Übersicht über geschütztes Fabric und abgeschirmte VMs

Virtualisierungssicherheit ist ein bedeutender Investitionsbereich in Hyper-V. Zusätzlich zum Schutz von Hosts oder anderen virtuellen Computern vor einem virtuellen Computer mit Malware müssen wir virtuelle Computer auch vor einem gefährdeten Host schützen. Dies ist heute eine grundlegende Gefahr für jede Virtualisierungsplattform, ob Hyper-V, VMware oder andere. Wenn ein virtueller Computer aus einer Organisation herausgenommen wird (in böswilliger Absicht oder versehentlich), kann diese VM auf jedem anderen System ausgeführt werden. Der Schutz wertvoller Ressourcen in Ihrer Organisation, z.B. Domänencontroller, vertrauliche Dateiserver und Personalverwaltungssysteme, hat oberste Priorität.

Zum Schutz vor einem kompromittierten Virtualisierungsfabric führt Windows Server 2016 Hyper-V abgeschirmte VMs ein. Eine abgeschirmte VM ist eine Generation 2-VM (unterstützt unter Windows Server 2012 und höher) mit virtuellem TPM, die mit BitLocker verschlüsselt ist und nur auf fehlerfreien und genehmigten Hosts im Fabric ausgeführt werden kann. Abgeschirmte VMs und geschütztes Fabric ermöglichen Clouddienstanbietern oder Private Cloud-Administratoren in Unternehmen, eine sichere Umgebung für Mandanten-VMs bereitzustellen.

Ein geschütztes Fabric besteht aus:

• 1 Host-Überwachungsdienst (HGS) (in der Regel ein Cluster mit 3 Knoten).
• Mindestens ein überwachter Host.
• Eine Gruppe abgeschirmter virtueller Computer. Das folgende Diagramm zeigt, wie der Host-Überwachungsdienst den Nachweis verwendet, um sicherzustellen, dass nur bekannte und gültige Hosts die abgeschirmte VM starten können, und den Schlüsselschutzdienst, um die Schlüssel für abgeschirmte VMs sicher freizugeben.

Wenn ein Mandant abgeschirmte VMs erstellt, die auf einem geschützten Fabric ausgeführt werden, werden die Hyper-V-Hosts und die abgeschirmten VMs selbst durch den Host-Überwachungsdienst geschützt. Der Host-Überwachungsdienst bietet zwei verschiedene Dienste: Nachweis und Schlüsselschutz. Der Nachweisdienst stellt sicher, dass nur vertrauenswürdige Hyper-V-Hosts abgeschirmte VMs ausführen können, während der Schlüsselschutzdienst die Schlüssel bereitstellt, die erforderlich sind, um sie einzuschalten und ihre Livemigration zu anderen geschützten Hosts durchzuführen.

Weitere Informationen finden Sie in diesem Video unter Einführung in abgeschirmte virtuelle Computer.

Nachweismodi in der „Geschütztes Fabric“-Lösung

Der Host-Überwachungsdienst unterstützt verschiedene Nachweismodi für ein geschütztes Fabric:

• TPM-basierter Nachweis (hardwarebasiert)
• Hostschlüsselnachweis (basierend auf asymmetrischen Schlüsselpaaren)

Der TPM-vertrauenswürdige Nachweis wird empfohlen, da er stärkere Garantien bietet, wie in der folgenden Tabelle beschrieben, setzt aber voraus, dass Ihre Hyper-V-Hosts über TPM 2.0 verfügen. Wenn Sie derzeit nicht TPM 2.0 verwenden oder über kein TPM verfügen, können Sie den Hostschlüsselnachweis verwenden. Wenn Sie sich für den Wechsel zum TPM-vertrauenswürdigen Nachweis entscheiden, wenn Sie neue Hardware erwerben, können Sie den Nachweismodus auf dem Host-Überwachungsdienst mit minimaler oder ohne Unterbrechung Ihres Fabrics wechseln.

Ein weiterer Modus, der Admin-basierte Nachweis, ist ab Windows Server 2019 veraltet. Dieser Modus basiert auf der Mitgliedschaft des geschützten Hosts in einer festgelegten Active Directory Domain Services (AD DS)-Sicherheitsgruppe. Der Hostschlüsselnachweis bietet eine ähnliche Hostidentifikation und ist einfacher einzurichten.

Garantien, die der Host-Überwachungsdienst bietet

Der Host-Überwachungsdienst bietet zusammen mit den Methoden zum Erstellen abgeschirmter VMs die folgenden Garantien.

Was sind geschützte Daten, und warum sind sie notwendig?

Eine geschützte Datendatei (auch als Bereitstellungsdatendatei oder PDK-Datei bezeichnet) ist eine verschlüsselte Datei, die ein Mandant oder VM-Besitzer erstellt, um wichtige VM-Konfigurationsinformationen, z.B. Administratorkennwort, RDP und andere identitätsbezogene Zertifikate, Domänenbeitritts-Anmeldeinformationen usw. zu schützen. Ein Fabricadministrator verwendet die geschützte Datendatei beim Erstellen einer abgeschirmten VM, kann die in der Datei enthaltenen Informationen allerdings nicht anzeigen oder verwenden.

Unter anderem enthalten geschützte Datendateien geheime Schlüssel wie z. B.:

• Administratoranmeldeinformationen
• Eine Antwortdatei („unattend.xml“)
• Eine Sicherheitsrichtlinie, die bestimmt, ob mit diesen geschützten Daten erstellte VMs als abgeschirmt oder durch Verschlüsselung unterstützt konfiguriert werden.
  • Denken Sie daran, dass VMs, die als abgeschirmt konfiguriert sind, vor Fabricadministratoren geschützt sind, während verschlüsselungsgestützte VMs dies nicht sind.
• Ein RDP-Zertifikat zum Sichern der Remotedesktopkommunikation mit der VM
• Ein Volumesignaturkatalog, der eine Liste vertrauenswürdiger, signierter Vorlagedatenträger-Signaturen enthält, auf deren Basis eine neue VM erstellt werden kann
• Eine Schlüsselschutzvorrichtung (Key Protector, KP), die definiert, auf welchen geschützten Fabrics eine abgeschirmte VM ausgeführt werden darf

Die geschützte Datendatei (PDK) gewährleistet, dass die VM wie vom Mandanten vorgesehen erstellt wird. Wenn der Mandant z. B. eine Antwortdatei („unattend.xml“) in die geschützte Datendatei einfügt und sie an den Hostinganbieter übermittelt, kann der Hostinganbieter diese nicht anzeigen oder ändern. Ebenso kann der Hostinganbieter beim Erstellen der abgeschirmten VM keine andere VHDX verwenden, da die geschützte Datendatei die Signaturen des vertrauenswürdigen Datenträgers enthält, auf dessen Basis abgeschirmte VMs erstellt werden können.

Die folgende Abbildung zeigt die geschützte Datendatei und zugehörige Konfigurationselemente.

Welche Typen virtueller Computer kann ein geschütztes Fabric ausführen?

Geschützte Fabrics können VMs in einer von drei möglichen Arten ausführen:

1. Eine normale VM, die gegenüber früheren Versionen von Hyper-V weder mehr noch weniger Schutz bietet
2. Eine durch Verschlüsselung unterstützte VM, deren Schutzmaßnahmen durch einen Fabricadministrator konfiguriert werden können
3. Eine abgeschirmte VM, bei der alle Schutzmaßnahmen aktiviert sind und nicht durch einen Fabricadministrator deaktiviert werden können

Durch Verschlüsselung unterstützte VMs sollen dort eingesetzt werden, wo die Fabricadministratoren voll vertrauenswürdig sind. Beispielsweise könnte ein Unternehmen ein geschütztes Fabric bereitstellen, um sicherzustellen, dass VM-Datenträger zur Einhaltung von Vorschriften im Ruhezustand verschlüsselt werden. Fabricadministratoren können weiterhin komfortable Verwaltungsfunktionen wie VM-Konsolenverbindungen, PowerShell Direct und andere Tools zur täglichen Verwaltung und Problembehandlung verwenden.

Abgeschirmte virtuelle Computer dienen zur Verwendung in Fabrics, in denen Daten und Status des virtuellen Computers sowohl vor Fabricadministratoren als auch nicht vertrauenswürdiger Software, die möglicherweise auf den Hyper-V-Hosts ausgeführt wird, geschützt werden müssen. Abgeschirmte VMs würden z.B. nie eine VM-Konsolenverbindung zulassen, während ein Fabricadministrator diesen Schutz für durch Verschlüsselung unterstützte VMs aktivieren oder deaktivieren kann.

Die folgende Tabelle fasst die Unterschiede zwischen durch Verschlüsselung unterstützten und abgeschirmten VMs zusammen.

¹ Traditionelle Debugger, die direkt an einen Prozess angefügt werden (z. B. WinDbg.exe), werden für abgeschirmte VMs blockiert, da der Workerprozess der VM (VMWP.exe) ein PPL (Protected Process Light) ist. Alternative Debuggingtechniken (etwa von „LiveKd.exe“) werden nicht blockiert. Im Gegensatz zu abgeschirmten VMs wird der Workerprozess für VMs mit Verschlüsselungsunterstützung nicht als PPL ausgeführt, sodass herkömmliche Debugger wie „WinDbg.exe“ weiterhin normal funktionieren.

Sowohl abgeschirmte als auch durch Verschlüsselung unterstützte VMs unterstützen weiterhin gängige Fabricverwaltungsfunktionen wie Livemigration, Hyper-V-Replikat, VM-Prüfpunkt usw.

Der Host-Überwachungsdienst in Aktion: Wie ein abgeschirmter virtuelle Computer eingeschaltet wird

1. VM01 ist eingeschaltet. Bevor ein überwachter Host eine abgeschirmte VM einschalten kann, muss zuerst positiv nachgewiesen werden, dass diese fehlerfrei ist. Um ihre Integrität nachzuweisen, muss sie dem Schlüsselschutzdienst (Key Protection Service, KPS) ein Integritätszertifikat vorlegen. Das Integritätszertifikat wird über den Nachweisprozess abgerufen.

2. Der Host fordert einen Nachweis an. Der geschützte Host fordert einen Nachweis an. Der Nachweismodus wird durch den Host-Überwachungsdienst vorgegeben:

   • TPM-basierter Nachweis: Hyper-V-Host sendet Informationen, die Folgendes enthalten:

     • TPM-identifizierende Informationen (seinen Endorsement Key)

     • Informationen zu Prozessen, die während der letzten Startsequenz (TCG-Protokoll) gestartet wurden

     • Informationen zur Codeintegritätsrichtlinie (CI), die auf dem Host angewendet wurde.

       Nachweis geschieht beim Starten des Hosts und danach alle 8 Stunden. Wenn aus beliebigem Grund ein Host kein Nachweiszertifikat hat, wenn ein virtueller Computer versucht, zu starten, wird dadurch auch ein Nachweis ausgelöst.

   • Hostschlüsselnachweis: Der Hyper-V-Host sendet den öffentlichen Teil des Schlüsselpaars. Der HGS überprüft, ob der Hostschlüssel registriert ist.

   • Admin-vertrauenswürdiger Nachweis: Hyper-V-Host sendet ein Kerberos-Ticket, das die Sicherheitsgruppen identifiziert, zu denen der Host gehört. Der Host-Überwachungsdienst überprüft, ob der Host zu einer Sicherheitsgruppe gehört, die zuvor vom vertrauenswürdigen HGS-Administrator konfiguriert wurde.

3. Nachweis erfolgreich (oder mit Fehler). Der Nachweismodus bestimmt, welche Überprüfungen erforderlich sind, um erfolgreich nachzuweisen, dass der Host fehlerfrei ist. Mit TPM-basiertem Nachweis werden die TPM-Identität, die Startkontrollen und die Codeintegritätsrichtlinie des Hosts überprüft. Beim Hostschlüsselnachweis wird nur die Registrierung des Hostschlüssels überprüft.

4. Nachweiszertifikat wird an den Host gesendet. Angenommen, der Nachweis war erfolgreich, dann wird ein Integritätszertifikat wird an den Host gesendet, und der Host gilt als „überwacht“ (autorisiert zum Ausführen abgeschirmter VMs). Der Host verwendet das Integritätszertifikat, um den Schlüsselschutzdienst zur sicheren Freigabe der Schlüssel zu autorisieren, die zur Arbeit mit abgeschirmten virtuellen Computern benötigt werden.

5. Der Host fordert einen VM-Schlüssel an. Ein überwachter Hosts besitzt nicht den zum Einschalten einer abgeschirmten VM (in diesem Fall VM01) erforderlichen Schlüssel. Um die erforderlichen Schlüssel zu erhalten, muss der geschützte Host den folgenden KPS bieten:

   • Das aktuelle Integritätszertifikat
   • Einen verschlüsselten geheimen Schlüssel (Schlüsselschutzvorrichtung oder KP), der die erforderlichen Schlüssel zum Einschalten von VM01 enthält. Der geheime Schlüssel wird mit anderen Schlüsseln verschlüsselt, die nur KPS bekannt sind.

6. Freigabe des Schlüssels. KPS untersucht das Integritätszertifikat, um seine Gültigkeit zu überprüfen. Das Zertifikat darf nicht abgelaufen sein, und KPS muss dem Nachweisdienst vertrauen, der es ausgestellt hat.

7. Der Schlüssel wird an den Host zurückgegeben. Wenn das Integritätszertifikat gültig ist, versucht der KPS, den geheimen Schlüssel zu entschlüsseln und die zum Einschalten der VM erforderlichen Schlüssel sicher zurückzugeben. Die Schlüssel werden von der VBS des überwachten Hosts verschlüsselt.

8. Host schaltet auf VM01 ein.

Glossar zu geschütztem Fabric und abgeschirmten VMs

Zusätzliche Referenzen

• Geschütztes Fabric und abgeschirmte VMs
• Blog: Datacenter and Private Cloud Security Blog (Blog zur Sicherheit in Rechenzentren und Private Clouds)
• Video: Einführung in abgeschirmte VMs
• Video: Einblick in abgeschirmte VMs mit Windows Server 2016 Hyper-V