Confidential computing w praktyce: jak ograniczyć ekspozycję danych podczas obliczeń

Szyfrowanie danych w spoczynku (data at rest) i podczas transmisji (data in transit) stanowi standardowy element bezpieczeństwa infrastruktury chmurowej. W środowiskach współdzielonych istotnym wyzwaniem pozostaje jednak ochrona informacji w trakcie ich aktywnego przetwarzania (data in use). W typowych architekturach aplikacyjnych operacje na zaszyfrowanych danych wymagają dostępu do ich jawnej postaci w pamięci środowiska wykonawczego. Oznacza to dodatkową ekspozycję na zagrożenia związane z uprzywilejowanymi komponentami infrastruktury, takimi jak system operacyjny hosta czy hiperwizor.

Odpowiedzią na część tych zagrożeń jest Confidential Computing, wykorzystujący sprzętowo izolowane środowiska wykonawcze. Szczególnie interesującym obszarem jego zastosowania jest zarządzanie kluczami kryptograficznymi – zasobami, od których zależy możliwość odszyfrowania danych i wykonywania operacji wymagających wysokiego poziomu zaufania.

Confidential Computing zmienia granicę zaufania

W klasycznej architekturze IaaS bezpieczeństwo maszyn wirtualnych opiera się na izolacji zasobów, kontroli dostępu oraz mechanizmach systemu operacyjnego i hiperwizora. Zapewnia to separację środowisk klientów, jednak uprzywilejowane warstwy infrastruktury pozostają częścią modelu zaufania. W określonych scenariuszach, takich jak przejęcie kontroli nad hostem lub naruszenie komponentów administracyjnych, może to tworzyć dodatkową powierzchnię ataku na przetwarzane informacje.

Confidential Computing wykorzystuje sprzętowo wspierane zaufane środowiska wykonawcze TEE (Trusted Execution Environment), które ograniczają dostęp do chronionego kodu i danych podczas ich przetwarzania. Poszczególne technologie realizują tę izolację na różnych poziomach architektury. Intel® SGX (Software Guard Extensions) umożliwia uruchamianie wybranych fragmentów aplikacji w izolowanych enklawach, natomiast Intel® TDX (Trust Domain Extensions) i AMD SEV-SNP (Secure Encrypted Virtualization – Secure Nested Paging) zapewniają ochronę na poziomie maszyn wirtualnych. Mechanizmy egzekwowane sprzętowo ograniczają możliwość odczytu i nieautoryzowanej modyfikacji chronionych danych przez komponenty działające poza granicą TEE, w tym system operacyjny hosta i hiperwizor.

Uzupełnieniem izolacji jest mechanizm zdalnej atestacji (remote attestation). Umożliwia on kryptograficzną weryfikację tożsamości i określonych właściwości chronionego środowiska, w tym pomiarów uruchomionego kodu oraz stanu zaufanych komponentów platformy. Na podstawie tych informacji system zewnętrzny może sprawdzić zgodność środowiska z przyjętą polityką bezpieczeństwa przed udostępnieniem mu kluczy kryptograficznych lub innych poufnych zasobów.

Sprzętowa izolacja pozwala również ograniczyć zakres zaufanej bazy obliczeniowej (TCB – Trusted Computing Base), czyli komponentów, od których zależy egzekwowanie określonych właściwości bezpieczeństwa. W zależności od zastosowanej technologii możliwe jest ograniczenie zaufania do systemu operacyjnego hosta i hiperwizora w zakresie poufności chronionych danych. Istotną rolę nadal odgrywają jednak mechanizmy procesora, firmware, zaufane komponenty programowe oraz kod uruchomiony w chronionym środowisku.

Od fizycznych HSM do elastycznego modelu ochrony kluczy

Do ochrony kluczy kryptograficznych i realizacji wrażliwych operacji kryptograficznych wykorzystuje się m.in. sprzętowe moduły HSM (Hardware Security Module). Zapewniają one dedykowane środowisko ochrony materiału kryptograficznego i znajdują zastosowanie w systemach o wysokich wymaganiach bezpieczeństwa. Utrzymywanie własnych urządzeń wiąże się jednak z kosztami zakupu, integracji oraz eksploatacji. W środowiskach chmurowych dodatkowym wyzwaniem może być dostosowanie wydajności i dostępności usług kryptograficznych do zmieniających się obciążeń, szczególnie gdy architektura obejmuje wiele lokalizacji.

Alternatywne podejście polega na realizacji funkcji ochrony kluczy i operacji kryptograficznych w środowisku programowym, z wykorzystaniem sprzętowo izolowanych obszarów wykonawczych. W architekturach opartych na Intel SGX operacje na materiale kryptograficznym mogą odbywać się wewnątrz enklaw procesora, co ogranicza jego ekspozycję poza chronionym środowiskiem. Model ten, określany m.in. jako wirtualny moduł bezpieczeństwa (vHSM), pozwala udostępniać wybrane funkcje kryptograficzne w formie skalowalnej usługi, bez konieczności utrzymywania przez klienta własnych fizycznych urządzeń HSM.

Centralne zarządzanie kluczami w oparciu o Trust Vault

Takie podejście jest rozwijane w ramach Oktawave Trust Vault – platformy łączącej funkcje KMS (Key Management System), mechanizmy Intel SGX i programowy model udostępniania operacji kryptograficznych. Rozwiązanie powstaje jako element projektu Next Gen Cloud, realizowanego przez Oktawave w europejskiej inicjatywie IPCEI-CIS.

W architekturze Trust Vault enklawy SGX pełnią funkcję chronionego środowiska dla operacji na materiale kryptograficznym. Pozwala to oddzielić obsługę kluczy od zwykłej przestrzeni wykonawczej aplikacji oraz ograniczyć możliwość dostępu do nich ze strony uprzywilejowanych komponentów infrastruktury.

Platforma obejmuje zarządzanie cyklem życia kluczy i obsługę operacji kryptograficznych, w tym szyfrowania oraz podpisu cyfrowego. Jej zadaniem jest udostępnienie aplikacjom funkcji ochrony danych bez konieczności implementowania przez każdą z nich własnego, niezależnego mechanizmu przechowywania i obsługi kluczy.

Z perspektywy architekta istotne jest rozdzielenie dwóch odpowiedzialności. Aplikacja odpowiada za właściwe uwierzytelnianie użytkowników, autoryzację operacji i zabezpieczenie danych przetwarzanych poza enklawą. Oktawave Trust Vault koncentruje się natomiast na ochronie materiału kryptograficznego i operacji wykonywanych w ramach usługi. Dzięki temu ochrona kluczy może stanowić odrębną warstwę architektury bezpieczeństwa.

Integracja i zarządzanie usługą kryptograficzną

Wdrożenie centralnego zarządzania kluczami jest uzasadnione wtedy, gdy może współpracować z używanymi już systemami, bez konieczności przebudowy całej architektury aplikacyjnej.

Dlatego ważną częścią Oktawave Trust Vault jest obsługa standardu KMIP (Key Management Interoperability Protocol), wykorzystywanego do komunikacji między aplikacjami i systemami zarządzania kluczami kryptograficznymi. Pozwala on integrować usługę z rozwiązaniami, które przewidują współpracę z zewnętrznym KMS, m.in. w obszarze baz danych, pamięci masowej i infrastruktury wirtualnej.

Drugim sposobem integracji jest interfejs HTTP/REST API. Umożliwia on korzystanie z wybranych funkcji kryptograficznych bezpośrednio przez aplikacje i usługi projektowane z myślą o takim modelu komunikacji.

Zastosowanie standardowych interfejsów ma szczególne znaczenie w środowiskach hybrydowych, w których systemy działające w różnych lokalizacjach muszą korzystać ze spójnych zasad zarządzania kluczami. Pozwala również ograniczać liczbę niezależnych mechanizmów kryptograficznych utrzymywanych przez poszczególne zespoły.

Istotnym aspektem architektury jest również możliwość skalowania usługi przez uruchamianie kolejnych instancji enklaw oraz wykorzystania środowiska wielowęzłowego do zwiększania dostępności operacji kryptograficznych. Uzupełnieniem mechanizmów ochrony jest Emergency KDP (Key Destruction Protocol), przewidziany do awaryjnego niszczenia kluczy w przypadku incydentu bezpieczeństwa. Pozwala to ograniczyć możliwość dalszego odszyfrowywania danych wymagających użycia usuniętego materiału kryptograficznego. Skuteczność tego mechanizmu zależy od sposobu zarządzania replikami i kopiami kluczy, dlatego powinien on stanowić element szerszej polityki reagowania na incydenty i odzyskiwania usług.

Praktyczny wymiar wdrożeniowy

Rozwiązania vHSM oparte na Confidential Computing mogą wspierać realizację wymagań bezpieczeństwa w sektorze finansowym, e-commerce, administracji i innych środowiskach przetwarzających informacje o podwyższonej wrażliwości. W środowiskach objętych wymaganiami regulacyjnymi znaczenie ma nie tylko ochrona kluczy kryptograficznych, ale również możliwość wykazania, w jaki sposób są one generowane, przechowywane i wykorzystywane. Oktawave Trust Vault łączy sprzętową izolację operacji kryptograficznych w enklawach Intel SGX z centralnym zarządzaniem kluczami i rejestrowaniem zdarzeń. Takie podejście może ułatwiać audyt wybranych mechanizmów bezpieczeństwa: od weryfikacji uprawnień i historii operacji po kontrolę zasad zarządzania materiałem kryptograficznym.

Ma to zastosowanie m.in. w środowiskach płatniczych podlegających PCI DSS, gdzie istotne są ochrona kluczy, kontrola dostępu i możliwość rozliczenia wykonywanych operacji. Centralizacja tych funkcji może również wspierać dokumentowanie zabezpieczeń wymaganych w ramach systemu zarządzania bezpieczeństwem informacji zgodnego z ISO/IEC 27001 oraz środków technicznych stosowanych na podstawie RODO. Z kolei izolacja kluczy wykorzystywanych do podpisu cyfrowego znajduje zastosowanie w systemach, w których istotne są wymagania bezpieczeństwa usług zaufania wynikające z eIDAS.

Next Gen Cloud: od ochrony kluczy do interoperacyjnej infrastruktury chmurowej

Oktawave Trust Vault jest jednym z elementów szerszego projektu badawczo-rozwojowego Next Gen Cloud, realizowanego przez Oktawave w ramach europejskiej inicjatywy IPCEI-CIS (Important Project of Common European Interest – Cloud Infrastructure and Services). Równolegle rozwijana jest platforma Data Fabric, której zadaniem jest ujednolicenie dostępu do rozproszonych zasobów pamięci masowej oraz automatyzacja zarządzania cyklem życia danych. Prace obejmują również mechanizmy uwierzytelniania i autoryzacji w środowiskach multi-cloud, w tym rozwiązania umożliwiające współpracę usług działających w różnych chmurach i lokalizacjach brzegowych.

Poszczególne obszary projektu odpowiadają na powiązane wyzwania architektury chmurowej: Trust Vault koncentruje się na ochronie kluczy i operacji kryptograficznych, Data Fabric na zarządzaniu rozproszonymi danymi, a mechanizmy interoperacyjności na ograniczaniu barier między środowiskami. Wspólnym celem jest rozwój infrastruktury, w której bezpieczeństwo, dostęp do danych i możliwość współpracy różnych platform są uwzględniane już na poziomie architektury.

Podsumowanie i charakterystyka modelu vHSM

Ochrona danych w fazie obliczeń to naturalny krok w rozwoju bezpiecznych środowisk chmurowych. Wykorzystanie Confidential Computing w modelu vHSM pozwala ograniczyć ekspozycję kluczy kryptograficznych na uprzywilejowane komponenty infrastruktury, łącząc sprzętową izolację operacji z elastycznością usług chmurowych. Dla przedsiębiorstw stanowi to alternatywę dla utrzymywania własnych fizycznych modułów HSM w zastosowaniach, w których taki model odpowiada wymaganiom bezpieczeństwa.

Zastosowanie wirtualnych modułów bezpieczeństwa wprowadza przewidywalny model finansowy w postaci subskrypcji (OPEX) lub licencji bez konieczności inwestycji w sprzęt. Wdrożenie przebiega sprawnie, bez oczekiwania na dostawę fizycznych urządzeń. Natywna wysoka dostępność jest realizowana przez architekturę klastrową multi-node na poziomie oprogramowania, a bieżące aktualizacje i monitoring może przejąć dostawca w modelu MSSP. Rozwiązanie cechuje się także elastycznością – działa w środowiskach cloud-native, on-premise, chmurze hybrydowej oraz multi-cloud, wykorzystując standardowe serwery x86 w dowolnej lokalizacji.