HPC-Sicherheitsleitfaden und Standards: NIST SP 800-223 und SP 800-234

Was ist Sicherheit im High Performance Computing und warum ist sie wichtig?

High Performance Computing (HPC) ist eine wichtige Infrastruktur für wissenschaftliche Entdeckungen, den Fortschritt bei der künstlichen Intelligenz und die nationale wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit. Da diese Systeme immer sensiblere Forschungsdaten verarbeiten und geschäftskritische Rechenlasten unterstützen, reichen herkömmliche Sicherheitsansätze für Unternehmen nicht aus, um die einzigartigen Herausforderungen von HPC-Umgebungen zu bewältigen. Das Wissen, wie man mit diesen grundlegenden Unterschieden umgeht, ist entscheidend für die Implementierung effektiver Sicherheitsmaßnahmen, die wertvolle Rechenressourcen schützen, ohne die Gesamtproduktivität zu beeinträchtigen.

High Performance Computing (HPC) bezeichnet den Einsatz von Supercomputern und Parallelverarbeitungstechniken zur Lösung hochkomplexer Rechenprobleme, die eine enorme Rechenleistung erfordern. Diese Systeme verfügen in der Regel über Tausende von miteinander verbundenen Prozessoren, spezialisierte Beschleuniger wie GPUs und eine Hochgeschwindigkeits-Netzwerkinfrastruktur, die Quadrillionen von Berechnungen pro Sekunde durchführen kann. HPC-Systeme unterstützen wichtige Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen:

• Wissenschaftliche Forschung und Modellierung – Klimasimulation, Arzneimittelforschung, Kernphysik und Materialwissenschaft
• Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen – Training großer Sprachmodelle, Computer Vision und Deep Learning Forschung
• Technik und Design – Computergestützte Strömungsmechanik, Strukturanalyse und Produktoptimierung
• Finanzmodellierung – Risikoanalyse, algorithmischer Handel und Wirtschaftsprognosen
• Nationale Sicherheitsanwendungen – Kryptographische Forschung, Verteidigungsmodellierung und Geheimdienstanalyse

Die Auswirkungen von HPC-Systemen auf die Sicherheit gehen weit über typische IT-Infrastrukturprobleme hinaus. Ein erfolgreicher Angriff auf eine HPC-Anlage könnte zum Diebstahl von geistigem Eigentum im Wert von Milliarden von Dollar führen, sensible Forschungsdaten gefährden, kritische wissenschaftliche Programme stören oder sogar als Verstoß gegen die nationale Sicherheit eingestuft werden.

Warum HPC-Sicherheitsstandards und -architekturen in modernen Einrichtungen wichtig sind

HPC-Sicherheit unterscheidet sich grundlegend von der Unternehmens-IT durch architektonische Komplexität und leistungsorientiertes Design. Im Gegensatz zu herkömmlichen Unternehmensinfrastrukturen steht bei HPC-Systemen die reine Rechenleistung im Vordergrund, während gleichzeitig Hunderttausende von Komponenten verwaltet werden, was zu erweiterten Angriffsflächen führt, die sich nur schwer umfassend überwachen lassen. Herkömmliche Sicherheitstools können das Volumen und die Geschwindigkeit von HPC-Operationen nicht bewältigen, während leistungsempfindliche Arbeitslasten standardmäßige Sicherheitskontrollen wie Malware-Scans in Echtzeit für Operationen im Petabyte-Bereich potenziell destruktiv machen.

Vor NIST SP 800-223 und SP 800-234 fehlten den Unternehmen umfassende, standardisierte Anleitungen, die auf HPC-Umgebungen zugeschnitten waren. Diese ergänzenden Standards schließen nun diese Wissenslücke mit Hilfe einer grundlegenden Vier-Zonen-Referenzarchitektur, die die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen für Zugriffspunkte, Verwaltungssysteme, Rechenressourcen und Datenspeicher berücksichtigt. Es werden sogar HPC-spezifische Angriffsszenarien wie das Abgreifen von Zugangsdaten und Angriffe auf die Lieferkette dokumentiert.

Einrichtungen aus der realen Welt veranschaulichen diese Herausforderungen. Die Systeme des Oak Ridge National Laboratory enthalten Hunderttausende von Rechenkernen und Speicher im Exabyte-Bereich, während sie gleichzeitig die Anforderungen mehrerer Missionen erfüllen und nicht klassifizierte Forschung, sensible Projekte und klassifizierte Anwendungen unterstützen. Sie ermöglichen eine internationale Zusammenarbeit und dynamische Softwareumgebungen, die mit herkömmlichen Sicherheitsansätzen für Unternehmen nicht effektiv bewältigt werden können.

Das Multi-Tenancy-Modell führt zu zusätzlicher Komplexität, da HPC-Benutzer direkten Systemzugriff, benutzerdefinierte Softwarekompilierung und die Ausführung von beliebigem Code benötigen. Dies erfordert Sicherheitsgrenzen, die ein Gleichgewicht zwischen Forschungsflexibilität und Schutzanforderungen über spezialisierte Ökosysteme hinweg schaffen, darunter wissenschaftliche Bibliotheken, Forschungscodes und Paketmanager mit Hunderten von Abhängigkeiten.

Wie verstehen wir die HPC-Sicherheitsarchitektur und Bedrohungen?

HPC-Sicherheit erfordert einen grundlegenden Perspektivenwechsel gegenüber den traditionellen Sicherheitsmodellen für Unternehmen. Die einzigartige architektonische Komplexität und die Bedrohungslandschaft von High-Performance-Computing-Umgebungen erfordern spezielle Rahmenwerke, die die bestehenden Spannungen zwischen Rechenleistung und Sicherheitskontrollen berücksichtigen.

NIST SP 800-223 liefert die architektonische Grundlage, indem es ein Vier-Zonen-Referenzmodell einführt, das die unterschiedlichen Sicherheitsanforderungen der verschiedenen HPC-Systemkomponenten anerkennt. Dieser zonenbasierte Ansatz trägt der Tatsache Rechnung, dass pauschale Sicherheitsrichtlinien nicht ausreichen, um die unterschiedlichen Bedrohungslandschaften und Betriebsanforderungen von Zugangspunkten, Managementsystemen, Rechenressourcen und Datenspeicherinfrastrukturen zu bewältigen.

Die komplementäre Beziehung zwischen NIST SP 800-223 und SP 800-234 schafft einen umfassenden Sicherheitsrahmen, der speziell für HPC-Umgebungen zugeschnitten ist. Dabei definiert SP 800-223 die architektonische Struktur und identifiziert die wichtigsten Bedrohungsszenarien, während SP 800-234 detaillierte Implementierungsanweisungen durch Sicherheitskontroll-Overlays liefert, die bestehende Rahmenwerke an den HPC-spezifischen Betriebskontext anpassen.

Ein dualer Standardansatz wie dieser schließt kritische Lücken in den HPC-Sicherheitsrichtlinien, indem er sowohl die konzeptionelle Architektur als auch praktische Implementierungsdetails liefert. Damit können Unternehmen nicht nur unzureichende Sicherheitsrahmenwerke für Unternehmen anpassen, sondern auch zweckmäßige Sicherheitsmaßnahmen implementieren, die Rechenressourcen schützen, ohne die Forschungsproduktivität oder wissenschaftliche Entdeckungsmissionen zu beeinträchtigen.

Was legt NIST SP 800-223 für die HPC-Sicherheitsarchitektur fest?

NIST SP 800-223 liefert den grundlegenden architektonischen Rahmen, der die HPC-Sicherheit von Ad-hoc-Implementierungen in strukturierte, zonenbasierte Schutzstrategien umwandelt. Dieser Standard führt einen systematischen Ansatz zur Sicherung komplexer HPC-Umgebungen ein, wobei die für wissenschaftliche Berechnungen und Forschungsarbeiten wichtigen Leistungsmerkmale erhalten bleiben.

Wie funktioniert die Vier-Zonen-Referenzarchitektur?

Die Vier-Zonen-Architektur erkennt an, dass verschiedene HPC-Komponenten unterschiedliche Sicherheitsansätze benötigen, die auf ihrer betrieblichen Rolle, der Gefährdung durch Bedrohungen und den Leistungsanforderungen basieren. Dieses Zonenmodell ersetzt Sicherheitsrichtlinien, die für alle gleich sind, durch gezielte Schutzmaßnahmen, die die einzigartigen Merkmale der einzelnen Funktionsbereiche berücksichtigen.

Die Access Zone dient als externe Schnittstelle, die ein Gleichgewicht zwischen der Zugänglichkeit für legitime Benutzer und dem Schutz vor externen Bedrohungen herstellen muss. Die Sicherheitskontrollen konzentrieren sich hier auf die anfängliche Zugriffsüberprüfung und unterstützen gleichzeitig die interaktiven Sitzungen und massiven Datenübertragungen, die für die Forschungsproduktivität unerlässlich sind.

Die Komponenten der Management Zone erfordern einen erhöhten Schutz der Privilegien, da eine Kompromittierung hier die gesamte HPC-Infrastruktur beeinträchtigen könnte. Die Sicherheitsmaßnahmen konzentrieren sich auf administrative Zugriffskontrollen und die Überwachung von privilegierten Operationen, die das Systemverhalten und die Ressourcenzuweisung in allen Zonen steuern.

Die High-Performance Computing Zone steht vor der Herausforderung, die Rechenleistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die gemeinsam genutzten Ressourcen für mehrere gleichzeitige Workloads zu schützen. Die Kontrollen müssen den Overhead minimieren und gleichzeitig eine gegenseitige Beeinflussung verschiedener Forschungsprojekte, die dieselbe physische Infrastruktur nutzen, verhindern.

Die Sicherheitsimplementierungen der Data Storage Zone zielen darauf ab, Daten vor Korruption und unbefugtem Zugriff zu schützen und gleichzeitig die Leistung von Systemen aufrechtzuerhalten, die Speicher im Petabyte-Bereich mit Tausenden von gleichzeitigen Operationen von verteilten Rechenknoten aus verwalten.

Was sind die realen Angriffsszenarien gegen HPC-Systeme?

NIST SP 800-223 dokumentiert vier primäre Angriffsmuster, die speziell auf die Merkmale und Betriebsanforderungen von HPC-Infrastrukturen abzielen. Diese Szenarien spiegeln tatsächliche Bedrohungsdaten und Vorfallsanalysen von HPC-Einrichtungen weltweit wider.

Auslesen von Zugangsdaten

Credential Harvesting-Angriffe nutzen die langen Sitzungsdauern und gemeinsamen Zugriffsmuster aus, die in HPC-Umgebungen üblich sind. Die Angreifer zielen auf lang laufende Rechenjobs und gemeinsam genutzte Projektkonten ab, um sich einen dauerhaften Zugang zu verschaffen, der über Monate hinweg unentdeckt bleibt. Der Angriff gelingt, indem externe Anmeldeinformationen durch Phishing oder Datenverletzungen kompromittiert werden und dann legitime HPC-Zugriffsmuster ausgenutzt werden, um eine Entdeckung zu vermeiden, während der Systemzugang aufrechterhalten wird.

Ferngesteuerte Ausbeutung

Remote Exploitation-Szenarien konzentrieren sich auf anfällige externe Dienste, die legitime HPC-Funktionen bieten, aber Angriffsvektoren auf interne Systeme schaffen. Webportale, Dateiübertragungsdienste und Remote-Visualisierungstools werden zu Dreh- und Angelpunkten, wenn sie nicht ordnungsgemäß gesichert oder isoliert sind. Angreifer nutzen diese Dienste aus, um die Verteidigungsmechanismen der Umgebung zu umgehen und zunächst in der HPC-Umgebung Fuß zu fassen, bevor sie zu sensibleren Systemen übergehen.

Angriffe auf die Lieferkette

Angriffe auf die Versorgungskette zielen auf das komplexe Software-Ökosystem ab, das den HPC-Betrieb unterstützt. Bösartiger Code gelangt über CI/CD-Pipelines (Continuous Integration / Continuous Deployment), kompromittierte Software-Repositories oder verdorbene Abhängigkeiten in Paketverwaltungssystemen wie Spack ins System. Diese Angriffe sind besonders gefährlich, da sie mehrere Einrichtungen gleichzeitig betreffen und so lange inaktiv bleiben können, bis sie durch bestimmte Rechenbedingungen oder Dateneingaben ausgelöst werden.

Verwirrte Stellvertreter-Angriffe

Confused Deputy Attacks manipulieren privilegierte Programme so, dass sie ihre Befugnisse im Namen von Unbefugten missbrauchen. In HPC-Umgebungen zielen diese Angriffe häufig auf Job Scheduler, Workflow-Engines oder administrative Tools ab, die mit erhöhten Rechten in mehreren Zonen arbeiten. Der Angriff ist erfolgreich, indem bösartige Eingaben gemacht werden, die legitime Programme dazu bringen, nicht autorisierte Aktionen auszuführen, während sie scheinbar normal arbeiten.

Was macht die HPC-Bedrohungslandschaft so einzigartig?

Die HPC-Bedrohungslandschaft unterscheidet sich erheblich von der Unternehmens-IT, denn leistungsorientierte Designentscheidungen und forschungsorientierte Betriebsanforderungen schaffen neue Angriffsflächen und Herausforderungen für die Verteidigung.

Der Kompromiss zwischen Leistung und Sicherheit schafft grundlegende Schwachstellen, die es in herkömmlichen IT-Umgebungen nicht gibt. Zu den üblichen leistungsorientierten Kompromissen gehören:

• Deaktivierte Sicherheitsfunktionen – Adressraum-Layout-Randomisierung, Stack-Canaries und Speicherschutz, die aus Gründen der Berechnungseffizienz entfernt wurden
• Unverschlüsselte Hochgeschwindigkeitsverbindungen – Latenzempfindliche Netzwerke, die Verschlüsselung für Leistungssteigerungen im Mikrosekundenbereich opfern
• Dateisysteme mit Durchsatzpriorität – Gemeinsam genutzte Speichersysteme, die den Overhead bei der Zugriffskontrolle minimieren, um die E/A-Leistung zu maximieren
• Lockere Authentifizierungsanforderungen – Lang laufende Jobs und Stapelverarbeitung wirken sich negativ auf die Durchsetzung der Multi-Faktor-Authentifizierung aus.

Diese architektonischen Entscheidungen schaffen Bedingungen, die von Angreifern ausgenutzt werden können, um Systeme zu kompromittieren, die in herkömmlichen Unternehmensumgebungen geschützt wären.

Die Komplexität der Versorgungskette in HPC-Umgebungen übersteigt bei weitem die typischen Herausforderungen bei der Verwaltung von Unternehmenssoftware. Moderne HPC-Einrichtungen verwalten mehr als 300 Workflow-Systeme mit komplexen Abhängigkeitsgraphen, die wissenschaftliche Bibliotheken, Middleware, Systemsoftware und kundenspezifische Forschungscodes umfassen. Diese inhärente Komplexität schafft mehrere Einstiegspunkte für die Injektion von bösartigem Code und macht eine umfassende Sicherheitsvalidierung extrem schwierig zu implementieren und zu pflegen.

Die Mehrmandantenfähigkeit über Forschungsprojekte hinweg erschwert die Durchsetzung traditioneller Sicherheitsgrenzen. Im Gegensatz zu Unternehmenssystemen mit genau definierten Benutzerrollen und Datenklassifizierungen müssen HPC-Systeme dynamische Projektmitgliedschaften, temporäre Kooperationen und unterschiedliche Datensensibilitätsstufen innerhalb einer gemeinsam genutzten Infrastruktur unterstützen. Eine solche Struktur führt zu Szenarien, in denen sich herkömmliche Zugriffskontrollen und Mechanismen zur Datenisolierung als unzureichend für die Anforderungen von Forschungsrechnern erweisen.

Ein weiteres wichtiges Thema ist das Aufkommen von „wissenschaftlichem Phishing“ – ein neuartiger Angriffsvektor, bei dem böswillige Akteure gefälschte Eingabedaten, Berechnungsmodelle oder Analyse-Workflows bereitstellen, die legitim erscheinen, aber versteckte Schwachstellen enthalten. Diese Angriffe zielen auf die kollaborative Natur der wissenschaftlichen Forschung und die Tendenz der Forscher ab, Daten, Code und Rechenressourcen über institutionelle Grenzen hinweg auszutauschen, ohne sie einer umfassenden Sicherheitsüberprüfung zu unterziehen.

Was bietet das Sicherheitskontroll-Overlay von NIST SP 800-234?

NIST SP 800-234 setzt das architektonische Rahmenwerk von SP 800-223 in umsetzbare Sicherheitskontrollen um, die speziell auf die betrieblichen Gegebenheiten von HPC zugeschnitten sind. Dieser Standard liefert die praktische Implementierungsanleitung, die die theoretische Sicherheitsarchitektur in umsetzbare Schutzmaßnahmen umwandelt und dabei die für das wissenschaftliche Rechnen wichtigen Leistungsmerkmale beibehält.

Wie funktioniert das Moderate Baseline Plus Overlay Framework?

Das SP 800-234 Overlay baut auf der NIST SP 800-53 Moderate Baseline auf, indem es HPC-spezifische Anpassungen vornimmt, um einen umfassenden Rahmen für Sicherheitskontrollen zu schaffen. Dieser Ansatz trägt der Tatsache Rechnung, dass HPC-Umgebungen sowohl etablierte Sicherheitspraktiken als auch spezielle Anpassungen erfordern, die den besonderen Rechenanforderungen Rechnung tragen.

Das Rahmenwerk umfasst insgesamt 288 Sicherheitskontrollen, bestehend aus den 287 Kontrollen der SP 800-53 Moderate Baseline plus der Hinzufügung von AC-10 (Concurrent Session Control) speziell für HPC-Mehrbenutzerumgebungen. Diese Baseline bietet bewährte Sicherheitsmaßnahmen und trägt gleichzeitig der Tatsache Rechnung, dass Standardimplementierungen in Unternehmen häufig nicht ausreichen, um den Anforderungen des HPC-Betriebs gerecht zu werden.

Sechzig kritische Kontrollen erhalten HPC-spezifische Anpassungen und ergänzende Anleitungen, die auf die besonderen Herausforderungen von High-Performance-Computing-Umgebungen eingehen. Diese Änderungen reichen von leistungsbewussten Implementierungsansätzen bis hin zu völlig neuen Anforderungen, die in herkömmlichen IT-Umgebungen nicht existieren. Der Anpassungsprozess berücksichtigt Faktoren wie:

• Minimierung der Auswirkungen auf die Leistung – Angepasste Kontrollen zur Reduzierung des Rechenaufwands
• Skalengerechte Implementierungen – Sicherheitsmaßnahmen, die für Systeme mit Hunderttausenden von Komponenten ausgelegt sind
• Überlegungen zur Mandantenfähigkeit – Verbesserte Kontrollen für gemeinsam genutzte Forschungscomputerumgebungen
• Zonenspezifische Anwendungen – Differenzierte Anforderungen für die Zonen Access, Management, Computing und Data Storage

Zonenspezifische Anleitungen geben Implementierern detaillierte Anweisungen für die Anwendung unterschiedlicher Kontrollen in der Vier-Zonen-Architektur. Access-Zonen erfordern andere Authentifizierungsansätze als Computing-Zonen, während Management-Zonen eine erweiterte Privilegienüberwachung benötigen, die für Data Storage-Zonen mit hohem Durchsatz unpraktisch wäre.

Die ergänzende Anleitung ist eine Erweiterung der Standardkontrollbeschreibungen mit zusätzlichem HPC-Kontext, Implementierungsbeispielen und Leistungsüberlegungen. Dieser Leitfaden schließt die Lücke zwischen den allgemeinen Sicherheitsanforderungen und den spezifischen betrieblichen Realitäten wissenschaftlicher Rechenumgebungen.

Was sind die kritischen Kontrollkategorien für HPC?

Das Overlay identifiziert die wichtigsten Kontrollkategorien, die für HPC-Umgebungen am stärksten angepasst werden müssen, da sie die einzigartigen Betriebsmerkmale und die Bedrohungslandschaft von Hochleistungsrechnersystemen widerspiegeln.

Rollenbasierte Zugriffskontrolle

Die rollenbasierte Zugriffskontrolle (AC-2, AC-3) wird aufgrund der komplexen Zugriffsmuster, die dem Forschungscomputing innewohnen, umfassend HPC-spezifisch angeleitet. Im Gegensatz zu Unternehmensumgebungen mit relativ statischen Benutzerrollen müssen HPC-Systeme dynamische Projektmitgliedschaften, temporäre Forschungskooperationen und unterschiedliche Zugriffsanforderungen je nach Bedarf an Rechenressourcen unterstützen. Die Kontoverwaltung muss Forschern gerecht werden, die bei mehreren gleichzeitigen Projekten unterschiedliche Berechtigungsstufen benötigen, und gleichzeitig eine klare Rechenschaftspflicht und Prüfpfade gewährleisten.

HPC-spezifische Protokollierung

HPC-spezifische Protokollierung (AU-2, AU-4, AU-5) befasst sich mit dem enormen Volumen und der Geschwindigkeit, die bei der Sicherheitsüberwachung in Hochleistungsumgebungen erforderlich sind. Zonenspezifische Protokollierungsprioritäten helfen Unternehmen, die Überwachung auf die kritischsten Sicherheitsereignisse zu konzentrieren und gleichzeitig Petabytes an potenziellen Protokolldaten zu verwalten. Zu den Strategien zur Verwaltung des Datenvolumens gehören intelligente Filter, Echtzeitanalysen und abgestufte Speicherkonzepte, die die Sicherheitstransparenz aufrechterhalten, ohne die Speicher- und Analysesysteme zu überfordern.

Sitzungsverwaltung

Die Kontrollen der Sitzungsverwaltung (AC-2(5), AC-10, AC-12) sind auf die besonderen zeitlichen Anforderungen von Rechenoperationen zugeschnitten. Lang laufende Rechenaufträge können Tage oder Wochen lang ausgeführt werden und erfordern Sitzungs-Timeout-Mechanismen, die zwischen interaktiven Debugging-Sitzungen und legitimer Stapelverarbeitung unterscheiden. Interaktive Debugging-Sitzungen benötigen andere Timeout-Richtlinien als die automatisierte Ausführung von Arbeitsabläufen, während die Erkennung von Inaktivität gültige Berechnungsmuster berücksichtigen muss, die für herkömmliche Überwachungssysteme inaktiv erscheinen könnten.

Authentifizierungs-Architektur

Die Richtlinien für die Authentifizierungsarchitektur (IA-1, IA-2, IA-11) befassen sich damit, wann eine Multi-Faktor-Authentifizierung erforderlich ist und wann sie innerhalb der festgelegten Vertrauensgrenzen des Systems delegiert werden sollte. Externe Zugriffspunkte erfordern eine starke Authentifizierung, aber für die interne Zone-zu-Zone-Kommunikation kann eine zertifikats- oder tokenbasierte Authentifizierung verwendet werden, um die Leistung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Verantwortlichkeit sicherzustellen. Der Leitfaden hilft Unternehmen, die Sicherheitsanforderungen mit der Notwendigkeit einer automatisierten Hochgeschwindigkeitskommunikation zwischen den Systemen in Einklang zu bringen.

Welche zonenspezifischen Sicherheitsimplementierungen werden empfohlen?

Das Overlay bietet detaillierte Implementierungsanleitungen für jede Zone in der Vier-Zonen-Architektur und erkennt an, dass die Sicherheitskontrollen an die spezifischen Betriebsmerkmale und Bedrohungsprofile der verschiedenen HPC-Systemkomponenten angepasst werden müssen.

Die Implementierungen der Access Zone konzentrieren sich auf die Sicherung externer Verbindungen und unterstützen gleichzeitig die für die Forschungsproduktivität unerlässlichen hochvolumigen Datenübertragungen und interaktiven Sitzungen. Zu den Sicherheitsmaßnahmen gehören eine verbesserte Sitzungsüberwachung für Anmeldeknoten, sichere Dateiübertragungsprotokolle, die die Leistungsmerkmale beibehalten, und Schutzmaßnahmen für Webportale, die ein Gleichgewicht zwischen Benutzerfreundlichkeit und Sicherheit herstellen. Die Verwaltung von Benutzersitzungen muss sowohl die interaktive Arbeit als auch automatisierte Datenübertragungsvorgänge ermöglichen, ohne dass dadurch Hindernisse für legitime Forschungsaktivitäten entstehen.

Der Schutz der Verwaltungszone erfordert zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen für privilegierte administrative Funktionen, die sich auf den systemweiten Betrieb auswirken. Die erweiterte Überwachung umfasst administrative Zugriffsmuster, die Verfolgung von Konfigurationsänderungen und Änderungen der Job Scheduler-Richtlinien. Die Protokollierung privilegierter Operationen liefert detaillierte Prüfpfade für Aktionen, die die Systemintegrität gefährden oder mehrere Forschungsprojekte gleichzeitig beeinträchtigen könnten.

Die Sicherheitsimplementierungen der Computing Zone befassen sich mit der Herausforderung, gemeinsam genutzte Rechenressourcen zu schützen und gleichzeitig die Leistungsanforderungen von HPC-Workloads auf Mikrosekundenebene zu erfüllen. Der Schutz gemeinsam genutzter GPU-Ressourcen umfasst Mechanismen zur Isolierung des Speichers, Verfahren zur Notstromverwaltung für ein geordnetes Herunterfahren des Systems und Prozesse zur Bereinigung von Rechenknoten, die einen sauberen Zustand zwischen verschiedenen Rechenaufträgen gewährleisten. Die Sicherheitskontrollen müssen die Auswirkungen auf die Leistung minimieren und gleichzeitig eine gegenseitige Beeinflussung zwischen gleichzeitigen Forschungsarbeiten verhindern.

Die Empfehlungen der Data Storage Zone konzentrieren sich auf Integritätsschutzansätze, die effektiv mit parallelen Dateisystemen im Petabyte-Bereich funktionieren. Die Implementierungsanleitung umfasst verteilte Integritätsprüfungen, Backup-Strategien für große Datensätze und Zugriffskontrollmechanismen, die eine hohe Durchsatzleistung gewährleisten. Die Herausforderung besteht darin, sich sowohl vor böswilligen Angriffen als auch vor Systemausfällen zu schützen, die Forschungsdaten gefährden könnten, die jahrelange Investitionen in Berechnungen darstellen.

Wie implementieren Organisationen HPC-Sicherheit in der Praxis?

Der Übergang von der Dokumentation der Standards in die betriebliche Realität erfordert von den Unternehmen die Bewältigung komplexer Implementierungsherausforderungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Forschungsproduktivität. Erfolgreiche HPC-Sicherheitsimplementierungen schaffen ein Gleichgewicht zwischen theoretischen Rahmenwerken und praktischen Einschränkungen, der Organisationskultur und der grundlegenden Tatsache, dass Sicherheitsmaßnahmen die wissenschaftliche Entdeckung fördern und nicht behindern sollten.

Was ist das Sicherheitsmodell „Sheriffs und Hilfssheriffs“?

Die effektivsten HPC-Sicherheitsimplementierungen basieren auf einem Modell, das Praktiker als „Sheriffs und Deputies“ bezeichnen. Dabei handelt es sich um ein Rahmenwerk mit geteilter Verantwortung, das sowohl die von den Einrichtungen verwalteten Durchsetzungsfähigkeiten als auch die wesentliche Rolle der von den Benutzern verwalteten Sicherheitspraktiken beim Schutz der Computerressourcen anerkennt.

Die von der Einrichtung verwalteten Kontrollen sind die „Sheriffs“ der HPC-Sicherheit. Sie bieten zentralisierte Durchsetzungsmechanismen, die von den Benutzern nicht umgangen oder deaktiviert werden können. Zu diesen Kontrollen gehören Firewall-Regeln auf Netzwerkebene, zentralisierte Authentifizierungssysteme, Job Scheduler-Richtlinien und vieles mehr. Die Einrichtung unterhält auch eine Überwachung auf Systemebene, die die Ressourcennutzung verfolgt, anomale Verhaltensmuster erkennt und Prüfprotokolle für die Einhaltung von Compliance-Anforderungen bereitstellt.

Eine weitere wichtige Komponente, die von der Einrichtung verwaltet wird, sind die Autorisierungsrahmen, in denen die Ressourcennutzungsausschüsse (Resource Utilization Committees, RUCs) und Projektgenehmigungsprozesse sicherstellen, dass der Zugriff auf die Rechner mit den genehmigten Forschungszielen übereinstimmt. Diese Mechanismen verhindern eine unbefugte Ressourcennutzung und gewährleisten gleichzeitig eine klare Rechenschaftspflicht für alle Rechenaktivitäten innerhalb der Einrichtung.

Die von den Benutzern verwalteten Verantwortlichkeiten fungieren in diesem Sicherheitsmodell als„Stellvertreter“, die sich um Aspekte kümmern, die nicht effektiv automatisiert oder zentral kontrolliert werden können. Forscher tragen die Verantwortung für die Bereinigung von Eingabedaten und stellen sicher, dass Datensätze und Berechnungsmodelle keine bösartigen Inhalte enthalten, die die Systemintegrität gefährden könnten. Für die Korrektheit und Sicherheit des Codes sind die Benutzer verantwortlich, insbesondere bei benutzerdefinierten Forschungsanwendungen, die von den Administratoren der Einrichtung nicht umfassend validiert werden können.

Die Verwaltung des Projektzugriffs erfordert häufig die Koordination der Benutzer, insbesondere in kollaborativen Forschungsumgebungen, in denen sich mehrere Einrichtungen Rechenressourcen teilen. Die Benutzer müssen die Anforderungen an die Datenklassifizierung, die Exportkontrollbeschränkungen und den Schutz des geistigen Eigentums verstehen und einhalten, die bei verschiedenen Forschungsprojekten, die auf derselben Infrastruktur laufen, unterschiedlich sein können.

Dieses Modell der geteilten Verantwortung erkennt an, dass eine wirksame HPC-Sicherheit die aktive Beteiligung sowohl der Betreiber von Einrichtungen als auch der Forschungsnutzer erfordert. Keine der beiden Parteien ist in der Lage, allein einen umfassenden Schutz zu gewährleisten – den Einrichtungen fehlt das Fachwissen, um alle Forschungscodes und -datensätze zu validieren, und den Nutzern fehlt der Zugang auf Systemebene, der für die Implementierung von Schutzmaßnahmen auf Infrastrukturebene erforderlich ist.

Was sind die praktischen „Faustregeln“ für die Sicherheit?

Erfahrene HPC-Sicherheitsexperten verlassen sich auf grundlegende Prinzipien, die komplexe Standards in alltägliche Handlungsanweisungen umsetzen. Diese Faustregeln helfen Unternehmen, konsistente Sicherheitsentscheidungen zu treffen und sich gleichzeitig an die dynamische Natur von Forschungscomputerumgebungen anzupassen.

Das Identitätsprinzip verlangt, dass jede Rechenaktivität auf eine identifizierbare, autorisierte Person zurückgeführt werden kann. Dies mag einfach erscheinen – in Umgebungen mit gemeinsam genutzten Konten, automatisierten Arbeitsabläufen und lang laufenden Batch-Jobs wird es jedoch sehr viel komplexer. Erfolgreiche Implementierungen verfügen über klare Prüfpfade, die die Nutzung von Rechenressourcen mit bestimmten Personen in Verbindung bringen, selbst wenn mehrere Forscher an gemeinsamen Projekten arbeiten oder wenn automatisierte Systeme Rechenworkflows im Namen von Benutzern ausführen.

Der Umfang der Berechtigungen muss sich an den Projektgrenzen und den genehmigten Forschungszielen orientieren und nicht an traditionellen rollenbasierten Modellen. Die Genehmigung durch den Ausschuss für Ressourcennutzung ist ausschlaggebend für die Zugriffsentscheidungen und stellt sicher, dass die Berechtigungen für Berechnungen dem Umfang der genehmigten Forschungsaktivitäten entsprechen. Mit diesem Ansatz wird verhindert, dass Forscher Zugang zu Ressourcen erhalten, die weit über ihre legitimen Projektanforderungen hinausgehen, und gleichzeitig wird der kollaborative Charakter der wissenschaftlichen Forschung unterstützt.

Die Authentifizierungsanforderungen folgen einem risikobasierten Ansatz, der zwischen verschiedenen Arten des Systemzugriffs und rechnerischen Aktivitäten unterscheidet. Die Zwei-Faktor-Authentifizierung wird für externe Zugriffspunkte und administrative Funktionen obligatorisch, kann aber für die interne System-zu-System-Kommunikation, die einen schnellen, automatisierten Betrieb erfordert, an zertifikats- oder tokenbasierte Mechanismen delegiert werden.

Die gemeinsame Nutzung von Berechtigungsnachweisen stellt eine ständige Herausforderung in Forschungsumgebungen dar, in denen die Zusammenarbeit oft die gemeinsame Nutzung von Rechenressourcen beinhaltet. Die praktische Regel betont die individuelle Verantwortlichkeit – selbst in Gemeinschaftsprojekten sollten Zugangsberechtigungen an bestimmte Personen gebunden bleiben, die für die unter ihrer Identität durchgeführten Rechenaktivitäten verantwortlich gemacht werden.

Welche leistungsbewussten Sicherheitsansätze funktionieren?

Reale HPC-Sicherheitsimplementierungen sind erfolgreich, weil sie anerkennen, dass eine Leistungsverschlechterung sowohl die Sicherheit als auch die Forschungsziele untergräbt. Unternehmen entwickeln Sicherheitsstrategien, die Rechenressourcen schützen, ohne die legitime wissenschaftliche Arbeit zu behindern.

Schwachstellen-Scans erfordern eine sorgfältige Orchestrierung, um Auswirkungen auf Dateisysteme im Petabyte-Bereich zu vermeiden, die Tausende von gleichzeitigen Rechenaufträgen bedienen. Zu den erfolgreichen Ansätzen gehören Scan-Zeitpläne außerhalb der Spitzenzeiten, verteilte Scan-Architekturen, die die Bewertungslast auf mehrere Systeme verteilen, und intelligentes Scannen, das sich auf kritische Systemkomponenten konzentriert, anstatt eine umfassende Abdeckung während der Spitzenbetriebszeiten zu versuchen.

Der Schutz vor Malware in HPC-Umgebungen verzichtet auf herkömmliche Echtzeit-Scanning-Ansätze, die sich als inkompatibel mit Rechenlasten mit hohem Durchsatz erweisen. Effektive Implementierungen verwenden stattdessen eine Verhaltensanalyse, die anomale Berechnungsmuster überwacht, eine Analyse des Netzwerkverkehrs, die nicht autorisierte Kommunikationsmuster aufspürt, und regelmäßige Offline-Scans kritischer Systemkomponenten während geplanter Wartungsfenster.

Die Differenzierung der Sicherheitskontrolle nach Knotentyp ermöglicht es Unternehmen, angemessene Schutzniveaus anzuwenden, ohne allgemeine Leistungseinbußen zu verursachen. Login-Knoten und Managementsysteme werden umfassend überwacht, da sie sensible Authentifizierungs- und Verwaltungsfunktionen ausführen, während sich Rechenknoten auf Isolierungs- und Ressourcenschutzmechanismen konzentrieren, die die Rechenleistung aufrechterhalten.

Strategien zur Datensicherung sorgen für ein ausgewogenes Verhältnis zwischen umfassenden Backup-Anforderungen und der Tatsache, dass Datensätze im Petabyte-Bereich nicht mit herkömmlichen Unternehmensansätzen gesichert werden können. Unternehmen implementieren abgestufte Schutzstrategien, die einen vollständigen Schutz für kritische Konfigurationsdaten und Benutzer-Home-Verzeichnisse bieten, während alternative Ansätze wie verteilte Replikation und Integritätsprüfung für große Forschungsdaten verwendet werden, bei denen ein umfassendes Backup unpraktisch wäre.

Die Segmentierung von Netzwerken bietet Sicherheitsvorteile und erhält gleichzeitig die Hochgeschwindigkeitskommunikation aufrecht, die für parallele Rechenlasten erforderlich ist. Effektive Implementierungen verwenden eine zonenbasierte Isolierung, die mit der SP 800-223-Architektur übereinstimmt und gleichzeitig sicherstellt, dass legitime Rechenkommunikationsmuster nicht durch Sicherheitskontrollen gestört werden, die für herkömmliche Unternehmensnetzwerkumgebungen entwickelt wurden.

Risikobasierte Sicherheitscheckliste für HPC-Umgebungen

Diese nach Prioritäten geordnete Sicherheitscheckliste hilft Unternehmen bei der Umsetzung der Kontrollen der NIST SP 800-223 und SP 800-234 auf der Grundlage von Risikostufen. So wird sichergestellt, dass kritische Schwachstellen sofort behoben werden, während gleichzeitig ein umfassender Schutz im Laufe der Zeit aufgebaut wird.

Kritische/hochriskante Punkte (Sofortige Maßnahmen erforderlich)

Zugriffskontrolle und Authentifizierung:

• Stellen Sie sicher, dass an allen externen Zugangspunkten (Anmeldeknoten, Webportale, Datenübertragungsknoten) eine mehrstufige Authentifizierung erzwungen wird.
• Überprüfen Sie privilegierte Konten in allen Zonen – stellen Sie sicher, dass keine gemeinsamen administrativen Anmeldedaten existieren.
• Überprüfen und dokumentieren Sie alle Servicekonten mit zonenübergreifenden Zugriffsberechtigungen
• Überprüfen Sie, ob die Standardpasswörter auf allen HPC-Infrastrukturkomponenten geändert wurden.

Schutz der externen Schnittstellen:

• Bestätigen Sie, dass die Firewall-Regeln die vier Sicherheitszonen gemäß der SP 800-223-Architektur korrekt segmentieren.
• Überprüfen Sie die externen Dienste auf bekannte Schwachstellen und installieren Sie wichtige Sicherheits-Patches.
• Überprüfen Sie, ob sichere Protokolle (SSH, HTTPS, SFTP) für die gesamte externe Kommunikation verwendet werden.
• Überprüfung und Einschränkung unnötiger Netzwerkdienste und offener Ports

Datenklassifizierung und -schutz:

• Identifizieren und klassifizieren Sie alle sensiblen Forschungsdaten gemäß den organisatorischen und gesetzlichen Anforderungen
• Überprüfen Sie die Einhaltung der Exportkontrollen für den internationalen Zugriff von Forschern und die gemeinsame Nutzung von Daten
• Bestätigen Sie, dass Backup-Verfahren für kritische Konfigurationsdaten und Benutzer-Home-Verzeichnisse existieren.
• Überprüfen Sie, ob die Verschlüsselung für ruhende Daten in Speicherzonen und für Daten bei der Übertragung implementiert ist.
• Implementieren Sie eine HPC-spezifische, NIST-konforme Datensicherungslösung wie Bacula Enterprise

Punkte mit mittlerem Risiko (innerhalb von 3-6 Monaten angehen)

Sicherheit von Software und Lieferkette:

• Implementieren Sie eine automatische Software-Bestandsverfolgung mit SBOM-Tools (Spack, Container oder Paketmanager)
• Erstellen Sie Zeitpläne für Schwachstellen-Scans, die die Auswirkungen auf die Arbeitslast minimieren.
• Dokumentieren und bewerten Sie die Sicherheitspraktiken kritischer HPC-Software-Anbieter und deren Abhängigkeiten
• Erstellen Sie Verfahren zur Reaktion auf Vorfälle speziell für HPC-Umgebungen und Multizonen-Architekturen

Überwachung und Protokollierung:

• Konfigurieren Sie zonenspezifische Protokollierungsprioritäten gemäß SP 800-234 (AU-2, AU-4, AU-5 Kontrollen)
• Implementieren Sie eine automatische Überwachung für ungewöhnliche Nutzungsmuster von Rechenressourcen.
• Legen Sie Richtlinien für die Aufbewahrung von Protokollen fest, die ein Gleichgewicht zwischen Speicherkosten und Compliance-Anforderungen herstellen.
• Einsatz von SIEM-Tools (Security Information and Event Management), die für die Verarbeitung von HPC-Daten geeignet sind

Operative Sicherheit:

• Entwickeln und testen Sie Disaster-Recovery-Verfahren für jede Sicherheitszone
• Erstellen Sie Schulungen zum Sicherheitsbewusstsein, die speziell auf HPC-Umgebungen und die Zusammenarbeit in der Forschung ausgerichtet sind.
• Einführung von Verfahren für die sichere Softwareverteilung und Konfigurationsverwaltung
• Implementierung regelmäßiger Sicherheitsbewertungen, die den HPC-Leistungsanforderungen Rechnung tragen

Punkte mit geringerem Risiko (Laufende Wartungsaktivitäten)

Dokumentation und Konformität:

• Pflegen Sie aktuelle Netzwerkdiagramme und Systemarchitekturdokumentationen
• Überprüfen und aktualisieren Sie die Sicherheitsrichtlinien jährlich, um den sich ändernden Forschungsanforderungen Rechnung zu tragen.
• Dokumentieren Sie die Sicherheitsrollen und Verantwortlichkeiten anhand des Modells „Sheriffs und Stellvertreter“.
• Führen Sie jährliche Überprüfungen der Benutzerzugriffsrechte und projektbezogenen Berechtigungen durch.

Kontinuierliche Verbesserung:

• Teilnahme an HPC-Sicherheits-Community-Foren und Austausch von Informationen über Bedrohungen
• Evaluieren Sie neue Sicherheitstechnologien auf ihre Anwendbarkeit für HPC und ihre Auswirkungen auf die Leistung
• Führen Sie regelmäßig Übungen zur Reaktion auf Sicherheitsvorfälle durch
• Bewerten Sie die Anforderungen an die Cloud- und Hybrid-HPC-Sicherheit, wenn sich die Infrastruktur weiterentwickelt.

Leistungsüberwachung:

• Überwachen Sie die Auswirkungen von Sicherheitskontrollen auf die Leistung von Rechenoperationen
• Überprüfung und Optimierung der Konfigurationen von Sicherheitstools, um die Auswirkungen auf die Forschungsproduktivität zu minimieren
• Evaluieren Sie neue Sicherheitsansätze, die die HPC-Leistungsmerkmale beibehalten
• Verfolgen Sie Sicherheitsmetriken und wichtige Leistungsindikatoren speziell für Forschungscomputerumgebungen

Was sind die notwendigen Überlegungen zur Softwaresicherheit und Lieferkette für HPC?

HPC-Umgebungen hängen von außerordentlich komplexen Software-Ökosystemen ab, die einzigartige Sicherheitsherausforderungen mit sich bringen, die weit über die traditionellen IT-Umgebungen von Unternehmen hinausgehen. Die Verwaltung von Hunderten von wissenschaftlichen Bibliotheken, Workflow-Systemen und benutzerdefinierten Forschungscodes bei gleichzeitiger Wahrung der Sicherheit erfordert spezielle Ansätze, die die Vorteile der Open-Source-Zusammenarbeit mit einem umfassenden Risikomanagement in Einklang bringen.

Wie können Sie komplexe HPC-Software-Stacks sichern?

Die Verwaltung von HPC-Software ist durch Paketmanager wie Spack, die komplizierte Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Hunderten von wissenschaftlichen Bibliotheken, Compilern und Laufzeitumgebungen verwalten, so komplex wie nie zuvor. Diese Komplexität bringt Sicherheitsherausforderungen mit sich, die mit herkömmlichen Ansätzen zur Verwaltung von Unternehmenssoftware nicht effektiv bewältigt werden können.

Paketmanager in HPC-Umgebungen verwalten exponentiell komplexere Abhängigkeitsgraphen als typische Unternehmenssoftware. Eine einzige wissenschaftliche Anwendung kann von Dutzenden von mathematischen Bibliotheken abhängen, die jeweils ihre eigenen Abhängigkeiten von Compilern, Kommunikationsbibliotheken und Komponenten auf Systemebene haben. Spack, der führende HPC-Paketmanager, verwaltet in der Regel 300-500 verschiedene Softwarepakete mit Abhängigkeitsbeziehungen, die sich je nach Wahl des Compilers, der Optimierungsflags und der Zielhardwarearchitekturen ändern.

Zu den Auswirkungen auf die Sicherheit gehören Schwachstellen in der Versorgungskette, durch die bösartiger Code an jedem beliebigen Punkt des Abhängigkeitsdiagramms eindringen kann. Im Gegensatz zu Unternehmensumgebungen mit kontrollierten Softwarekatalogen werden in HPC-Systemen regelmäßig aktuelle Forschungscodes, experimentelle Bibliotheken und maßgeschneiderte wissenschaftliche Anwendungen eingesetzt, die möglicherweise nicht umfassend auf ihre Sicherheit hin überprüft wurden.

Die Vorteile von Open-Source-Software fördern die Akzeptanz von HPC-Systemen, erschweren jedoch das Management von Sicherheitsrisiken. Forschungsgemeinschaften verlassen sich auf gemeinschaftliche Entwicklungsmodelle, bei denen die Codequalität und die Sicherheitspraktiken von Projekt zu Projekt stark variieren. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören:

• Zeitrahmen für die Offenlegung von Schwachstellen – Bei Forschungsprojekten gibt es möglicherweise keine formellen Prozesse für Sicherheitsmaßnahmen.
• Kontinuität der Wartung – Akademische Projekte verlieren oft die Finanzierung oder die Unterstützung durch Entwickler
• Unterschiedliche Codequalität – Forschungscodes geben wissenschaftlicher Genauigkeit Vorrang vor Sicherheitspraktiken
• Komplexität der Integration – Die Kombination mehrerer Forschungscodes vergrößert die Angriffsfläche.

Defensive Programmierpraktiken sind für die Eindämmung von Software-Schwachstellen in Forschungscodes unerlässlich. Unternehmen implementieren Code-Review-Prozesse für kritische wissenschaftliche Anwendungen, automatisierte Test-Frameworks, die sowohl die wissenschaftliche Korrektheit als auch die Sicherheitseigenschaften validieren, sowie Sandboxing-Ansätze, die experimentelle Codes von den Produktionsrechenressourcen isolieren.

Was sind die Herausforderungen für die CI/CD- und Workflow-Sicherheit?

Die Verbreitung von automatisierten Workflow-Systemen in HPC-Umgebungen führt zu erheblichen Sicherheitsherausforderungen, da Unternehmen mehr als 300 verschiedene Workflow-Management-Tools verwalten, von denen jedes unterschiedliche Sicherheitsmodelle, Zugangsvoraussetzungen und Integrationsansätze aufweist.

Wissenschaftliche Workflow-Systeme reichen von einfachen Batch-Job-Übermittlungen bis hin zu komplexen Orchestrierungsplattformen für mehrere Einrichtungen, die Rechenressourcen über mehrere Institutionen hinweg koordinieren. Gängige Beispiele sind Pegasus, Kepler, Taverna und NextFlow, die jeweils für unterschiedliche wissenschaftliche Bereiche und Berechnungsmuster entwickelt wurden. Diese Vielfalt stellt eine Herausforderung für die Sicherheit dar, da jedes System unterschiedliche Authentifizierungsmechanismen erfordert, unterschiedlich ausgereift ist und sich unterschiedlich in die HPC-Infrastruktur integrieren lässt.

Die Verwaltung von Berechtigungsnachweisen für automatisierte Workflows stellt eine anhaltende Sicherheitsherausforderung dar. Wissenschaftliche Arbeitsabläufe erfordern oft den Zugriff auf mehrere Rechenanlagen, externe Datenbanken und Cloud-Ressourcen. Dies macht langlebige Zugangsdaten erforderlich, die unbeaufsichtigte Operationen über institutionelle Grenzen hinweg durchführen. Herkömmliche Ansätze zur Verwaltung von Zugangsdaten erweisen sich als unzureichend für die Anforderungen von Forschungscomputern.

Zu den üblichen Sicherheitsrisiken für Zugangsdaten gehören:

• Offenlegung von Umgebungsvariablen – Sensible Anmeldedaten, die in Shell-Umgebungen gespeichert werden und für andere Prozesse zugänglich sind
• Offenlegung von Befehlszeilenargumenten – Authentifizierungstoken, die in Prozesslisten und Systemprotokollen sichtbar sind
• Speicherung von Konfigurationsdateien – Klartext-Anmeldedaten in Workflow-Konfigurationsdateien, die von verschiedenen Forschungsteams gemeinsam genutzt werden
• Einrichtungsübergreifende Authentifizierung – Anmeldedaten, die den Zugang zu mehreren Einrichtungen und Cloud-Anbietern ermöglichen

Die externe Orchestrierung schafft zusätzliche Sicherheitsherausforderungen, da Workflow-Systeme Ressourcen über mehrere Organisationen, Cloud-Anbieter und internationale Forschungseinrichtungen hinweg koordinieren. Diese Systeme müssen die Anforderungen der Forschungszusammenarbeit mit Sicherheitskontrollen, Exportbeschränkungen und unterschiedlichen institutionellen Sicherheitsrichtlinien in Einklang bringen.

Automatisierte Workflows, die mehrere Einrichtungen umfassen, erfordern ausgeklügelte Mechanismen zur Delegation von Berechtigungen, die die Sicherheit aufrechterhalten und gleichzeitig einen nahtlosen Ressourcenzugriff über Organisationsgrenzen hinweg ermöglichen. Dazu gehören der Umgang mit unterschiedlichen Authentifizierungssystemen, die Verwaltung temporärer Berechtigungsübertragungen und die Sicherstellung von Prüfprotokollen über mehrere administrative Domänen hinweg.

Wie implementieren Sie Software-Bestandslisten (SBOM) für HPC?

Die Verwaltung des Softwareinventars in HPC-Umgebungen erfordert Ansätze, die dem dynamischen, forschungsorientierten Charakter des wissenschaftlichen Rechnens gerecht werden und gleichzeitig die nötige Transparenz für ein effektives Schwachstellenmanagement und Compliance-Reporting bieten.

Dynamische Forschungsumgebungen erschweren herkömmliche SBOM-Ansätze, da sich wissenschaftliche Computerinstallationen aufgrund der sich entwickelnden Forschungsanforderungen häufig ändern. Forscher installieren regelmäßig neue Softwarepakete, modifizieren bestehende Installationen mit benutzerdefinierten Patches und erstellen völlig neue Rechenumgebungen für spezielle Forschungsprojekte. Dadurch entstehen ständig neue Software-Inventare, die sich statischen Dokumentationsansätzen widersetzen.

Eine automatisierte Bestandsverfolgung ist für die Pflege genauer Software-Stücklisten in Umgebungen, in denen sich eine manuelle Verfolgung als unpraktisch erweist, unerlässlich. Zu den erfolgreichen Implementierungen gehören Container-basierte Ansätze, die komplette Softwareumgebungen erfassen, die Integration von Paketmanagern, die automatisch installierte Komponenten verfolgen, und Laufzeitanalyse-Tools, die tatsächliche Softwareabhängigkeiten während der Ausführung von Berechnungen aufdecken.

Das Aufspüren von Schwachstellen in sich ständig weiterentwickelnden Softwarestapeln erfordert automatisierte Ansätze, die die folgenden Fähigkeiten bieten:

• Überwachen von Upstream-Quellen – Verfolgen von Sicherheitshinweisen für Hunderte von wissenschaftlichen Softwareprojekten
• Beurteilen Sie den Umfang der Auswirkungen – Bestimmen Sie, welche Installationen und Forschungsprojekte von bestimmten Sicherheitslücken betroffen sind.
• Priorisierung der Abhilfemaßnahmen – Konzentrieren Sie Sicherheitsupdates auf die Softwarekomponenten, die das größte Risiko darstellen.
• Updates koordinieren – Verwalten Sie Software-Updates für mehrere Forschungsprojekte, ohne die laufenden Berechnungen zu unterbrechen.

Automatisierte Test- und Validierungs-Frameworks bieten Sicherheitsvorteile und unterstützen gleichzeitig die Forschungsproduktivität, indem sie sicherstellen, dass Software-Updates keine Rückschritte bei der wissenschaftlichen Genauigkeit oder der Rechenleistung mit sich bringen. Zu diesen Frameworks gehören kontinuierliche Integrationspipelines, die sowohl die Sicherheitseigenschaften als auch die wissenschaftliche Korrektheit validieren, automatisierte Regressionstests, die Änderungen in den Berechnungsergebnissen aufdecken, und Leistungs-Benchmarking, das sicherstellt, dass Sicherheitsaktualisierungen die Berechnungseffizienz nicht beeinträchtigen.

Container- und Umgebungsmanagement-Strategien helfen Unternehmen bei der Umsetzung effektiver SBOM-Praktiken, indem sie unveränderliche Softwareumgebungen bereitstellen, die vollständig dokumentiert, versionskontrolliert und sicherheitsvalidiert sind. Containerisierungsansätze wie Singularity und Docker ermöglichen es Unternehmen, reproduzierbare Rechenumgebungen zu schaffen und gleichzeitig klare Softwareinventare für die Sicherheitsanalyse zu führen.

Wie wenden verschiedene Branchen HPC-Sicherheitsstandards und Compliance-Anforderungen an?

Die Umsetzung der HPC-Sicherheit variiert stark zwischen den einzelnen Sektoren. Jeder Sektor sieht sich mit unterschiedlichen regulatorischen Anforderungen, betrieblichen Zwängen und Bedrohungslandschaften konfrontiert, die die Umsetzung der NIST-Standards in praktische Sicherheitsmaßnahmen beeinflussen.

Was sind die Anforderungen der Regierung und des Verteidigungsministeriums?

Staatliche HPC-Einrichtungen arbeiten unter strengen gesetzlichen Rahmenbedingungen, die weit über die Basisanforderungen der NIST SP 800-223 und SP 800-234 hinausgehen. Die nationalen Laboratorien des Energieministeriums müssen umfassende Richtlinien einhalten, darunter FIPS 199 für die Informationskategorisierung, NIST SP 800-53 für detaillierte Sicherheitskontrollen und NIST SP 800-63 für Richtlinien zur digitalen Identität, die die Authentifizierung und das Zugriffsmanagement für alle Rechenressourcen regeln.

Für diese Einrichtungen gelten absolute Verbote für bestimmte Arten der Informationsverarbeitung. Verschlusssachen, Unclassified Controlled Nuclear Information (UCNI), Naval Nuclear Propulsion Information (NNPI) und jegliche Daten zur Waffenentwicklung sind auf nicht klassifizierten HPC-Systemen strengstens untersagt. Verstöße haben schwerwiegende rechtliche Konsequenzen und den Entzug der Sicherheitsfreigabe der Einrichtung zur Folge.

Die Exportkontrollvorschriften führen zu einer zusätzlichen betrieblichen Komplexität, die sich insbesondere auf die internationale Zusammenarbeit und die Verwaltung der Ausrüstung auswirkt. Internationale Forscher können mit Zugangsbeschränkungen konfrontiert werden, während Hardwarekomponenten und Sicherheitstoken oft nicht über nationale Grenzen hinweg transportiert werden können. Diese Beschränkungen haben erhebliche Auswirkungen auf die wissenschaftliche Zusammenarbeit und erfordern eine sorgfältige Abstimmung mit den Compliance-Büros, um sicherzustellen, dass legitime Forschungsaktivitäten nicht versehentlich gegen die Vorschriften verstoßen.

Vor welchen Herausforderungen stehen akademische Einrichtungen und Forschungsinstitute?

Akademische Einrichtungen bewegen sich in einem grundlegend anderen Umfeld, in dem die Grundsätze der offenen Wissenschaft oft mit den notwendigen Sicherheitsbeschränkungen kollidieren. Forschungsuniversitäten müssen ein Gleichgewicht zwischen den Anforderungen an Transparenz und Zusammenarbeit und dem Schutz von sensiblen Forschungsdaten, geistigem Eigentum und Studenteninformationen finden.

Die Verwaltung der Sicherheit bei mehreren Forschungsprojekten mit unterschiedlichen Sensibilitätsstufen führt zu einer betrieblichen Komplexität, mit der kommerzielle Unternehmen nur selten konfrontiert werden. Eine einzige HPC-Einrichtung kann gleichzeitig nicht klassifizierte Grundlagenforschung, von der Industrie gesponserte proprietäre Projekte und von der Regierung finanzierte Forschung mit Exportkontrollbeschränkungen unterstützen. Jedes Projekt erfordert unterschiedliche Zugangskontrollen, Datenschutzmaßnahmen und Compliance-Berichte.

Die internationale Zusammenarbeit stellt für akademische Einrichtungen sowohl eine Chance als auch eine Herausforderung dar. Während die globale wissenschaftliche Zusammenarbeit Innovationen und Entdeckungen vorantreibt, führt sie auch zu Sicherheitsüberlegungen in Bezug auf den Zugang ausländischer Forscher, die gemeinsame Nutzung von Daten über nationale Grenzen hinweg und die Einhaltung unterschiedlicher internationaler Vorschriften. Die Universitäten müssen die Offenheit der Forschung aufrechterhalten und gleichzeitig die berechtigten Sicherheitsbedenken hinsichtlich ausländischer Einflussnahme und Technologietransfer berücksichtigen.

Was sind die Sicherheitsaspekte bei kommerziellen HPC-Umgebungen?

Kommerzielle HPC-Umgebungen stehen vor besonderen Herausforderungen im Zusammenhang mit der Cloud-Integration und hybriden Implementierungen. Viele Unternehmen kombinieren heute HPC-Ressourcen vor Ort mit Cloud-basierten Rechenkapazitäten und schaffen so Sicherheitsarchitekturen, die mehrere Verwaltungsbereiche und Sicherheitsmodelle umfassen. Dieser hybride Ansatz erfordert ein sorgfältiges Augenmerk auf die Datenhoheit, die Verwaltung von Berechtigungsnachweisen in verschiedenen Umgebungen und die einheitliche Durchsetzung von Sicherheitsrichtlinien.

Die Verwaltung von Anbietern in kommerziellen HPC-Umgebungen umfasst spezialisierte Hardware- und Softwareanbieter, die im Vergleich zu traditionellen Unternehmensanbietern möglicherweise nur über eine begrenzte Sicherheitsreife verfügen. Unternehmen müssen die Sicherheitspraktiken in der gesamten Lieferkette bewerten, von den Herstellern kundenspezifischer Siliziumkomponenten bis hin zu spezialisierten Entwicklern wissenschaftlicher Software.

Kommerzielle Umgebungen mit mehreren Mandanten stellen zusätzliche Sicherheitsherausforderungen dar, da Cloud-HPC-Anbieter mehrere Kunden-Workloads isolieren und gleichzeitig die Leistungsmerkmale beibehalten müssen, die HPC-Investitionen rechtfertigen. Dies erfordert eine ausgeklügelte Ressourcenisolierung, Netzwerksegmentierung und Überwachungsfunktionen, die über herkömmliche Cloud-Sicherheitsansätze hinausgehen.

Wie lassen sich diese Standards mit anderen Sicherheits-Frameworks integrieren?

Die Herausforderungen der Integration werden deutlich, wenn Organisationen die Anforderungen von FISMA und FedRAMP mit HPC-spezifischen Implementierungen in Einklang bringen müssen. Bundesbehörden, die HPC-Ressourcen in der Cloud nutzen, müssen sicherstellen, dass die Cloud-Anbieter die FedRAMP-Autorisierungsanforderungen erfüllen und gleichzeitig die in SP 800-234 beschriebenen HPC-spezifischen Kontrollen implementieren. Dies erfordert häufig eine kundenspezifische Implementierung von Sicherheitskontrollen, die beide Rahmenwerke gleichzeitig erfüllen.

NIST SP 800-171 spielt eine entscheidende Rolle, wenn HPC-Systeme kontrollierte, nicht klassifizierte Informationen (CUI) in Forschungsumgebungen verarbeiten. Akademische Einrichtungen und kommerzielle Forschungsorganisationen müssen die 110 Sicherheitsanforderungen von SP 800-171 umsetzen und gleichzeitig die für die Forschungsproduktivität wichtigen Leistungs- und Kollaborationseigenschaften beibehalten.

Das NIST Cybersecurity Framework bietet einen ergänzenden Ansatz, den viele Organisationen neben den HPC-spezifischen Standards verwenden. Der Schwerpunkt des Frameworks auf den Funktionen Identifizieren, Schützen, Erkennen, Reagieren und Wiederherstellen hilft Organisationen bei der Entwicklung umfassender Sicherheitsprogramme, die HPC-spezifische Kontrollen in breitere Cybersicherheitsstrategien einbinden.

Die Angleichung an ISO 27001/27002 in Forschungsumgebungen erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung der einzigartigen betrieblichen Merkmale des wissenschaftlichen Rechnens. Forschungseinrichtungen, die ISO-Standards implementieren, müssen herkömmliche Ansätze für das Informationssicherheitsmanagement anpassen, um dem kollaborativen, internationalen und leistungssensiblen Charakter des wissenschaftlichen Rechnens Rechnung zu tragen und gleichzeitig den systematischen Ansatz beizubehalten, den die ISO-Frameworks erfordern.

Warum sind HPC-Datensicherung und Backup so wichtig?

Der Schutz von HPC-Daten geht weit über herkömmliche Backup-Strategien für Unternehmen hinaus und erfordert spezielle Ansätze, die den einzigartigen Herausforderungen von Forschungsdaten im Petabyte-Bereich und der Recheninfrastruktur, die wichtige wissenschaftliche Entdeckungen unterstützt, gerecht werden. Eine wirksame Datensicherung in HPC-Umgebungen muss einen Ausgleich zwischen umfassenden Schutzanforderungen und Leistungsüberlegungen schaffen, die über die Produktivität der Forschung entscheiden.

Was unterscheidet HPC-Backup grundlegend von Enterprise-Backup?

Der Größenunterschied zwischen HPC- und Unternehmensumgebungen führt zu grundlegend anderen Backup-Herausforderungen, die herkömmliche Unternehmenslösungen für die Anforderungen des High-Performance-Computings unzureichend machen. Während Unternehmenssysteme in der Regel Terabytes an Daten verwalten, werden in HPC-Einrichtungen routinemäßig Datensätze im Petabyte- und Exabyte-Bereich verarbeitet, die eine herkömmliche Backup-Infrastruktur überfordern würden.

Datenmengen im Petabyte- und Exabyte-Bereich verwandeln Backup-Strategien von Routineaufgaben in große technische Herausforderungen. Ein einziger Forschungsdatensatz kann die gesamte Speicherkapazität ganzer Unternehmenssicherungssysteme übersteigen, während die Zeit, die für die Sicherung solcher Datensätze benötigt wird, bei herkömmlichen Ansätzen Wochen oder Monate betragen kann. Diese Größenordnung führt zu Szenarien, in denen ein vollständiges System-Backup angesichts der verfügbaren Backup-Fenster und Speicherressourcen mathematisch unmöglich wird.

Die Auswirkungen von Backup-Vorgängen auf die Leistung sind ein weiterer entscheidender Unterschied zu Unternehmensumgebungen. HPC-Systeme unterstützen gleichzeitige Rechenoperationen, die massive E/A-Lasten auf gemeinsam genutzten Speichersystemen erzeugen. Herkömmliche Backup-Ansätze, die Dateisysteme scannen oder Snapshot-Kopien erstellen, beeinträchtigen aktive Rechenaufgaben in der Regel erheblich, so dass Forschungsergebnisse möglicherweise ungültig werden oder Wochen an Rechenzeit verloren gehen.

Herkömmliche Backup-Lösungen für Unternehmen versagen in HPC-Umgebungen, weil sie von relativ stabilen Datenmustern und überschaubaren Datenmengen ausgehen. Backup-Tools für Unternehmen erwarten in der Regel strukturierte Datenbanken, Office-Dokumente und Anwendungsdaten mit vorhersehbaren Wachstumsmustern. HPC-Forschungsdaten bestehen oft aus riesigen wissenschaftlichen Datensätzen, komplexen Dateihierarchien mit Millionen von kleinen Dateien und Rechenergebnissen, die schneller erzeugt werden können, als es mit herkömmlichen Methoden möglich wäre, sie zu sichern.

NIST SP 800-234 geht auf diese Herausforderungen durch HPC-spezifische Backup-Kontrollen ein, einschließlich CP-6 (Alternate Storage Site), CP-7 (Alternate Processing Site) und CP-9 (Information System Backup) mit maßgeschneiderten Implementierungsanweisungen. Diese Kontrollen erkennen an, dass HPC-Backup-Strategien kritischen Systemkomponenten und unersetzlichen Forschungsdaten Vorrang einräumen müssen, anstatt eine umfassende Backup-Abdeckung anzustreben, die sich im HPC-Maßstab als unpraktisch erweist.

Was sind die besonderen Anforderungen an die HPC-Datensicherung?

Die HPC-Datensicherung erfordert eine strategische Priorisierung, die die verfügbaren Backup-Ressourcen auf die kritischsten und unersetzlichsten Datenkomponenten konzentriert und dabei in Kauf nimmt, dass ein umfassendes Backup aller Forschungsdaten angesichts der Größen- und Leistungsbeschränkungen unpraktisch oder unmöglich ist.

Konfigurationsdaten und kritische Projektdaten erhalten die höchste Schutzpriorität, da diese Komponenten für den Systembetrieb unerlässlich und oft unersetzlich sind. Systemkonfigurationen, Benutzer-Home-Verzeichnisse mit Forschungscode und Analyseskripten sowie Projekt-Metadaten müssen umfassend geschützt werden, da eine Wiederherstellung dieser Informationen extrem schwierig oder unmöglich wäre.

Parallele Dateisysteme, Burst Buffer und Kampagnenspeicher erfordern je nach ihrer Rolle im Berechnungsworkflow unterschiedliche Backup-Strategien. Parallele Dateisysteme wie Lustre, GPFS (General Parallel File System) und IBM Spectrum Scale unterstützen aktive Rechenlasten und erfordern Sicherungsansätze, die die Auswirkungen auf die Leistung minimieren. Burst Buffer bieten temporären Hochgeschwindigkeitsspeicher, der zwar keine herkömmliche Datensicherung erfordert, aber schnelle Wiederherstellungsmöglichkeiten benötigt. Kampagnenspeicher enthalten Zwischenergebnisse aus der Forschung, die aus Gründen des Forschungswertes und der Reproduzierbarkeit ein selektives Backup rechtfertigen können.

Zonenbasierte Backup-Strategien richten sich nach der Vier-Zonen-Architektur der NIST SP 800-223 und berücksichtigen, dass verschiedene Zonen unterschiedliche Backup-Anforderungen und Leistungseinschränkungen haben. Die Daten der Zugriffszone werden aufgrund ihrer externen Exposition möglicherweise häufig gesichert, während bei den Daten der Computerzone eher eine schnelle Wiederherstellung als eine umfassende Sicherung im Vordergrund steht.

Die Abwägung zwischen einem vollständigen System-Backup und einem selektiven Schutz spiegelt die praktische Realität wider, dass HPC-Einrichtungen strategische Entscheidungen über den Datenschutz auf der Grundlage von Forschungswert, Reproduzierbarkeitspotenzial und Wiederbeschaffungskosten treffen müssen. Unternehmen entwickeln Rahmenwerke für die Datenklassifizierung, die als Richtschnur für Backup-Entscheidungen dienen und sicherstellen, dass sich die Schutzressourcen auf die wichtigsten Forschungsressourcen konzentrieren.

Wie geht Bacula Enterprise mit der Datensicherung auf HPC-Ebene um?

Bacula Enterprise ist eine der wenigen kommerziellen Datensicherungslösungen, die speziell für die Skalierungs- und Leistungsanforderungen von HPC-Umgebungen entwickelt wurde und Funktionen bietet, die den einzigartigen Herausforderungen wissenschaftlicher Recheninfrastrukturen im Petabyte-Bereich gerecht werden.

Die Architektur von Bacula Enterprise wird den Leistungsanforderungen von HPC-Umgebungen durch verteilte Backup-Vorgänge gerecht, die sich auf mehrere Systeme und Speicherressourcen gleichzeitig erstrecken. Dieser verteilte Ansatz ermöglicht Backup-Vorgänge, die nicht an einzelnen Ausfallpunkten zu Engpässen führen, während der für die Datensicherung im HPC-Maßstab erforderliche Durchsatz aufrechterhalten wird, ohne aktive Rechenlasten zu beeinträchtigen.

Die Integration mit parallelen Dateisystemen wie Lustre, GPFS und IBM Spectrum Scale erfordert spezielle Ansätze, die die verteilte Natur dieser Speichersysteme verstehen. Bacula Enterprise bietet native Integrationsfunktionen, die mit den Metadaten und Datenverteilungsmustern paralleler Dateisysteme arbeiten und so effiziente Sicherungsvorgänge ermöglichen, die die inhärente Parallelität der HPC-Speicherinfrastruktur nutzen.

Die Unterstützung des zonenbasierten Sicherheitsmodells entspricht den Anforderungen von NIST SP 800-223, indem es Backup-Vorgänge ermöglicht, die die in der Vier-Zonen-Architektur definierten Sicherheitsgrenzen und Zugriffskontrollen respektieren. Dazu gehören Backup-Prozesse, die eine angemessene Sicherheitsisolierung zwischen den Zonen aufrechterhalten und gleichzeitig effiziente Datensicherungsvorgänge in der gesamten HPC-Infrastruktur ermöglichen.

Zu den wichtigsten Funktionen, die Bacula Enterprise für HPC-Umgebungen geeignet machen, gehören:

• Skalierbare Architektur – Verteilte Operationen, die mit dem Wachstum der HPC-Infrastruktur mitwachsen
• Performance-Optimierung – Backup-Vorgänge, die so konzipiert sind, dass sie die Auswirkungen auf die Rechenlast minimieren
• Integration paralleler Dateisysteme – Native Unterstützung für HPC-Speichersysteme und ihre besonderen Eigenschaften
• Flexible Aufbewahrungsrichtlinien – Datenlebenszyklusmanagement für Forschungsdaten mit unterschiedlichen Aufbewahrungsanforderungen
• Sicherheitsintegration – Backup-Vorgänge, die die Integrität der HPC-Sicherheitszonen und die Zugriffskontrollen aufrechterhalten

Welche zukünftigen Herausforderungen werden die HPC-Sicherheit beeinflussen?

Die HPC-Sicherheitslandschaft entwickelt sich rasant weiter, da neue Technologien und sich entwickelnde Bedrohungen neue Herausforderungen schaffen, denen aktuelle Standards und Praktiken gerecht werden müssen. Unternehmen, die heute HPC-Sicherheit implementieren, müssen nicht nur die aktuellen Anforderungen berücksichtigen, sondern sich auch auf technologische Fortschritte vorbereiten, die sowohl die Rechenkapazitäten als auch die Bedrohungslandschaft neu gestalten werden.

Wie werden sich aufkommende Technologien auf die Architektur auswirken?

Exascale Computing stellt den nächsten großen Sprung in der HPC-Leistung dar und bringt eine Rechenleistung, die die heutigen Systeme um Größenordnungen übertrifft. Diese Systeme werden über neuartige Beschleunigerarchitekturen, revolutionäre Netzwerktechnologien und Speichersysteme verfügen, die in noch nie dagewesenem Umfang arbeiten. Die Auswirkungen auf die Sicherheit umfassen exponentiell größere Angriffsflächen, neue Arten von Hardware-Schwachstellen und Leistungsanforderungen, die aktuelle Sicherheitsansätze unzureichend machen könnten.

Quantencomputertechnologien werden sich in zweifacher Hinsicht auf die HPC-Sicherheit auswirken – sowohl als schützenswerte Rechenressourcen als auch als Bedrohung für bestehende kryptografische Systeme. Kurzfristige Quantensysteme würden spezielle Sicherheitskontrollen zum Schutz von Quantenzuständen und zur Verhinderung von Dekohärenzangriffen erfordern, während längerfristige Quantenkapazitäten eine Migration zu kryptographischen Post-Quantum-Algorithmen in der gesamten HPC-Infrastruktur erforderlich machen werden.

Neue Netzwerktechnologien und Speicherlösungen wie photonische Verbindungen, persistente Speichersysteme und neuromorphe Rechnerarchitekturen werden Sicherheitsaktualisierungen der aktuellen zonenbasierten Modelle erfordern. Diese Technologien können die traditionellen Grenzen zwischen Rechen-, Speicher- und Netzwerkkomponenten verwischen und erfordern möglicherweise neue Sicherheitszonendefinitionen, die neuartige Architekturmuster widerspiegeln.

Auf welche sich entwickelnden Bedrohungen sollten sich Unternehmen vorbereiten?

Auf KI und maschinelles Lernen gestützte Angriffe stellen eine neue Bedrohungskategorie dar, die speziell auf HPC-Rechenressourcen abzielt. Angreifer könnten Angriffe entwickeln, die künstliche Intelligenz nutzen, um Schwachstellen in wissenschaftlichen Codes zu identifizieren, den Ressourcenverbrauch zu optimieren, um nicht entdeckt zu werden, oder bestimmte Forschungsbereiche für den Diebstahl geistigen Eigentums ins Visier zu nehmen. Diese Angriffe könnten sich als besonders gefährlich erweisen, da sie sich in Echtzeit an Verteidigungsmaßnahmen anpassen können.

Die Entwicklung der Sicherheit in der Lieferkette wird immer wichtiger, da HPC-Systeme spezialisierte Komponenten von globalen Lieferanten enthalten. Künftige Bedrohungen könnten auf kundenspezifische Siliziumdesigns, in Beschleunigern eingebettete Firmware oder spezielle Softwarebibliotheken abzielen, die für neu entstehende Berechnungsparadigmen entwickelt wurden. Die Herausforderung besteht in der Entwicklung von Verifizierungsfunktionen für Komponenten, die immer komplexer und spezieller werden.

Die Integration von Edge Computing wird die HPC-Fähigkeiten auf verteilte Sensornetzwerke, autonome Systeme und Echtzeit-Rechenanforderungen ausdehnen, die derzeitige zentralisierte Modelle nicht unterstützen können. Diese Integration wird die traditionelle Vier-Zonen-Architektur in Frage stellen, indem sie verteilte Rechenelemente einführt, die Sicherheitskontrollen erfordern und gleichzeitig in potenziell feindlichen Umgebungen mit begrenzter administrativer Aufsicht arbeiten.

Die Konvergenz dieser Trends deutet darauf hin, dass die künftige HPC-Sicherheit dynamischere, anpassungsfähigere Ansätze erfordert, die auf die sich schnell verändernden technologischen Fähigkeiten und Bedrohungslandschaften reagieren und gleichzeitig die für wissenschaftliche Entdeckungen und Innovationen wichtigen Leistungsmerkmale beibehalten.

Schlussfolgerung: Wie sieht wirksame HPC-Sicherheit aus?

Effektive HPC-Sicherheit entsteht in Organisationen, die erfolgreich ein Gleichgewicht zwischen Forschungsproduktivität und umfassendem Schutz herstellen, indem sie zonenbasierte Architekturen, leistungsbewusste Sicherheitskontrollen und Modelle der geteilten Verantwortung implementieren, die sowohl die Betreiber der Einrichtungen als auch die Forschungsnutzer einbeziehen. Die erfolgreichsten Implementierungen betrachten Sicherheit nicht als Hindernis für wissenschaftliche Entdeckungen, sondern als Mittel, das wertvolle Rechenressourcen und Forschungsinvestitionen schützt und gleichzeitig die kooperativen, leistungsstarken Eigenschaften beibehält, die für den Fortschritt wissenschaftlicher Erkenntnisse unerlässlich sind.

Zu den kritischen Erfolgsfaktoren für die Umsetzung von NIST SP 800-223 und SP 800-234 gehören das Engagement der Organisation für das Modell der geteilten Verantwortung, Investitionen in Sicherheitstools und -prozesse, die für HPC-Größe und -Leistungsanforderungen ausgelegt sind, sowie die kontinuierliche Anpassung an sich entwickelnde Bedrohungen und technologische Möglichkeiten. Unternehmen müssen erkennen, dass HPC-Sicherheit spezielles Fachwissen, engagierte Ressourcen und eine langfristige strategische Planung erfordert, die über die traditionellen IT-Sicherheitsansätze für Unternehmen hinausgeht.

Die Sicherheitslandschaft entwickelt sich mit den fortschreitenden HPC-Fähigkeiten, aufkommenden Bedrohungen und neuen Technologien weiter, die sowohl die Rechenarchitekturen als auch die Schutzanforderungen neu gestalten werden. Erfolgreiche Unternehmen bleiben bei ihren Sicherheitsimplementierungen flexibel und halten sich gleichzeitig an bewährte Architekturprinzipien. So stellen sie sicher, dass ihre HPC-Infrastruktur sowohl aktuelle Forschungsaufgaben als auch künftige wissenschaftliche Durchbrüche unterstützt und gleichzeitig einen angemessenen Schutz vor sich entwickelnden Cyber-Bedrohungen bietet.

Wichtige Erkenntnisse

• HPC-Sicherheit erfordert spezielle Ansätze, die sich aufgrund der einzigartigen Leistungsanforderungen und forschungsorientierten Betriebsmodelle grundlegend von der IT-Sicherheit in Unternehmen unterscheiden
• NIST SP 800-223 und SP 800-234 bieten umfassende Anleitungen durch eine zonenbasierte Architektur und maßgeschneiderte Sicherheitskontrollen, die Schutz und Rechenleistung in Einklang bringen
• Eine erfolgreiche Implementierung hängt von Modellen mit geteilter Verantwortung ab, bei denen die Betreiber von Einrichtungen den Schutz der Infrastruktur verwalten, während die Nutzer in der Forschung die Sicherheitspraktiken auf Anwendungsebene handhaben.
• Die Sicherheit der Software-Lieferkette stellt aufgrund komplexer Abhängigkeiten, verschiedener Workflow-Systeme und gemeinsamer Entwicklung, die ein kontinuierliches Schwachstellenmanagement erfordert, eine ständige Herausforderung dar.
• Strategien zum Schutz von Daten müssen auf die HPC-Skala zugeschnitten sein, indem selektive Backup-Ansätze und spezielle Tools verwendet werden, die für Datensätze im Petabyte-Bereich ohne Leistungseinbußen entwickelt wurden.
• Künftige HPC-Sicherheit erfordert adaptive Ansätze, die auf neu entstehende Technologien wie Exascale Computing reagieren und gleichzeitig auf sich entwickelnde Bedrohungen wie KI-gestützte Angriffe reagieren.