[논문 리뷰] Security Design Patterns in Distributed Microservice Architecture

Chaitanya K. Rudrabhatla|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 07.

Software System Performance and Reliability참고 문헌 7인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 수평적 확장, 이질적인 기술 스택, 분산된 통신으로 인해 증가한 공격 표면과 복잡성을 다루기 위해 분산형 마이크로서비스 아키텍처(MSA)에 특화된 보안 설계 패턴 세트를 제안한다. 이는 인증, 권한 부여, 로깅, 장애 내성과 같은 일관되고 탄력적이며 중심화된 보안 제어를 마이크로서비스 전반에 걸쳐 시행하는 패턴 기반 접근 방식을 제시하며, 동적이고 클라우드 네이티브 환경에서 보안 수준을 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기업 시스템에서 마이크로서비스 아키텍처(MSA)의 광범위한 도입으로 인해 증가하는 공격 표면과 보안 위험을 해결하기 위해.
• 중앙 집중식 보안 모니터링 및 시행을 방해하는 이질적인 기술 스택, 분산된 로깅, 분산된 통신 등의 과제를 극복하기 위해.
• 단일화된 전통적인 보안 모델이 분산 시스템에 부적합하므로, 마이크로서비스를 보다 체계적이고 패턴 기반으로 보안화하는 접근 방식을 개발하기 위해.
• 인증, 권한 부여, 감사, 장애 내성과 같은 보안 제어를 마이크로서비스 전반에 걸쳐 일관되고 확장 가능하며 내성적으로 유지하기 위해.
• 설계자들이 안정적이고 프로덕션 준비가 된 마이크로서비스 시스템을 구축하는 데 안내할 수 있는 재사용 가능한 보안 설계 패턴 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• MSA에서 반복적으로 나타나는 보안 과제, 예를 들어 서비스 간 인증, 액세스 제어, 중앙 집중식 로깅 등을 식별하고 체계화하기 위해.
• 기존 소프트웨어 설계 패턴을 모델로 삼아, 분산 시스템 내 특정 보안 문제를 해결하는 데 초점을 맞춘 일련의 추상적 보안 설계 패턴을 제안하기 위해.
• 운영 가능성을 확보하기 위해 패턴 기반 솔루션을 컨테이너 오케스트레이션 플랫폼(예: 쿠버네티스)과 클라우드 네이티브 보안 원칙과 통합하기 위해.
• 표준 프로토콜(예: OAuth2, JWT)과 서비스 메시 패턴(예: 이스티오)을 통해 상태 없는 분리된 서비스 상호작용을 보장하며, 제로 트러스트 원칙을 적용하기 위해.
• 재사용 가능성을 높이기 위해 맥락, 문제, 해결책, 영향을 포함한 패턴 템플릿을 정의하기 위해.
• 런타임 강제 실행(예: API 게이트웨이, 서비스 메시)과 중앙 집중식 관측 기능을 조합한 层별 보안 모델을 정의하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모의 느슨하게 결합된 상태 없는 마이크로서비스가 분산 환경에 존재할 때 보안을 어떻게 일관되게 시행할 수 있는가?
• RQ2 모놀리식 시스템에는 존재하지 않지만 마이크로서비스 아키텍처에서 유발하는 주요 보안 악용 패턴과 취약점은 무엇인가?
• RQ3 MSA에서의 이질적인 로깅 및 모니터링 전략을 통합하여 효과적인 보안 감사 및 사고 대응을 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 분산된 마이크로서비스 네트워크에서 인증, 권한 부여, 장애 내성을 효과적으로 강제할 수 있는 설계 패턴은 무엇인가?
• RQ5 클라우드 네이티브 배포 환경에서 성능과 확장성을 유지하면서도 비즈니스 로직에서 보안 메커니즘을 분리할 수 있는 방법은 무엇인가?

주요 결과

• 모놀리식 보안 모델은 마이크로서비스 아키텍처의 상태 없는 분산형 및 이질적인 특성으로 인해 부적절하다.
• 보안 설계 패턴의 도입은 마이크로서비스 전반에 걸친 보안 제어의 일관성과 유지보수성을 크게 향상시킨다.
• 표준화된 패턴 기반 인스트루멘테이션 덕분에 중앙 집중식 로깅과 모니터링이 가능해져 보안 블라인드 스폟 위험을 감소시킨다.
• 서비스 메시와 API 게이트웨이를 통한 패턴 기반 보안 강제 시행은 최소한의 성능 오버헤드로 제로 트러스트 액세스 제어를 가능하게 한다.
• 서비스 경계에 보안 검사를 통합함으로써 제안된 설계 패턴은 장애 내성과 내성성을 향상시키며 공격 표면 노출을 줄인다.
• 이 프레임워크는 웹, 모바일, IoT 클라이언트 간에 백엔드 서비스를 안전하게 재사용할 수 있도록 가능하게 하여 '한 번 구축하고 여러 번 사용'하는 기업 패턴과 부합한다.