[论文解读] Unidirectional Secure Information Transfer via RabbitMQ

Marcel Maatkamp|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Big Data Technologies and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出了一种成本低廉、开源的单向安全信息传输解决方案，通过在数据光隔离器上使用RabbitMQ，实现消息总线流量的透明镜像，并支持端到端加密。该方法通过非对称密钥加密和消息队列技术，成功实现了类似双向的数据流安全性，证明了其在跨空气隔离网络传输敏感数据——包括可作为证据的信息——方面的可行性。

ABSTRACT

Protecting computer systems handling possible sensitive information is of the utmost importance. Those systems are typically air-gapped with data diodes to assure that no information can physically flow back. Traditional computer protocols like HTTP or SOAP which are normally used to transport information between computers are typical bi-directional communication protocols and are thus unsuitable to be used over a data diode. Currently the only commercially available protocols over a data diode sold by vendors are file-based protocols. Other protocols can be custom made but are expensive and proprietary. There are currently no open source solutions to stream data in a generic way over a data diode other than those file-based solutions. Purpose of the dissertation is to research if open source technology can be used to mirror the contents of a messagebus over a data diode to get a cost effective security-proof and almost maintenance-free solution. and to further research if this technology can be used to transfer not only plain text data but also data sensitive by nature by using end-to-end encryption so that this information could even be admitted as evidence. Method used to validate the research is a practical case study that shows how a sensor stream can send unencrypted and encrypted events over a data diode of arbitrary size via a message bus which are transparently and securely transferred and re-emitted internally without any kind of configuration management. Results show that it is indeed possible to successfully mirror data from a Message Bus over a data diode and it is thus worthwhile to further invest in this technology.

研究动机与目标

• 评估类似RabbitMQ的开源消息传递技术是否能够实现在空气隔离网络上安全、低成本且免维护的单向数据传输。
• 研究是否可以在不破坏单向安全模型的前提下，对数据光隔离器上的消息总线数据应用端到端加密。
• 确定此类系统是否能够可靠地传输不仅限于明文，还包括敏感的、可作为证据级别的数据，并以法医学上可接受的方式处理。
• 开发并验证一种实用、透明且可扩展的解决方案，利用开放标准在数据光隔离器上传输实时传感器数据。

提出的方法

• 在‘黑’（不受信任）和‘红’（受信任）区域分别部署RabbitMQ作为消息代理，构建双网络架构，并通过数据光隔离器连接。
• 使用AMQP协议实现数据光隔离器两侧RabbitMQ实例之间的互操作性和消息队列功能。
• 采用非对称密钥加密（RSA）保护消息负载，将加密的密钥和数据通过消息总线传输。
• 设计安全消息包装类（SecureMessage），用于封装加密数据、初始化向量（IV）和数字签名，以确保完整性。
• 使用Docker容器隔离并部署RabbitMQ和Node-RED环境用于测试，确保配置透明且可复现。
• 实现一个传感器模拟系统，实时生成温度事件，并对这些事件进行加密后通过数据光隔离器传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 RabbitMQ能否在安全、透明且单向的前提下，实现通过数据光隔离器镜像消息总线流量？
• RQ2 在不破坏单向流动的前提下，对数据光隔离器上的消息总线数据应用端到端加密是否可行且有效？
• RQ3 该系统能否在保留数据完整性和真实性的同时，可靠地在空气隔离网络上传输敏感的、可作为证据级别的数据？
• RQ4 使用RabbitMQ和Docker等开源工具是否能提供一种可扩展、低维护且成本低廉的替代方案，优于专有解决方案？

主要发现

• 该系统成功通过RabbitMQ在数据光隔离器上实现了从‘黑’网络到‘红’网络的消息总线流量镜像，证明了透明的数据流。
• 通过RSA实现的端到端加密有效运行，加密数据、密钥和数字签名均安全地跨光隔离器传输。
• 该解决方案保持了数据光隔离器的单向特性，即使在复杂消息结构下也确保无反向数据流。
• 使用Docker化RabbitMQ和Node-RED实现了免配置、可靠且可扩展的部署，维护成本极低。
• 加密消息在内部网络中被正确解密并重新发出，消息完整性与真实性通过数字签名验证无误。
• 由于强大的密码控制和端到端验证机制，该方法被证明适用于传输敏感数据，包括法医学证据。