【機密運算解決方案巡禮：GCP】推出機密VM與K8s節點

在公有雲服務環境的虛擬機器，以及建置在企業內部的伺服器、虛擬機器，都可能會面臨在開機前攻入的惡意軟體，以及經由韌體rootkit感染系統的威脅。

以Google Cloud Platform（GCP）而言，在2019年4月，正式推出「受保護VM（Shielded VMs）」的特色，強化虛擬機器的開機安全，相隔1年後，他們宣布，Shielded VM成為預設組態，用戶不需為這系列特色支付費用。

基本上，用戶在建立任何虛擬機器執行個體的前置作業時，可以先選定開機磁碟，接著在底下的管理、安全、硬碟、網路、單獨承租設定分頁，可選擇是否啟用Shielded VM的三大功能：安全開機、虛擬的可信任模組（vTPM）、完整性監控。

而在機密運算應用上，GCP最初是在2018年推出開原碼軟體框架Asylo，讓大家開發出能在信任執行環境（TEE）執行的應用程式，可用於加密通訊，以及針對在安全區（enclaves）執行的程式碼，驗證完整性，希望能讓機密運算環境，變得易於部署與使用，適用於在雲端服務執行的工作負載。

在2020年7月，GCP宣布推出機密VM（Confidential VMs），用戶僅需勾選一個項目，即可將執行個體服務，自動轉換成支援機密VM的N2D執行個體。

同年9月，這套GCP第一款機密運算服務正式上線，並揭露機密VM延展性的規格──可擴展至240顆虛擬CPU與896 GB記憶體。

此時，GCP還預告將推出第二款機密運算產品Confidential GKE Nodes，會從GKE（Google Kubernetes Engine）1.18開始支援這項特色；在11月，他們釋出Beta測試版，表明是建在機密VM之上。

到了12月，GCP宣布機密VM完成在9個雲端區域上線供應的工作。

【GCP機密VM的運作架構】2020年9月，GCP正式推出機密VM，就組成方式而言，與GCP其他執行個體無太大不同，差異在於搭配AMD第二代EPYC處理器，而能運用記憶體加密功能（僅於CPU進行解密），每臺虛擬機器都會配置一支由CPU硬體產生的加密金鑰。（圖片來源／GCP）

提供單鍵啟用的機密運算執行個體

目前若要在GCP環境使用機密VM服務，用戶需選用N2D系列的執行個體。在最初揭露機密VM推出的消息裡面，GCP已表明這裡運用的底層運算技術，正是AMD第二代EPYC處理器平臺，當中的安全加密虛擬化（Secure Encrypted Virtualization，SEV）技術是關鍵，能讓伺服器在面對資料的日常使用、索引建立、查詢，甚至是深度學習的訓練時，均可讓虛擬機器存取的記憶體持續處於加密狀態。

這裡所憑藉的加密金鑰會在硬體層級產生（EPYC處理器內建的AMD Secure Processor），根據每臺虛擬機器來產生，而且無法匯出──金鑰會單獨存在AMD Secure Processor內部，GCP或同臺實體伺服器執行的其他虛擬機器，都無法取得這些金鑰。

除了上述基於硬體的記憶體即時加密，機密VM雖然搭配的是AMD第二代EPYC處理器，但與GCP其他運算執行個體一樣，都是構築在Shielded VM之上，可享有作業系統映像安全強化，以及韌體、核心二進位碼、驅動程式的完整性驗證，在作業系統的部份，Google也提供多種支援Shielded VM的映像。

而在系統效能的部份，GCP表示，VM記憶體加密處理不會干擾工作負載效能，他們也加入新的開放原始碼軟體驅動程式，可涵蓋NVMe與gvnic虛擬網路卡的使用，以更高吞吐量來處理儲存與網路流量，確保機密VM與非機密VM的效能不會有太大的落差。

在機密VM正式推出之際，GCP宣布增加四大新特色。首先是因應法規遵循需求，提供稽核報告，裡面呈現AMD Secure Processor韌體完整性的詳細記錄。我們之所以要了解這個韌體的狀態，主要是因為這裡會負責機密VM執行個體的金鑰產生。在使用上，GCP本身會在用戶第一次啟動虛擬機器時建立基準，並且在虛擬機器重新開機時比對，用戶也能基於這些記錄來設置自定的處理動作或警報。

第二是新增機密運算資源的政策控管。用戶可運用身分與存取管理的機構政策（IAM Org Policy），針對所用的機密VM去定義特定的存取權限，也可以在自己管理的雲端服務專案裡面，停用任何非機密的VM執行。

舉例來說，一旦套用這樣的政策，任何在專案內試圖啟動非機密VM的動作都無法進行；當用戶擴展與機密運算有關的服務，可透過身分與存取管理的政策，對自身專案或機構運用的機密運算資源，提供控管機制。

第三是能夠整合其他政策施行方式。用戶可結合共用VPC（Shared VPCs）、機構政策使用限制（organization policy constraints）、雲端防火牆規則等功能，確保機密VM只能與其他機密VM互動（就算這些機密VM位在不同專案），甚至還可以運用GCP提供的網路代管功能VPC Service Controls，為機密VM去定義GCP資源的邊界，像是限定Google Cloud Storage的儲存桶，只能供機密VM的服務帳號來存取。

第四則是能夠讓機密VM共享加密金鑰。在操作機密VM時，用戶可能需要處理以外部金鑰加密的檔案，在這樣的狀況下，密文與加密金鑰需要與機密VM共享，而為了確保這些資訊能夠以安全的方式互通，機密VM可運用vTPM，搭配開放原始碼程式庫go-tpm的API來綁定。

【簡便的機密VM設定】想要在GCP環境當中使用機密VM，設定方式相當簡易，我們僅需在建立執行個體的頁面當中，在「機密VM服務」這一項勾選「啟用這個VM執行個體的機密運算服務」。（圖片來源／GCP）

未來將機密運算拓展至K8s叢集

推出機密VM之餘，GCP也發出預告，他們接下來會推出的另一個機密運算服務會是Confidential GKE Nodes，針對全代管的Kubernetes容器平臺應用。

在最初揭露這項消息時，GCP表示，用戶在部署GKE（叢集底層的節點資源池時，可設為只以機密VM來組成。而此種採用Confidential GKE Nodes的叢集，可針對全部的工作節點，自動強制使用機密VM，因此，同樣可以運用AMD EPYC處理器內建的SEV功能，獲得硬體記憶體加密機制。

而在幾週之後，GCP公布Confidential GKE Nodes的測試版，他們介紹幾個特點，像是：建構在機密VM之上、運用AMD SEV、加密節點的記憶體與當中執行的工作負載、每個節點執行個體均配置由處理器產生與管理的專屬金鑰，而且，這些金鑰會在節點建立時產生、單獨存放在處理器，Google或任何同一臺伺服器的其他虛擬機器均不能存取這些機密GKE節點等。

GCP還特別提到幾個新的應用方式，能讓安全防護變得更周延。例如，可結合既有的資料加密機制，像是：資料儲存加密，以用戶自行管理的金鑰來加密節點所掛載的持續性磁碟，以及開機磁碟；網路傳輸加密，可由Anthos Service Mesh提供加密功能；工作負載隔離的模式，透過GKE Sandbox保護節點執行的系統核心，預防來路不明程式碼的執行，以免影響系統核心；節點本身的系統開機保護，經由Shielded GKE nodes來預防rootkit與bootkits這類威脅，確保作業系統的完整性。

【一行指令即可建立Confidential GKE Nodes】Confidential GKE Nodes是GCP的第二款機密運算產品，在2020年10月的展示中，搭配的是GKE 1.18，能讓想要使用Kubernetes叢集的用戶，也能在GKE當中獲得資料加密的保護。（圖片來源／GCP）