In der heutigen Welt moderner Softwareentwicklung sind Microservices ein bewährter Ansatz, um skalierbare und wartbare Systeme zu schaffen. Sie ermöglichen es, komplexe Anwendungen in kleinere, spezialisierte Dienste aufzuteilen, die unabhängig voneinander entwickelt, bereitgestellt und skaliert werden können. Doch mit dieser Flexibilität gehen auch neue Herausforderungen einher, insbesondere im Bereich der Sicherheit und Datenintegrität. Eine zentrale Schwachstelle vieler Microservices liegt in der Art und Weise, wie Datenobjekte während der Ausführung verarbeitet werden. Die Mutable-State-Problematik, also die Veränderbarkeit von Objekten während der Laufzeit, führt nicht selten zu schwerwiegenden Sicherheitslücken wie Race Conditions, Datenlecks und Time-of-Check-to-Time-of-Use (TOCTOU) Angriffe.
Hier bieten C# Records einen entscheidenden Vorteil durch ihre eingebaute Unveränderlichkeit (Immutability), die viele der bekannten Schwächen klassischer Klassen eliminiert und so Microservices grundlegend sicherer macht. Mutable Objekte als Angriffsvektor Traditionell werden in C# Klassen verwendet, um Datenobjekte zu modellieren. Diese Klassen besitzen oft mutable Eigenschaften, was bedeutet, dass ihre Werte nach der Erstellung verändert werden können. Dies führt zu mehreren potenziellen Problemen. Beispielsweise kann ein Objekt zwischen der Validierung und der Verarbeitung verändert werden, wodurch Validierungsschritte umgangen werden – ein klassisches TOCTOU-Problem.
Des Weiteren können mehrere Threads gleichzeitig auf dieselben instanziierten Objekte zugreifen und deren Zustand verändern, was Race Conditions hervorruft. Diese Zustände führen zu inkonsistenten Daten, unvorhersehbarem Verhalten und im schlimmsten Fall zur Offenlegung von sensitiven Informationen. Ein typisches Beispiel hierfür ist ein Service zur Berechnung von Rabatten in einem Multi-Tenant-E-Commerce-System. Wenn mutable Objekte oder gemeinsam genutzte Caches eingesetzt werden, kann es passieren, dass Daten verschiedener Kunden untereinander durchmischt werden. Dabei kann ein Kunde Rabatte oder Preisinformationen eines anderen Kunden sehen, was nicht nur einen gravierenden Datenschutzverstoß darstellt, sondern auch finanzielle Schäden nach sich zieht.
C# Records und die Macht der Unveränderlichkeit Mit der Einführung von C# 9.0 wurden Records eingeführt – eine besondere Referenztyp-Definition, die speziell für unveränderliche Datenmodelle entworfen wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichen Klassen setzen Records auf die Init-Only-Eigenschaften, sodass Werte nur während der Objektinitialisierung gesetzt werden dürfen. Nach der Erstellung sind die Objekte strikt unveränderlich. Durch diese Designentscheidung bietet das Sprachfeature eine deklarative Absicherung gegen viele Sicherheitsrisiken.
Durch die Verwendung von Records entsteht eine starke Garantiekette, da Kompilierungsfehler unveränderliche Objekte erzwingen und Änderungen während der Laufzeit ausschließen. Diese Eigenschaft trägt besonders in Microservices-Architekturen dazu bei, dass die durch Prozess- oder Threadgrenzen übertragenen Daten stets im validen, unveränderten Zustand bleiben. Die unveränderlichen Objekte können bedenkenlos von mehreren Threads oder Services parallel genutzt werden, ohne dabei Inkonsistenzen oder Datenkorruption zu riskieren. Verbesserte Microservice-Architektur durch stateless Design Ein häufiger Fehler in der Microservices-Entwicklung ist die Speicherung von zustandsbehafteten Daten in Instanzvariablen, was die Gefahr von Datenlecks und Race Conditions deutlich erhöht. Im Gegensatz dazu ermöglichen C# Records eine volle Konzentration auf das stateless Design.
Jeder Serviceaufruf erhält eine eigene Kopie der unveränderlichen Daten und hält keine persistenten oder zwischen Aufrufen geteilten zustandsveränderlichen Felder. Das hat nicht nur Sicherheitsvorteile – es stellt auch sicher, dass die Microservices unabhängig und thread-sicher agieren. Wenn beliebig viele Anfragen parallel eingehen, konkurrieren sie nicht mehr um dieselben Datenstrukturen, wodurch Fehler und unvorhersehbares Verhalten nahezu ausgeschlossen sind. Die Ergebnisse jeder Anfrage sind garantiert konsistent und isoliert. Eindrucksvoll zeigt sich dieser Vorteil in der Neugestaltung eines rabattberechnenden Dienstes, der zuvor gemeinsame, mutable Caches und Instanzvariablen verwendet hat und dadurch kritische Sicherheitsmängel aufwies.
Durch Migration auf C# Records und vollständige Eliminierung statischer Felder wird der Dienst sicher, performanter und auditierbar. Schutz vor Mass Assignment und Parameter-Tampering Ein weiterer Sicherheitsaspekt, den Records erleichtern, ist die Vermeidung von Mass Assignment-Angriffen. Solche Angriffe entstehen häufig, wenn APIs mehr Eigenschaften akzeptieren als beabsichtigt, sodass Angreifer sensible Felder unerlaubt überschreiben können. Records mit required init-Only-Eigenschaften definieren eine explizite und eindeutige Schnittstelle, die es unmöglich macht, Felder außerhalb der vorgegebenen Parameter zu manipulieren. Ferner können gemeinsam mit Factory-Methoden oder privaten Konstruktoren komplexe Validierungsregeln umgesetzt werden, die zur Laufzeit eine korrekte und vollständige Objekterstellung garantieren.
Die Möglichkeit, mit dem with-Ausdruck neue Instanzen bei modifizierten Parametern zu erzeugen, unterstützt zudem den Bedarf an sicheren Zustandsübergängen. Indem man neue unveränderliche Objekte erstellt statt bestehende zu verändern, entsteht automatisch eine Änderungsverfolgung, die Audit Trails erleichtert und das Risiko inadäquater Manipulationen reduziert. Alternativen und Ergänzungen Während C# Records ein sehr leistungsfähiges Mittel zur Erhöhung der Sicherheit in Microservices darstellen, sind sie nicht die einzige Möglichkeit. Readonly-Structs können in bestimmten Szenarien eine bessere Performanz ermöglichen. Ebenso können init-Only-Properties nachträglich zu bestehenden Klassen hinzugefügt werden, um schrittweise mehr Unveränderlichkeit zu erreichen.
Für komplexe, tief verschachtelte Objekte bieten sich immutable Collections aus System.Collections.Immutable an, welche die Unveränderlichkeit auch auf Sammlungen und Listen ausdehnen. Dennoch stellen Records für die meisten Microservices die beste Kombination aus Einfachheit, Lesbarkeit, Performance und vor allem Sicherheit dar – ein wertvolles Werkzeug für Entwickler, die belastbare und sichere API-Systeme bauen wollen. Leistungsaspekte und Grenzen Das Verwenden von Records bringt in typischen Web-API-Szenarien kaum nennenswerte Performanceeinbußen mit sich, da moderne .
NET-Laufzeitumgebungen die Speicherverwaltung und Garbage Collection optimiert haben. Für besonders große Datenobjekte oder Szenarien mit hoher Änderungsfrequenz sollte dennoch die Balance zwischen immutabler Sicherheit und Performance geprüft werden. Hier kann eine bewusste Objektgestaltung, etwa durch gezielte Sichtbarkeitsregelungen oder den Einsatz von Referenzen für große Kollektionen, helfen, unnötigen Overhead zu vermeiden. Solange die Anwendung den Fokus auf die sichere und wartbare Microservices-Architektur legt, sind diese Abwägungen gut beherrschbar und überwiegen bei weitem die durch Mutable-Objekte entstehenden Risiken. Fazit Die Sicherheit von Microservices ist eine komplexe Herausforderung, die bereits auf der Ebene der Datenmodellierung beginnen muss.
Mutable Objekte erzeugen Angriffsflächen für Race Conditions, TOCTOU-Probleme, Mass Assignment und Datenlecks, die sich durch Architektur und Code-Design nur schwer vollständig eliminieren lassen. C# Records setzen genau hier an, indem sie Unveränderlichkeit als integralen Bestandteil etablieren. Durch unveränderliche Datenobjekte, stateless Services und explizit definierte Datenverträge erhöhen Records die Widerstandsfähigkeit gegen eine breite Palette von Sicherheitsrisiken. Entwickler können auf diese Weise robustere, wartbarere und skalierbarere Systeme erstellen, die von Grund auf sicher konzipiert sind. Beim nächsten Entwurf oder Refactoring von Microservices sollten Entwickler und Architekten daher die Vorteile von C# Records bewusst nutzen und mit Immutability die Sicherheit und Stabilität ihrer Anwendungen steigern.
In einer Zeit stetig wachsender Cyberbedrohungen ist dies ein entscheidender Schritt hin zu zukunftsfähiger Softwareentwicklung.
