[논문 리뷰] Evaluation of vulnerability reproducibility in container-based Cyber Range

Ryotaro Nakata, Akira Otsuka|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 30.

Radiation Effects in Electronics참고 문헌 8인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 가용성 재현성에 대한 컨테이너 기반 사이버 레인지의 평가를 수행하여, 컨테이너가 전통적인 VM보다 자원 소비를 1/10 미만으로 줄일 수 있으며, 취약성 재현에서 99.3%의 유사도를 달성함을 입증한다. 연구는 컨테이너가 호스트 수준 및 커널 취약성은 제외할 경우 실용적인 사이버 레인지 구현에 적합함을 확인한다.

ABSTRACT

A cyber range, a practical and highly educational information security exercise system, is difficult to implement in educational institutions because of the high cost of implementing and maintaining it. Therefore, there is a need for a cyber range that can be adopted and maintained at a low cost. Recently, container type virtualization is gaining attention as it can create a high-speed and high-density exercise environment. However, existing researches have not clearly shown the advantages of container virtualization for building exercise environments. And it is not clear whether the sufficient vulnerabilities are reproducible, which is required to conduct incident scenarios in cyber range. In this paper, we compare container virtualization with existing virtualization type and confirm that the amount of memory, CPU, and storage consumption can be reduced to less than 1/10 of the conventional virtualization methods. We also compare and verify the reproducibility of the vulnerabilities used in common exercise scenarios and confirm that 99.3% of the vulnerabilities are reproducible. The container-based cyber range can be used as a new standard to replace existing methods.

연구 동기 및 목표

• 정보 보안 교육에서 전통적인 사이버 레인지의 높은 비용과 낮은 보급률 문제를 해결하기 위해.
• 컨테이너 기반 가상화가 일반적인 사이버 공격 시나리오와 취약성을 효과적으로 재현할 수 있는지 조사하기 위해.
• 컨테이너 기반과 VM 기반 사이버 레인지 환경 간의 자원 소비 및 취약성 재현성의 차이를 비교하기 위해.
• 컨테이너 기반 사이버 레인지가 기존의 VM 기반 시스템에 비해 실용적이고 저비용 대체 수단이 될 수 있도록 확립하기 위해.

제안 방법

• 직접 비교를 위해 도커 컨테이너와 전통적인 VM을 사용하여 사이버 레인지 환경을 구축하였다.
• 공통된 공격 시나리오의 재현성을 테스트하기 위해 취약성 평가 도구(예: ZAP) 및 악용 모듈을 사용하였다.
• 컨테이너와 VM 환경 간의 자원 사용량(메모리, CPU, 스토리지)을 측정하고 비교하였다.
• 컨테이너와 VM 간의 행동 및 취약성 재현 정밀도를 정량적으로 평가하기 위해 재료 유사도(Jaccard similarity, J)를 계산하였다.
• 자원 고갈 공격 상황에서의 시스템 동작을 평가하여 보안성 및 안정성의 차이를 파악하였다.
• 응용 계층 공격 시나리오에 대한 공정한 비교를 확보하기 위해 호스트 수준 및 커널 취약성을 평가에서 제외하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 컨테이너 기반 가상화는 전통적인 VM 기반 사이버 레인지와 동일한 취약성 행동을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ2 컨테이너 기반 사이버 레인지의 자원 소비(메모리, CPU, 스토리지)는 VM 기반 대안과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 특히 시스템 안정성 측면에서 공격 조건 하에서 컨테이너와 VM 간의 행동적 및 운영적 차이는 무엇인가?
• RQ4 어떤 종류의 취약성은 아키텍처적 제약으로 인해 컨테이너 기반 사이버 레인지에 부적합한가?
• RQ5 컨테이너 기반 사이버 레인지가 교육 현장에서 신뢰할 수 있고 저비용 대체 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 컨테이너 기반 사이버 레인지의 메모리, CPU, 스토리지 자원 소비는 전통적인 VM 기반 시스템보다 1/10 미만이다.
• 컨테이너와 VM 간의 취약성 재현에 대한 재료 유사도 점수(Jaccard similarity)는 0.993에 도달하여 행동적 유사도가 거의 동일함을 나타낸다.
• 재현성의 대부분의 차이점은 근본적인 아키텍처 결함이 아니라 컨테이너 내 서비스 기동 및 설정의 차이에서 기인한다.
• 호스트 OS나 공유 커널 자원을 공격하는 공격은 컨테이너 기반 사이버 레인지에 부적합하며, 이러한 공격은 전체 호스트 시스템을 불안정하게 만들 수 있다.
• 적절한 자원 제한(예: 메모리 및 스토리지 제한)을 통해 컨테이너 기반 사이버 레인지에서는 호스트 시스템에 미치는 영향을 완화하고 안정성을 유지할 수 있다.
• 본 연구는 컨테이너 기반 사이버 레인지가 호스트 수준 취약성을 시나리오에서 제외할 경우 교육적 용도로 매우 실용적임을 확인한다.