型マイクロサービスアーキテクチャ（MSA）に特化したセキュリティ設計パターンのセットを提案する。パターンベースのアプローチにより、認証、承認、ログ記録、障害耐性といった一貫性があり、レジリエントで中央集権的なセキュリティ制御をマイクロサービス全体に適用し、動的でクラウドネイティブな環境におけるセキュリティ体制を著しく向上させる。

ABSTRACT

Micro service architecture has revolutionized the landscape for the development of web and mobile applications alike. Due to the stateless nature and loose coupling involved in the design of micro services, native mobile applications can be developed by utilizing the same backend services which feed the inputs to the web application front ends. Extending the same concept, a plethora of automated devices, thanks to the advancements in the field of IOT, have come into existence which can feed on the same set of micro services. This concept of build once and utilize for many use cases has become a new norm in the enterprise design patterns. To handle the horizontal scalability needs of so many calling clients, significant advancements have been made on the containerization and their orchestration strategies on the public cloud platforms. However, scalable design techniques have led to the increased exposure of backend services to unwanted entities. This broadened the attack surface and also the risk. On top of it the mix of heterogeneous technologies in MSA, their distinct logging strategies, makes the central logging difficult, which in turn loosens the security. Additionally, the complexity around building the resilience for fault tolerance across the decentralized networks, adds to the security loop holes. The simple security designs which were once used with traditional web applications cannot be used for Microservice based applications. This paper articulates the innovative approaches of handling the security needs involved in protection of distributed services in Microservice architecture.

研究の動機と目的

• 企業システムにおけるマイクロサービスアーキテクチャ（MSA）の広範な採用によって生じる攻撃面積の拡大とセキュリティリスクに対処する。
• 中央集権的なセキュリティ監視と実行を妨げる、異種技術スタック、断片的なログ記録、分散型通信の課題を克服する。
• モノリシックで伝統的なセキュリティモデルに代わる、体系的でパターンベースのマイクロサービスのセキュリティ手法を開発する。
• 認証、承認、監査、障害耐性を含む、マイクロサービス間で一貫性があり、スケーラブルでレジリエントなセキュリティ制御を実現する。
• アーキテクトが生産環境向けのマイクロサービスシステムを構築するのを支援する、再利用可能なセキュリティ設計パターンのフレームワークを提供する。

提案手法

• MSAにおける繰り返し発生するセキュリティ課題（例：サービス間認証、アクセス制御、集中型ログ記録）を特定および形式化する。
• 既存のソフトウェア設計パターンを模倣した抽象的なセキュリティ設計パターンのセットを提案し、それぞれが分散システムにおける特定のセキュリティ懸念を解決する。
• 運用可能性を確保するため、コンテナオーケストレーションプラットフォーム（例：Kubernetes）およびクラウドネイティブセキュリティプリミティブとパターンベースのソリューションを統合する。
• 標準プロトコル（例：OAuth2、JWT）およびサービスメッシュパターン（例：Istio）を介したステートレスかつ分離されたサービス間通信を強化し、ゼロトラストの実装を促進する。
• 文脈、問題、解決策、結果を含むパターンテンプレートを定義し、多様なマイクロサービスデプロイメントにわたる再利用を可能にする。
• ランタイムでの強制（例：APIゲートウェイ、サービスメッシュ）と集中型オブザーバビリティを組み合わせたレイヤードセキュリティモデルを定義し、脅威検出と監査を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模で緩く結合されたステートレスなマイクロサービスが存在する分散環境において、どのようにしてセキュリティを一貫して強制できるか？
• RQ2 モノリシックシステムに存在しないが、マイクロサービスアーキテクチャによって引き起こされる主なセキュリティアンチパターンと脆弱性は何か？
• RQ3 MSAにおける異種のログ記録および監視戦略を統合することで、効果的なセキュリティ監査およびインcidnet対応を可能にする方法は？
• RQ4 分散型マイクロサービスネットワークにおいて、認証、承認、障害耐性を効果的に強制するための設計パターンは何か？
• RQ5 パフォーマンスとスケーラビリティを維持しつつ、クラウドネイティブデプロイメントにおいてビジネスロジックからセキュリティメカニズムを分離する方法は？

主な発見

• ステートレスで分散型かつ多様な技術スタックを有するMSAの性質から、従来のモノリシックセキュリティモデルは不適切である。
• セキュリティ設計パターンの採用により、マイクロサービス全体にわたるセキュリティ制御の一貫性と保守性が著しく向上する。
• 標準化されたパターンベースのインストルメンテーションにより、集中型ログ記録と監視が実現可能となり、セキュリティの盲点リスクが低減する。
• サービスメッシュやAPIゲートウェイを介したパターンベースのセキュリティ強制により、最小限のパフォーマンスオーバーヘッドでゼロトラストアクセス制御が可能になる。
• サービス境界にセキュリティチェックを埋め込むことで、攻撃面積の露出を低減し、障害耐性とレジリエンスが向上する。
• フレームワークにより、ウェブ、モバイル、IoTクライアント間でバックエンドサービスを安全に再利用可能となり、『一度構築して、多数の用途に使用』というエンタープライズパターンに適合する。