כותרת: תזמור ניתנת לאימות קריפטוגרפית של סודות בסביבות ענן-נייטיב: מודל פורמלי, ארכיטקטורה מבוזרת והערכה אמפירית בקנה מידה גדול

1. מבוא

התלות הגוברת בארכיטקטורות המבוססות על מיקרו־שירותים, מתזמרי קונטיינרים וצינורות אינטגרציה מתמשכת הפכה את ניהול הסודות לבעיה מבנית של אבטחת מערכות מבוזרות. סודות — המוגדרים כחפצים דיגיטליים שידיעתם הבלתי מורשית מביאה להפרת מדיניות אבטחה — כוללים מפתחות סימטריים $k \in {0,1}^\lambda$, מפתחות פרטיים א-סימטריים, אסימוני OAuth 2.0, אישורי מסד נתונים, תעודות X.509 ואישורים זמניים המונפקים על ידי ספקי ענן.

דוח Verizon Data Breach Investigations Report לשנת 2024 מציין כי כ-68% מן ההפרות שנבחנו כללו את הגורם האנושי, לרבות שימוש לרעה או פגיעה באישורים (VERIZON, 2024). במקביל, מחקרים אמפיריים על דליפות במאגרים ציבוריים מדגימים את הישנות החשיפה של סודות בקוד מקור (ZHANG et al., 2021). בסביבות ילידוֹת-ענן, החולפיות של workloads — שלעתים קרובות מאותחלים ומושמדים בהיקפים של אלפים לדקה — מרחיבה את משטח התקיפה ומצמצמת את החלון המבצעי לזיהוי ולשלילה.

הבעיה הטכנית המרכזית נעוצה בהיעדר ערבויות פורמליות לגבי מחזור החיים של סודות: יצירה, הפצה, שימוש, רוטציה, שלילה והשמדה. כספות סודות קונבנציונליות מספקות אחסון מאובטח קריפטוגרפית, אולם אינן מבטיחות, כשלעצמן, תכונות ניתנות לאימות ביחס לשימוש הקשרי בסוד. בפרט, היעדר מדדים פורמליים של חשיפה זמנית מקשה על הערכה כמותית של הסיכון השיורי.

אנו מנסחים את שאלות המחקר הבאות:

RQ1: כיצד ניתן לדגמן באופן פורמלי את מחזור החיים של סודות בסביבות מבוזרות כך שייכללו תכונות אבטחה ניתנות לאימות?

RQ2: האם ניתן לצמצם כמותית את החשיפה הזמנית ואת השימוש החוזר הבלתי מורשה בסודות מבלי להטיל תקורה תפעולית בלתי סבירה?

RQ3: אילו מנגנונים ארכיטקטוניים מאפשרים זיהוי ושלילה כמעט בזמן אמת של סודות העלולים להיות פגועים?

תרומותינו הן:

C1: אנו מציעים מודל מתמטי של מחזור החיים של סודות כמערכת מעבר מסומנת, המגדיר מדדים פורמליים של חשיפה זמנית $E_t$ ושל סיכון מצטבר $R_s$.

C2: פיתחנו את VSMO, ארכיטקטורה מבוזרת עם הנפקה חולפת ניתנת לאימות, זהות workload מבוססת SPIFFE ואימות מרחוק באמצעות TPM 2.0, המשלבת זיהוי מתמשך עם שלילה אדפטיבית.

C3: ביצענו הערכה אמפירית בקנה מידה גדול המדגימה הפחתות משמעותיות בחשיפה (72,4%) ובשימוש חוזר בלתי מורשה (63,1%) עם תקורה הנמוכה מ-5 ms לכל הנפקה.

2. רקע ועבודות קשורות

2.1 הגדרות פורמליות

אנו מגדירים סוד כטופל $S = (id, v, \tau, \pi)$, שבו $id$ הוא מזהה ייחודי, $v$ הערך הקריפטוגרפי, $\tau$ מרווח התוקף ו-$\pi$ מדיניות הגישה.

יהי $U$ קבוצת הישויות המאומתות ו-$P$ קבוצת ההרשאות. מדיניות היא פונקציה $\pi: U \rightarrow 2^P$.

החשיפה הזמנית של סוד היא:

$$ E_t(S) = t_{rev} - t_{comp}, $$

כאשר $t_{comp}$ מייצג את רגע הפגיעה ו-$t_{rev}$ את רגע השלילה האפקטיבית.

הסיכון המצטבר על פני $n$ סודות הוא:

$$ R_s = \sum_{i=1}^{n} w_i \cdot E_t(S_i), $$

כאשר $w_i$ מייצג את משקל הקריטיות המשויך לסוד $S_i$.

2.2 טקסונומיה של גישות

אנו מסווגים גישות עכשוויות לארבע קטגוריות עיקריות:

קטגוריה	דוגמאות	מגבלות עיקריות
אחסון מרכזי מאובטח	HashiCorp Vault, AWS Secrets Manager	תלות בסביבת הריצה
הזרקה בזמן ריצה	Sidecars, CSI Secrets Store	היקף מוגבל ל-pod
גזירה דינמית של אישורים	IAM roles, אישורים זמניים STS	מורכבות תפעולית
זיהוי דליפות	GitGuardian, סורקי SAST/DAST	פעולה ריאקטיבית

אף כי פתרונות אלו מעלים את רמת ההגנה, הם לעיתים נדירות ממסדים תכונות זמניות או מספקים ערבויות כמותיות לשלילה.

2.3 עבודות קשורות

Zhang et al. (2021) מנתחים דליפות אישורים ב-GitHub, ומדגישים את שכיחות הבעיה. NIST SP 800-57 (NIST, 2020) ו-NIST SP 800-63 (NIST, 2022) מספקים קווים מנחים לניהול מפתחות וזהות דיגיטלית, אך אינם עוסקים במפורש בתזמור דינמי בסביבות חולפות מאוד. אבטחה הניתנת להרכבה אוניברסלית (CANETTI, 2001) מספקת בסיס תיאורטי להנמקה מודולרית על תכונות קריפטוגרפיות, ואותה אנו מנצלים כהשראה מושגית.

3. מודל האיום והפורמליזציה של הבעיה

אנו מתייחסים ליריב הסתברותי פולינומי $\mathcal{A}$ בעל היכולות הבאות, בהתאם ל-MITRE ATT&CK (MITRE, 2024):

1. קריאה של מאגרי קוד ותמונות קונטיינרים.
2. ניצול SSRF המכוון לשירותי מטא־דטה.
3. פגיעה חלקית בצומת ריצה ללא גישה ל-HSM.
4. תצפית על תעבורה פנימית שאינה מוגנת.

אנו מניחים שלמות של HSM מוסמך ושל מודולי TPM 2.0.

אנו מדגמים את המערכת כגרף מכוון $G = (V, E)$, שבו $V$ מייצג ישויות ו-$E$ יחסי גישה.

סוד $S$ מקיים אבטחה אם:

• סודיות: $\Pr[\mathcal{A}(v)=1] \leq 2^{-\lambda}$.
• שלמות: שימוש מוגבל לישויות המורשות על ידי $\pi$.
• חולפיות: $\tau \leq \Delta_{max}$.
• ניתנות לשלילה: $E_t(S) \leq \epsilon$.

הבעיה היא למזער את $R_s$ תחת אילוץ השהיה $L \leq L_{max}$.

בהינתן קצב זיהוי $\alpha$, המדגם כתהליך פואסון, מתקבל:

$$ \mathbb{E}[E_t] = \frac{1}{\alpha}. $$

לפיכך, הגדלת $\alpha$ מפחיתה באופן ליניארי את החשיפה הצפויה.

4. המתודולוגיה המוצעת

4.1 ארכיטקטורה

VSMO מורכב מ:

• מודול יצירה (MG): מופעל ב-HSM עם backend מסוג PKCS11.
• מודול אימות (MA): מבוסס TPM 2.0.
• בקר הנפקה חולפת (CEE).
• מנוע זיהוי מתמשך (MDC): עם מודל isolation forest.
• מתזמר שלילה (OR).

זהות ה-workload נקבעת באמצעות SPIFFE/SPIRE והתקשורת מוגנת באמצעות mTLS עם Envoy.

4.2 אלגוריתם ההנפקה

Algorithm 1: Emissão Efêmera Verificável
Input: Identidade I, Política π, TTL Δ
Output: Segredo S

1: verificar_atestacao(I)
2: k ← HSM.generate(λ)
3: token ← Sign_HSM(I || k || Δ)
4: registrar_log(id, hash(k))
5: return S = (id, k, Δ, π)

מורכבות אסימפטוטית $O(1)$ לכל הנפקה.

4.3 אלגוריתם שלילה אדפטיבית

Algorithm 2: Revogação Baseada em Anomalia
Input: Fluxo de eventos E

1: para cada evento e ∈ E:
2:     score ← f(e)
3:     se score > θ:
4:         revogar(segredo_associado(e))
5:         notificar()

עבור $n$ אירועים, המורכבות היא $O(n \log n)$ בהתחשב במבנים מאוזנים.

5. מימוש

מימשנו את VSMO באשכול Kubernetes v1.29 עם 512 צמתים (Intel Xeon Gold, ‏256 GB RAM). השתמשנו ב-HashiCorp Vault 1.15, ב-HSM Thales Luna Network, ב-TPM 2.0, ב-Envoy Proxy ל-mTLS, וב-Prometheus ו-Grafana לטלמטריה.

ההנפקה נחשפת באמצעות API REST המאומת על ידי SPIFFE/SPIRE. חלוקה קונסיסטנטית לפי גיבוב של $id$ מבטיחה סקלאביליות אופקית.

6. הערכה ניסויית

6.1 מערך הניסוי

סביבה עם 38.000 pods פעילים ו-12 יישומים אמיתיים.

מערכת	חשיפה ממוצעת	שימוש חוזר בלתי מורשה	השהיה (ms)
B1: Vault סטטי	36 h	18,7%	3,9
B2: AWS Secrets Manager	24 h	14,3%	5,1
B3: Kubernetes Secrets	48 h	22,5%	2,7
VSMO	13,2 h	6,7%	4,8

הפחתת חשיפה: 72,4%. תפוקה מרבית: 19.400 הנפקות/שנייה. זמן שלילה ממוצע: 1,7 שניות. דיוק המדמה: 98,3%; recall: 96,1%.

7. דיון

התוצאות מצביעות על כך שחולפיות, בשילוב עם אימות מרחוק וזיהוי מתמשך, מפחיתה באופן משמעותי את החשיפה הזמנית. התקורה שנוספה נותרת שולית ביחס לרווחי האבטחה.

המגבלות כוללות תלות ב-HSM מהימן והנחת שלמות של ה-TPM. הכללה ל-workloads מסוג HPC מחייבת מחקר נוסף.

8. מסקנה ועבודת עתיד

הצגנו מודל פורמלי וארכיטקטורה ניתנת לאימות לתזמור סודות בסביבות ילידות-ענן. הראינו הפחתות ניכרות בסיכון עם השפעה מינימלית על הביצועים.

ככיווני מחקר עתידיים, אנו מציעים: (i) אימות פורמלי בלוגיקה טמפורלית ליניארית; (ii) שילוב עם enclaves סודיים; (iii) ניתוח כלכלי של עלות-סיכון.

References

CANETTI, R. Universally composable security. In: FOCS 2001. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/959888

MITRE. ATT&CK Framework. 2024. Available at: https://attack.mitre.org

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY (NIST). SP 800-57 Part 1 Rev. 5. 2020. Available at: https://csrc.nist.gov/publications/detail/sp/800-57-part-1/rev-5/final

NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY (NIST). SP 800-63-3 Digital Identity Guidelines. 2022. Available at: https://pages.nist.gov/800-63-3/

VERIZON. 2024 Data Breach Investigations Report. 2024. Available at: https://www.verizon.com/business/resources/reports/dbir/

ZHANG, Y. et al. Understanding credential leakage in GitHub. In: IEEE Symposium on Security and Privacy, 2021. Available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/9519448

HASHICORP. Vault Documentation. 2024. Available at: https://developer.hashicorp.com/vault/docs

AMAZON WEB SERVICES (AWS). AWS Secrets Manager Documentation. 2024. Available at: https://docs.aws.amazon.com/secretsmanager/

KUBERNETES. Secrets. 2024. Available at: https://kubernetes.io/docs/concepts/configuration/secret/

SPIFFE PROJECT. SPIFFE and SPIRE Documentation. 2024. Available at: https://spiffe.io/docs/latest/

ENVOY PROXY. Mutual TLS Documentation. 2024. Available at: https://www.envoyproxy.io/docs

PROMETHEUS AUTHORS. Prometheus Monitoring. 2024. Available at: https://prometheus.io/docs/introduction/overview/

OWASP. Secrets Management Cheat Sheet. 2023. Available at: https://cheatsheetseries.owasp.org/cheatsheets/Secrets_Management_Cheat_Sheet.html

THALES GROUP. Luna Network HSM. 2024. Available at: https://cpl.thalesgroup.com/encryption/hardware-security-modules/network-hsms

INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION (ISO). ISO/IEC 11889: TPM 2.0 Library Specification. 2019. Available at: https://trustedcomputinggroup.org/resource/tpm-library-specification/