開放霧計算參考架構(gòu)安全問題初探
鄒晶晶,金?晶(中國電子科技集團公司第三十研究所,成都?610000)
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202004/412571.htm摘?要:隨著邊緣計算、霧計算和云計算的相繼部署,全球信息基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)歷了有史以來最大的變革,這不僅改變了人們的生活和工作方式,同時對于產(chǎn)品和服務(wù)的供給模式、人機交互方式等諸多方面也帶來了顛覆性的影響。本文將從目標、特性和方法三個方面對開放霧計算參考架構(gòu)(OpenFog RA)進行概述,討論開放霧計算部署過程中存在的安全問題。
關(guān)鍵詞:霧計算;云計算;安全架構(gòu);物聯(lián)網(wǎng)
0 引言
隨著物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、霧計算和云計算的相繼部署,全球信息服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施正在經(jīng)歷有史以來最大的變革。長期以來,全球用戶都嚴重依賴關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施,因此基礎(chǔ)設(shè)施的信息安全和服務(wù)可信度成為了關(guān)鍵問題。智能設(shè)備的普及及其自身的物理脆弱性加劇了用戶的擔憂。開放霧計算聯(lián)盟(OpenFog Consortium)通過在信息提供者和消費者之間插入安全可信的計算服務(wù),可以大大降低安全風險,確保服務(wù)的可用性和及時響應(yīng)性。本文將從目標、特性和方法三個方面對開放霧計算參考架構(gòu)(OpenFog RA)進行概述,討論開放霧計算部署過程中存在的安全問題。
1 開放霧計算參考體系架構(gòu)
2017年2月,OpenFog Consortium發(fā)布了開放霧計算參考架構(gòu),該架構(gòu)是一個水平的、系統(tǒng)級架構(gòu),它沿著云到物統(tǒng)一體分配用于計算、存儲、控制和聯(lián)網(wǎng)的資源與服務(wù),同時,支持多個行業(yè)的垂直應(yīng)用,使服務(wù)與應(yīng)用能夠更接近數(shù)據(jù)源。此次發(fā)布的參考體系架構(gòu)基于八項被稱為“支柱”的核心技術(shù)原則,分別是安全性、可擴展性、開放性、自主性、RAS(可靠性、可用性和可維護性)、敏捷性、層次性和可編程性。該參考架構(gòu)滿足了用于云到霧統(tǒng)一體的可互操作、端到端數(shù)據(jù)連接解決方案的需求。2018年6月,開放霧計算參考架構(gòu)已被IEEE標準協(xié)會采納為正式標準。
這種可擴展的計算架構(gòu)建立在霧節(jié)點的基礎(chǔ)上,霧節(jié)點是通信和計算實體,一方面支持硬件虛擬化和可信計算,另一方面支持安全通信和服務(wù)提供。在終端設(shè)備之間的通信路徑上可以部署多層霧節(jié)點,每個霧節(jié)點之間可以互相通信和協(xié)作以傳播信息和計算服務(wù),同時支持負載平衡、容錯和對網(wǎng)絡(luò)異常、安全攻擊的及時響應(yīng)。
2 開放霧計算的安全目標及存在問題
2.1 開放霧計算的安全目標
開放霧計算參考架構(gòu)需要具備安全性,通過霧節(jié)點為那些不具備自我保護能力的設(shè)備和子系統(tǒng)提供安全與可信計算服務(wù)。開放霧計算的安全目標主要是為了保護新的計算范式,包括多租戶技術(shù)和多層物聯(lián)網(wǎng)-霧-云混合技術(shù)。
2.1.1 多租戶技術(shù)
未來,大多數(shù)霧節(jié)點都將支持多租戶技術(shù),一個軟件實例可以服務(wù)于多個租戶和用戶組。多租戶技術(shù)要求各個實例在運行過程中進行環(huán)境之間的邏輯隔離,這樣每個實例就可以獨立執(zhí)行功能。為了實現(xiàn)這一點,霧節(jié)點必須配備可信的計算基礎(chǔ)和安全策略實施引擎,以便它們能夠?qū)崿F(xiàn)不同組織或應(yīng)用域租戶的流程隔離、訪問控制、資源管理和服務(wù)質(zhì)量要求。
2.1.2 多層物聯(lián)網(wǎng)-霧-云混合技術(shù)
設(shè)備-霧-云統(tǒng)一體中所呈現(xiàn)出來的用戶進程能夠在可信執(zhí)行環(huán)境中運行,并通過動態(tài)的網(wǎng)格關(guān)系實現(xiàn)彼此的交互。在這一過程中,不僅數(shù)據(jù)在通過多層霧節(jié)點傳播的過程中會經(jīng)歷更加復雜的處理,還可以在同一層的霧節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和聚合。為了確保正確的數(shù)據(jù)和流程管理,必須將邏輯域結(jié)構(gòu)與正確的策略管理結(jié)合起來。
2.2 開放霧計算參考架構(gòu)中存在的安全問題
2.2.1 遺留的過時設(shè)備
在系統(tǒng)升級期間,原有的老舊應(yīng)用都會對現(xiàn)有的計算和存儲設(shè)備進行重用,以便保護現(xiàn)有的工作系統(tǒng)并節(jié)約成本。但這種做法通常會帶來安全問題,因為這些遺留設(shè)備在設(shè)計之初并沒有考慮到開放霧計算的安全需求。因此,在將遺留設(shè)備集成到開放霧計算系統(tǒng)之前,必須對它們進行適當?shù)男阅芡晟?。最?yōu)做法是將加固后的霧節(jié)點部署為遺留設(shè)備和開放霧計算系統(tǒng)之間的中間介質(zhì)。
2.2.2 異構(gòu)協(xié)議和操作流程
異構(gòu)性是開放霧計算架構(gòu)的本質(zhì),因此,確保開放霧計算實體之間的端到端通信安全是至關(guān)重要的,這些實體具有不同的性能和功能。開放霧計算將根據(jù)通用的區(qū)域性實踐,采用加密功能和安全通信協(xié)議的標準化集合。為了使霧節(jié)點能夠與各種遺留設(shè)備實現(xiàn)互操作,將開發(fā)協(xié)議抽象層和IP適配層。
2.2.3 設(shè)備間的資源約束
現(xiàn)有的設(shè)備可能還沒有做好準備迎接霧計算的到來,無法充分保護自身系統(tǒng)。例如,許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無法實現(xiàn)強大的加密功能,容易受到欺騙和重放攻擊。霧節(jié)點如何在不損害端到端安全性,甚至更好地為這些設(shè)備提供安全服務(wù)的情況下,與這些設(shè)備進行交互,仍然是目前所面臨的巨大挑戰(zhàn)。
3 開放霧計算參考架構(gòu)的安全特性
許多開放霧計算應(yīng)用可能需要將霧節(jié)點部署在公開的物理環(huán)境中,與不可信的邊緣節(jié)點和設(shè)備進行互操作,并在嚴格的操作約束條件下提供關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)。這些要求意味著開放霧計算系統(tǒng)必須提供比傳統(tǒng)信息系統(tǒng)更強的安全性,并提供具有可用性、安全性的信息服務(wù)。
3.1 外在安全與內(nèi)在安全
安全保障必須根據(jù)霧節(jié)點的外部屬性(如采用標準化的加密函數(shù)和安全協(xié)議)和內(nèi)部屬性(如實現(xiàn)這些函數(shù)和協(xié)議的保障級別)來指定。這些內(nèi)部屬性將確保信任鏈建立在信任根之上,并傳播到霧節(jié)點的可信計算基中。外在和內(nèi)在的屬性都應(yīng)當能夠識別潛在威脅,并對系統(tǒng)實施必要的保護措施。
3.2 保護范圍
開放霧計算系統(tǒng)的保護范圍必須包括一個或多個相互連接的霧節(jié)點,以及設(shè)備-霧-云統(tǒng)一體中的所有實體。使用場景包括霧節(jié)點之間和霧節(jié)點內(nèi)部的交互,以及節(jié)點到設(shè)備和節(jié)點到云的交互。在過渡設(shè)備部署時,可能還需要考慮霧節(jié)點和遺留設(shè)備之間的交互。連接/互操作域和服務(wù)/應(yīng)用域的相關(guān)規(guī)范可以在信息傳遞和服務(wù)支持層面進一步細化保護范圍。
3.3 威脅模型
由霧節(jié)點保護的資產(chǎn)不僅包括軟件、數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù),同時也包括計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源與服務(wù)。由于霧節(jié)點存在物理暴露和安全邊界的開放性,因此可能會面臨物理安全、通信安全、計算安全等多方面的威脅。這些威脅必須根據(jù)不同使用場景下潛在影響的嚴重程度進行排序,還應(yīng)考慮故意或意外損壞/故障。
3.4 目標和交付成果
開放霧計算安全工作組的任務(wù)是指導開放霧計算系統(tǒng)開發(fā)人員采用合適的系統(tǒng)保護策略,以抵御與應(yīng)用相關(guān)的威脅。幫助開發(fā)開放霧計算安全評估框架也是開放霧計算安全工作組的目標。為此,工作組開始采用通用的標準方法處理霧節(jié)點的安全需求。
4 開放霧計算的安全方法
以節(jié)點為中心的開放霧計算安全方法由三個不同的方面組成:霧節(jié)點的物理安全、設(shè)備-霧-云統(tǒng)一體中的端到端安全、對出現(xiàn)在統(tǒng)一體中的軟/硬件實體實行安全監(jiān)控和管理。
4.1 物理安全
霧節(jié)點所需的物理安全級別取決于外部人員訪問其物理組件的容易程度,以及如果這些組件受到威脅將會帶來什么后果。這些物理風險評估可能需要部署四種類型的防篡改機制,包括防御、證據(jù)、偵查和響應(yīng),以阻止或減輕針對設(shè)備的潛在物理攻擊和網(wǎng)絡(luò)攻擊。當防篡改機制建立后,應(yīng)當允許進行合法的維護。為此,霧節(jié)點應(yīng)該具有一種特定的安全維護模式。授權(quán)人員在維護過程中可以暫時禁用防篡改機制,并在維護工作完成后重新啟用該機制。
4.2 端到端安全
通過對節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全進行保護,為位于設(shè)備-霧-云統(tǒng)一體中的所有信息、服務(wù)和應(yīng)用提供端到端安全。
4.2.1 節(jié)點安全
安全的開放霧計算系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)該從其霧節(jié)點的安全實現(xiàn)開始,這些節(jié)點應(yīng)該瞄準在安全硬件中實現(xiàn)的強信任根,或者由硬件支持的安全機制所保護的強信任根。同時,還應(yīng)當借助策略執(zhí)行引擎管理用戶進程之間的信息流,這些用戶進程是根據(jù)多個租戶的要求來執(zhí)行的。配備可信計算基的霧節(jié)點能夠?qū)⑿湃捂湉膹娦湃胃鶖U展到用戶進程,并通過硬件虛擬化和可信引導實例化可信執(zhí)行環(huán)境。
4.2.2 網(wǎng)絡(luò)安全
開放霧計算網(wǎng)絡(luò)安全包括通信安全和信息安全服務(wù)。X.800建議為開放系統(tǒng)互連的安全通信提供概念性和功能性的框架,霧節(jié)點應(yīng)遵循X.800建議中所提供的通信安全服務(wù),包括機密性、完整性、身份驗證、不可否認性。此外,霧節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)來提供信息安全服務(wù)。系統(tǒng)管理員應(yīng)按照互操作性和服務(wù)領(lǐng)域規(guī)范統(tǒng)一部署服務(wù),并根據(jù)基于域的安全服務(wù)策略進行操作。
4.2.3 數(shù)據(jù)安全
設(shè)備-霧-云統(tǒng)一體中的數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和程序擁有三種狀態(tài):正在使用的數(shù)據(jù)、靜止數(shù)據(jù)、動態(tài)數(shù)據(jù)。
對于正在使用的機密數(shù)據(jù),系統(tǒng)管理員可以設(shè)備訪問、數(shù)據(jù)修改設(shè)置權(quán)限??尚殴芾沓绦蚩梢酝ㄟ^抽象和虛擬化的硬件平臺提供額外的保護,從而限制單個虛擬機的執(zhí)行環(huán)境。
對于靜止數(shù)據(jù),必須對用戶進程發(fā)起的所有數(shù)據(jù)訪問強制執(zhí)行基于角色的訪問控制,必須使用安全憑證和訪問控制策略來進行靜止數(shù)據(jù)的安全保護。
對于動態(tài)數(shù)據(jù)則必須通過網(wǎng)絡(luò)安全措施加以保護。
在可信執(zhí)行環(huán)境中執(zhí)行的用戶進程可以選擇使用服務(wù)/進程的專屬密鑰加密其數(shù)據(jù),從而進一步加強信息的私密性。
4.3 安全監(jiān)控與管理
新的威脅、漏洞,甚至是環(huán)境中的簡單變化都可能導致新攻擊載體的出現(xiàn)。因此,開放霧計算的安全監(jiān)控與管理必須賦予開放霧計算系統(tǒng)快速有效地響應(yīng)安全環(huán)境變化的能力。安全管理利用策略來定義開放霧計算系統(tǒng)的運行方式,而安全監(jiān)控則報告系統(tǒng)的實際運行方式。安全管理策略交付系統(tǒng)應(yīng)該是自動化的,以便向大量的霧節(jié)點實時提供和執(zhí)行安全策略。
5 結(jié)語
開放霧計算提出了一種普適的、異構(gòu)多層通信計算參考架構(gòu),為廣泛的IT/OT應(yīng)用程序提供可靠的信息服務(wù)。在安全領(lǐng)域,研究人員正在建立安全即服務(wù)的概念,這是一個基于霧節(jié)點的、策略驅(qū)動型的信息安全服務(wù),通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化為終端設(shè)備提供安全服務(wù)。包括分布式持久賬本在內(nèi)的新技術(shù),特別是區(qū)塊鏈(如Ethereum和IOTA Tangle)和信息傳播傳輸(如BATS代碼),都可以用來增強開放霧計算安全的可擴展性和魯棒性。
?。ㄗⅲ罕疚膩碓从诳萍计诳峨娮赢a(chǎn)品世界》2020年第05期第73頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。)
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