Tài liệu Nghiên cứu một số vấn đề bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG VŨ ĐỨC HÙNG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƯỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên- 2012 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy PGS. TS . Trịnh Nhật Tiến đã định hướng và nhiệt tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt chuyên môn trong quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các thầy, các cô đã giảng dạy và truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho chúng tôi trong suốt hai năm học cao học tại trường Đại học CNTT&TT - Đại học Thái Nguyên. Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp, những người luôn gần gũi động viên, chia sẻ cùng tôi trong suốt thời gian học tập và làm làm luận văn tốt nghiệp. Xin cảm ơn gia đình và các bạn của tôi, những người đã luôn bên cạnh, động viên và khích lệ tôi để có được kết quả như ngày hôm nay. Cuối cùng tôi chúc các thầy, các cô, các bạn, những người thân yêu nhất của tôi sức khoẻ, hạnh phúc và thành đạt trong cuộc sống. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2012 Vũ Đức Hùng ii LỜI CAM ĐOAN Tôi là Vũ Đức Hùng, học viên lớp cao học khoá 2010-2012 ngành CNTT, chuyên ngành Khoa học máy tính. Tôi xin cam đoan bài luận văn "Nghiên cứu một số vấn đề Bảo vệ thông tin trong Hệ thống tính toán lưới" là do tôi nghiên cứu, tìm hiểu dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Trịnh Nhật Tiến, không phải sự sao chép của người khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này. Thái Nguyên, tháng 10 năm 2012 Tác giả Vũ Đức Hùng Lớp Cao học KHMT 2010-2012 MỤC LỤC iii LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................ii MỤC LỤC..................................................................................................................iii DANH MỤC BẢNG...................................................................................................v DANH MỤC HÌNH...................................................................................................vi MỞ ĐẦU......................................................................................................................1 Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƯỚI...........................2 VÀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI.....................................2 1.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƯỚI.......................................2 1.1.1. Khái niệm Tính toán lưới..........................................................................2 1.1.2. Lợi ích của tính toán lưới..........................................................................4 1.1.2.1. Khai thác những nguồn tài nguyên chưa được sử dụng đúng mức 4 1.1.2.2. Giúp cân bằng trong sử dụng tài nguyên..........................................4 1.1.2.3. Khả năng thực hiện tính toán song song..........................................5 1.1.2.4. Chia sẻ nguồn tài nguyên đặc biệt....................................................6 1.1.2.5. Phạm vi ứng dụng.............................................................................6 1.1.3. Các thành phần của hệ thống tính toán lưới..............................................7 1.1.4. Kiến trúc chung của lưới...........................................................................8 1.2. BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI...................................12 1.2.1. Vấn đề cơ bản của một hệ thống tính toán lưới......................................12 1.2.1.1. Bảo vệ thông tin...............................................................................12 1.2.1.2. Lập lịch và quản lý tài nguyên........................................................12 1.2.1.3. Dịch vụ thông tin.............................................................................13 1.2.1.4. Quản lý dữ liệu................................................................................13 1.2.2. Hệ thống bảo vệ thông tin.......................................................................13 1.2.2.1. Một số khái niệm.............................................................................13 1.2.2.2. Yêu cầu an toàn thông tin trên lưới................................................15 1.2.2.3. Các chính sách bảo đảm an toàn thông tin.....................................18 1.2.2.4. Kiến trúc bảo vệ thông tin...............................................................20 1.2.2.5. Cơ sở hạ tầng bảo vệ thông tin trong lưới tính toán.......................25 Chương 2. VẤN ĐỀ BẢO VỆ THÔNG TIN..........................................................28 TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƯỚI...........................................................28 2.1. VẤN ĐỀ XÁC THỰC THỰC THỂ SỬ DỤNG LƯỚI.................................28 2.1.1.Phương pháp sử dụng chữ ký số..............................................................28 2.1.1.1. Sơ đồ chữ ký số [2]..........................................................................28 2.1.1.2. Chữ ký RSA.....................................................................................29 2.1.1.3. Chữ ký Elgamal...............................................................................30 2.1.1.4. Quy trình tạo và kiểm tra chữ ký số................................................31 2.1.2. Sử dụng Chữ ký số xác thực người sử dụng...........................................35 2.2. VẤN ĐỀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRÊN ĐƯỜNG TRUYỀN LƯỚI...........36 2.2.1. Phương pháp mã hoá...............................................................................36 2.2.1.1. Hệ mã hoá [2]..................................................................................36 2.2.1.2.Hệ mã hoá khoá đối xứng......................................................................37 iv 2.2.1.3. Hệ mã hoá khoá phi đối xứng..............................................................49 2.2.1.4. Sử dụng phương pháp mã hoá bảo mật thông tin trên đường truyền lưới....................................................................................................54 2.2.2. Phương pháp tạo đại diện thông điệp......................................................55 2.2.2.1. Cấu trúc hàm băm mật mã..............................................................55 2.2.2.2. Đặc tính của hàm băm.....................................................................56 2.2.2.3.Thuật toán băm SHA........................................................................56 2.2.2.4. Sử dụng phương pháp tạo đại diện thông điệp để kiểm tra tính toàn vẹn................................................................................................................. 60 Chương 3. THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH BẢO VỆ THÔNG TIN............61 3.1. THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH MÃ HOÁ..............................................61 3.1.1. Bài toán....................................................................................................61 3.1.2. Cài đặt chương trình................................................................................61 3.1.3. Các thành phần chương trình..................................................................61 3.1.4. Sử dụng chương trình..............................................................................61 3.2. THỬ NGHIỆM CHƯƠNG TRÌNH KÝ SỐ..................................................64 3.2.1. Bài toán....................................................................................................64 3.2.2. Cài đặt chương trình................................................................................64 3.2.3. Các thành phần chương trình..................................................................64 3.2.4. Sử dụng chương trình..............................................................................65 KẾT LUẬN................................................................................................................67 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................68 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Bảng hoán vị khởi đầu.............................................................................42 v Bảng 2.2 Bảng khoá chuyển đổi.............................................................................42 Bảng 2.3 Bảng số bít dịch của một vòng................................................................43 Bảng 2.4 Bảng hoán vị nén......................................................................................43 Bảng 2.5 Bảng hoán vị mở rộng E..........................................................................44 Bảng 2.6 Hộp S thứ nhất..........................................................................................44 Bảng 2.7 Hộp S thứ hai............................................................................................45 Bảng 2.8 Hộp S thứ ba.............................................................................................45 Bảng 2.9 Hộp S thứ tư..............................................................................................45 Bảng 2.10 Hộp S thứ năm........................................................................................45 Bảng 2.11 Hộp S thứ sáu..........................................................................................46 Bảng 2.12 Hộp S thứ bảy.........................................................................................46 Bảng 2.13 Hộp S thứ tám.........................................................................................46 Bảng 2.14 Hộp hoán vị P..........................................................................................47 Bảng 2.15 Bảng hoán vị cuối cùng..........................................................................47 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Minh hoạ về tính toán lưới.......................................................................3 vi Hình 1.2 Minh hoạ tổ chức ảo...................................................................................5 Hình 1.3 Các thành phần theo mô hình chức năng................................................7 Hình 1.4 Kiến trúc phân tầng lưới............................................................................9 Hình 1.5 Miền tin tưởng chung của các tổ chức ảo..............................................17 Hình 1.6 Mô hình kiến trúc bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lưới.....21 Hình 2.1 Sơ đồ tạo chữ ký số của thông điệp........................................................32 Hình 2.2 Sơ đồ đọc và xác thực một tài liệu được ký bằng chữ ký số................34 Hình 2.3 Mã hoá với khoá mã và giải mã giống nhau..........................................37 Hình 2.4 Sơ đồ mã hoá DES....................................................................................39 Hình 2.5 Một vòng lặp của DES.............................................................................41 Hình 2.6 Mã hoá với khoá mã và giải mã khác nhau...........................................49 Hình 2.7 Bảo mật thông tin bằng mã hóa theo đường truyền............................54 Hình 2.8 Xử lý thông tin trong SHA-1...................................................................59 Hình 2.9 Kiểm tra tính toàn vẹn bằng phương pháp tạo đại diện thông điệp.60 Hình 3.1 Chương trình mã hoá..............................................................................62 Hình 3.2 Tạo khoá bí mật, công khai....................................................................62 Hình 3.3 Mã hoá chuỗi Hexadecimal....................................................................63 Hình 3.4 Giải mã dùng hệ mã hoá RSA.................................................................63 Hình 3.5 Mã hoá file dữ liệu dùng hệ DES............................................................64 Hình 3.6 Giải mã file dữ liệu dùng hệ DES...........................................................64 Hình 3.7 Chương trình ký số RSA..........................................................................65 Hình 3.8 Tạo khoá bí mật, công khai.....................................................................65 Hình 3.9 Ký tài liệu...................................................................................................66 Hình 3.10 Xác thực chữ ký.....................................................................................66 1 MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, đã xuất hiện những bài toán trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi sức mạnh tính toán mà một máy tính riêng lẻ không thể đảm trách. Xuất phát từ những nhu cầu đó, các kỹ thuật tính toán song song, tính toán phân tán đã được đề xuất và đã phần nào đáp ứng được các yêu cầu này. Tuy nhiên, con người vẫn muốn có một sức mạnh tính toán lớn hơn, với khả năng chia sẻ tài nguyên giữa mọi người trên phạm vi toàn cầu, khả năng tận dụng các phần mềm cũng như tài nguyên vật lý phân tán cả về mặt địa lý. Tính toán lưới ra đời nhằm giải quyết yêu cầu trên. Tính toán lưới đã mở ra các giải pháp mới cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng tính toán lớn. Tính toán lưới có thể được sử dụng cho các bài toán nghiên cứu về sinh học, y học, vật lý, hoá học...cũng như các ứng dụng trong phân tích và đánh giá tài chính, khai thác dữ liệu và rất nhiều các loại ứng dụng khác. Bảo vệ thông tin là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong hệ thống tính toán lưới. Vì vậy, mục đích của luận văn là tìm hiểu, trình bày tổng quan về Hệ thống tính toán lưới. Trên cơ sở đó đi sâu tìm hiểu một số phương pháp bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lưới. Bố cục của luận văn gồm: Chương 1. Khái quát về Hệ thống tính toán lưới và bảo vệ thông tin trong tính toán lưới, trình bày khái niệm, các thành phần, kiến trúc và lợi ích của tính toán lưới. Các vấn đề cơ bản của tính toán lưới và hệ thống bảo vệ thông tin. Chương 2. Một số vấn đề bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lưới, trình bày việc giải quyết hai vấn đề xác thực thực thể sử dụng lưới và bảo vệ thông tin trên đường truyền lưới. Chương 3. Thử nghiệm chương trình bảo vệ thông tin, cài đặt chương trình mã hoá và chương trình ký số. Phần kết luận, trình bày tóm tắt kết quả đạt được và hướng phát triển. 2 Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƯỚI VÀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI 1.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƯỚI 1.1.1. Khái niệm Tính toán lưới Tuỳ theo quan niệm và cách xây dựng hệ thống trong thực tế, mỗi tổ chức hoặc cá nhân đưa ra những định nghĩa khác nhau về lưới. Một định nghĩa về Lưới tính toán (Computing Grid) khá hoàn chỉnh được đưa ra bởi tiến sĩ Ian Foster như sau: “ Lưới tính toán là một loại hệ thống song song, phân tán cho phép chia sẻ, lựa chọn. Kết hợp các tài nguyên phân tán theo địa lý, thuộc nhiều tổ chức khác nhau, dựa trên tính sẵn sàng, khả năng chi phí của chúng và yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) của người dùng để giải quyết các bài toán, ứng dụng có quy mô lớn trong khoa học, kỹ thuật và thương mại. Từ đó hình thành nên các “ tổ chức ảo” (Vitual Organization(VO)), các liên minh tạm thời giữa các tổ chức và tập đoàn, liên kết với nhau để chia sẻ tài nguyên và / hoặc kỹ năng nhằm đáp ứng tốt hơn các cơ hội kinh doanh hoặc các dự án có nhu cầu lớn về tính toán và dữ liệu, toàn bộ việc liên minh này dựa trên các mạng máy tính”. Còn dưới quan điểm của một số công ty và liên minh phát triển lưới trên thế giới thì tính toán lưới được định nghĩa như sau [8]: Định nghĩa của Oracle: Tính toán lưới là việc liên kết nhiều máy chủ và thiết bị lưu trữ thành một siêu máy tính nhằm tối ưu hóa được tính ưu việt của các hệ thống máy chủ cũng như hệ thống ứng dụng, nhờ đó giảm thiểu đến mức thấp nhất chi phí. Định nghĩa của IBM: Tính toán lưới là một môi trường tính toán ảo. Môi trường này cho phép bố trí song song, linh hoạt, chia sẻ, tuyển lựa, tập hợp các nguồn tài nguyên hỗn hợp về mặt địa lý, tùy theo mức độ sẵn sàng, hiệu suất, chi phí của các tài nguyên tính toán và yêu cầu về chất lượng dịch vụ của người sử dụng. 3 Định nghĩa của liên minh điện toán lưới: Môi trường tính toán lưới được hiểu như một hạ tầng kết nối hệ thống máy tính, hệ thống mạng, hệ thống cơ sở dữ liệu được sở hữu và quản lý bởi nhiều tổ chức, cá nhân nhằm cung cấp môi trường tính toán ảo duy nhất với hiệu năng cao cho người sử dụng. Trong luận văn sẽ không đưa ra định nghĩa nào, nhưng để có một cái nhìn toàn diện về tính toán lưới, ta xem xét khái niệm tính toán lưới theo một số đặc điểm chung sau: - Kích thước lớn: Theo số lượng tài nguyên và khoảng cách địa lý giữa chúng. - Phân tán: Có độ trễ đáng kể trong truyền dữ liệu, tài nguyên trải dài trên các vùng địa lý khác nhau. - Động: Các tài nguyên có thể thay đổi khi ứng dụng đang được thực hiện. - Hỗn tạp: Kiến trúc và tính chất của các nút lưới có thể là hoàn toàn khác nhau. Tài nguyên lưới có thể là các máy đơn hoặc mạng con khác nhau. - Vượt qua phạm vi một tổ chức: Có nhiều trạm và các chính sách truy nhập có thể khác nhau trên các trạm, tổng thể lưới sẽ tạo ra một tổ chức ảo thống nhất. Có thể hình dung đơn giản một lưới bao gồm một tập các tài nguyên đa dạng (còn gọi là nút lưới có thể là PC, hệ thống lưu trữ….) thuộc về nhiều tổ chức khác nhau nhằm giải quyết một bài toán nào đó. Hình 1.1 Minh hoạ về tính toán lưới 4 1.1.2. Lợi ích của tính toán lưới Những lợi ích mà tính toán lưới mang lại [8] bao gồm: 1.1.2.1. Khai thác những nguồn tài nguyên chưa được sử dụng đúng mức Ứng dụng cơ bản nhất của tính toán lưới chính là chạy một ứng dụng hiện hữu trên một máy tính khác. Công việc được yêu cầu có thể chạy trên một máy rỗi đâu đó trong mạng lưới. Cần ít nhất hai điều kiện tiên quyết để thực hiện yêu cầu này. Thứ nhất, ứng dụng phải có khả năng thực hiện từ xa; Thứ hai, máy từ xa phải đáp ứng được những yêu cầu về phần cứng, phần mềm hoặc những yêu cầu về tài nguyên khác cho ứng dụng. Trong thực tế, các máy có thể để trống một dung lượng đĩa khá lớn. Tính toán lưới có khả năng tập hợp các không gian nhớ trống này thành một bộ nhớ ảo lớn hơn, tạo ra sự cải thiện hiệu năng và độ tin cậy cao hơn. Thực vậy, giả sử một ứng dụng cần đọc rất nhiều dữ liệu, dữ liệu này có thể được tự động nhân bản tại nhiều điểm chiến lược trên lưới. Như vậy, nếu ứng dụng phải xử lý trên một máy từ xa trong lưới, dữ liệu đã ở ngay đó hay hoặc gần đó, và do vậy không cần phải di chuyển đến điểm xa xôi. Điều này tạo ra những lợi ích về hiệu năng, đồng thời, việc sao chép dữ liệu như vậy có thể được sử dụng như những bản sao lưu khi bản gốc bị hư hại hoặc không sẵn sàng. 1.1.2.2. Giúp cân bằng trong sử dụng tài nguyên Khi một ứng dụng đòi hỏi quá nhiều tài nguyên thì rõ ràng một hệ thống đơn lẻ không đủ sức để đáp ứng nó. Giải pháp ở đây là chúng có thể được chuyển đến những hệ thống chưa được sử dụng đúng mức. Nói cách khác là ứng dụng đó có thể được phân tán ra từng phần để hoàn thành trên nhiều hệ thống khác nhau. Tóm lại, lưới có thể đảm bảo tính nhất quán để cân bằng tải trên một tập rộng lớn các tài nguyên. 5 1.1.2.3. Khả năng thực hiện tính toán song song Khả năng tính toán song song là một trong những đặc điểm thú vị nhất của tính toán lưới. Yêu cầu chung của việc thực hiện tính toán song song là các ứng dụng được thiết kế sao cho nó có thể được chia nhỏ thành các phần chạy độc lập với nhau. Một ứng dụng có yêu cầu tính toán lớn trên lưới có thể chia thành các công việc nhỏ hơn, mỗi công việc này có thể được thực hiện trên một máy nào đó trong lưới. Mức độ liên quan giữa các công việc con càng thấp thì ứng dụng càng tối ưu. Một đóng góp quan trọng khác của tính toán lưới là cho phép đơn giản hoá sự tương tác giữa các lĩnh vực, hệ thống, lĩnh vực rộng hơn. Tính toán lưới cung cấp những tiêu chuẩn quan trọng cho phép các hệ thống không đồng nhất có thể làm việc với nhau để hình thành một hệ thống tính toán ảo lớn với những nguồn tài nguyên ảo khác nhau. Người dùng lưới có thể được tổ chức động vào trong một số tổ chức ảo, mỗi tổ chức có những yêu cầu chính sách khác nhau. Những tổ chức ảo này cũng có thể chia sẻ tài nguyên với nhau và tập hợp lại trong một lưới lớn hơn. Hình 1.2 Minh hoạ tổ chức ảo Một ưu điểm nổi bật của sự hợp tác là chia sẻ về dữ liệu. Những file hoặc cơ sở dữ liệu có thể mở rộng thông suốt qua nhiều hệ thống, như vậy sẽ có khả năng khai thác được nhiều hơn bất cứ hệ thống đơn lẻ nào. 6 1.1.2.4. Chia sẻ nguồn tài nguyên đặc biệt Ngoài việc chia sẻ CPU và các nguồn tài nguyên lưu trữ, một lưới có thể cung cấp các dịch vụ cho phép truy nhập tới các thiết bị đặc biệt, phần mềm, bản quyền và những dịch vụ khác. Ví dụ: Một người dùng cần tăng thêm băng thông để thực hiện tìm kiếm, khai phá dữ liệu, công việc có thể được chia ra cho các máy trong lưới có kết nối độc lập tới Internet. Khi đó toàn bộ khả năng tìm kiếm được nhân lên vì mỗi máy đều có kết nối riêng biệt tới Internet. Tất nhiên, nếu những máy này đã chia sẻ kết nối tới mạng thì băng thông tăng lên không đáng là bao. Một vài máy có thể chia sẻ những phần mềm có bản quyền mà giá rất đắt. Để thực hiện điều này, công việc sẽ được gửi đến máy có chứa phần mềm đó, sau khi thực hiện sẽ trả về kết quả cho máy yêu cầu. Nói cách khác, đây là việc chia sẻ giấy phép phần mềm... Một vài máy trong lưới có thể có những thiết bị đặc biệt và lưới sẽ đóng vai trò chia sẻ các thiết bị đó. Ví dụ: Một vài máy trong lưới có thể kết nối với kính hiển vi điện tử lớn. Để dùng nó từ xa, một mẫu thử được gửi tới chủ nhân của kính hiển vi. Sau đó, người dùng có thể điều khiển máy từ xa, thay đổi góc nhìn phối cảnh cho đến khi lấy được hình ảnh mong muốn. 1.1.2.5. Phạm vi ứng dụng Tính toán lưới thường được sử dụng để giải quyết các bài toán khoa học đòi hỏi khả năng tính toán và thông lượng cao như mô phỏng, thiết kế vi mạch, chia sẻ nội dung, truy nhập dịch vụ từ xa. Hoặc các bài toán đòi hỏi dữ liệu lớn, thời gian thực, phục vụ theo yêu cầu và các bài toán tính toán cộng tác như thiết kế cộng tác, khai phá dữ liệu, giáo dục điện tử… 7 1.1.3. Các thành phần của hệ thống tính toán lưới Xét theo mô hình chức năng thì hệ thống tính toán lưới có các thành phần sau. Các thành phần của lưới tính toán theo mô hình chức năng Hình 1.3 Các thành phần theo mô hình chức năng Theo hình minh hoạ 1.3 ta thấy, về mặt chức năng lưới gồm các thành phần sau: Cổng tương tác (Grid portal): Là một giao diện cho phép người dùng sử dụng các ứng dụng lưới, do đó lưới trở nên trong suốt với người dùng. Thành phần bảo mật (Security): Là cơ chế đảm bảo các hoạt động như xác thực, cấp quyền, bảo mật, toàn vẹn và tính sẵn sàng . Chức năng an ninh nút (Node Security Function): Chức năng này chịu trách nhiệm xác thực và bảo mật cho từng nút trong quá trình giao tiếp giữa nó và các thành phần khác bên trong mạng lưới. Nó phụ thuộc vào hệ điều hành và các hệ thống lưới cụ thể, thường thấy là cơ chế cấp chứng chỉ quyền truy cập. Bộ lập lịch (Scheduler): Là phần phối hợp quá trình thực thi của nhiều công việc song song. Đơn giản, người sử dụng có thể chọn nút thích hợp để chạy tác vụ, sau đó chỉ việc kích hoạt lệnh để định tuyến công việc đó tới nút đã chọn. 8 Thành phần môi giới (Broker): Sau khi người dùng được xác nhận quyền gia nhập vào mạng lưới bởi thành phần an ninh nút, thành phần này sẽ chỉ rõ ứng dụng của người dùng được sử dụng tài nguyên nào và đảm bảo tài nguyên được sẵn sàng sử dụng theo tham số truyền vào. Quản lý, phân bổ tài nguyên (Grid resource allocation manager- GRAM): Cung cấp dịch vụ để kích hoạt từng công việc trên từng tài nguyên cụ thể; kiểm tra trạng thái công việc; đọc kết quả khi công việc đó kết thúc. Các thông tin của thành phần này sau đó sẽ được bộ lập lịch sử dụng. Tài nguyên (Resource): Tài nguyên lưới bao gồm bộ xử lý, bộ lưu trữ, các ứng dụng và các thành phần. Quản lý dữ liệu (Data management): Dữ liệu có thể nằm ở tài nguyên, hoặc là kết quả thực thi của một tác vụ nào đó. Thành phần quản lý dữ liệu phải đảm bảo an toàn và ổn định trong quá trình di chuyển dữ liệu giữa các lưới. Giao thức (Protocol): Là thành phần đảm bảo liên kết các thành phần chức năng kể trên để có thể hoạt động và tương tác được với nhau trong mạng lưới. 1.1.4. Kiến trúc chung của lưới Mạng lưới tính toán là hệ thống phần cứng và phần mềm kết nối các máy tính, cho phép chia sẻ các tài nguyên tính toán của các máy tính nối mạng, làm tăng gấp nhiều lần hiệu năng và tốc độ xử lý thông tin, có khả năng chuyển tải những khối lượng dữ liệu khổng lồ, tăng khả năng lưu trữ và truy cập thông tin trên mạng. Đây là điều mà công nghệ mạng Internet truyền thống chỉ dựa trên giao thức TCP/IP không thể đạt tới. Mạng lưới tính toán được xây dựng trên nền tảng kiến trúc mở và phân tầng. Trong mỗi tầng của lưới, các thành phần chia sẻ các thuộc tính chung và được bổ sung những tính năng mới mà không là ảnh hưởng đến các tầng khác . 9 Ta có thể tổng hợp kiến trúc lưới thành 5 tầng như sau: Tầng Fabric: giúp định vị các tài nguyên mạng lưới. Tầng Connectivity: giúp kết nối mạng lưới trên các mạng. Tầng Resource: giúp chia sẻ các tài nguyên mạng lưới. Tầng Collective: giúp kết hợp và định vị nhiều kiểu tài nguyên. Tầng Application: giúp kết nối các ứng dụng người dùng, để truy cập và sử dụng tài nguyên mạng lưới. Application (Tầng ứng dụng) Collective (Tầng kết hợp) Resource (Tầng tài nguyên) Connectivity(Tầng kết nối) Fabric(Tầng thiết bị) 10 Hình 1.4 Kiến trúc phân tầng lưới Tầng Fabric (tầng thiết bị) Tầng này bao gồm các tài nguyên cục bộ, phân tán trên mạng, chúng bị ràng buộc bởi Cơ chế quản lý tài nguyên và Cơ chế kiểm tra. Tài nguyên của tầng này được phân thành các nhóm như sau: - Tài nguyên tính toán: Đó là các kỹ thuật cần thiết để khởi đầu chương trình và để giám sát cũng như việc điều khiển việc thực hiện tiến trình xuất kết quả. Các kỹ thuật quản lý, cho phép điều khiển các tài nguyên được cấp cho trong các tiến trình cũng rất hữu hiệu (Ví dụ: Kỹ thuật đặt chỗ trước). - Tài nguyên lưu trữ: Đó là các kỹ thuật cần cho việc sắp đặt và lấy file, cũng như các kỹ thuật đọc và ghi một tập con của file hoặc các chức năng lựa chọn hay thu nhỏ đối với các dữ liệu ở xa. Các kỹ thuật quản lý tài nguyên cho phép điều khiển các tài nguyên cấp cho chuyển giao dữ liệu (như không gian đĩa, băng thông, CPU). - Tài nguyên mạng: Đây là các kỹ thuật quản lý đối với các tài nguyên được cấp cho chuyển giao trên mạng. - Các kho mã nguồn: Đây là một dạng đặc biệt của các tài nguyên lưu trữ. Nó cần các kỹ thuật để quản lý các phiên bản của mã nguồn và mã nguồn. Tầng Connectivity (tầng kết nối) Tầng này đóng vai trò rất quan trọng, nó xác định các giao thức lõi về kết nối và chứng thực cho các giao dịch trên mạng. Các giao thức kết nối cho phép trao đổi dữ liệu giữa các tài nguyên của tầng Fabric. 11 Các giao thức kết nối bao gồm các giao thức vận chuyển (Transport), tìm đường (Rounting) và quản lý tên (Naming). Các giao thức này tương tự các giao thức IP, TCP, UDP trong bộ giao thức TCP/IP và các giao thức tầng ứng dụng như DNS,OSPF, RSPV... Tầng Resource (tầng tài nguyên) Tầng này dựa trên nền tảng sẵn có của tầng conectivity. Những giao thức trong tầng này sẽ gọi các chức năng trong tầng Fabric để truy cập và sử dụng các loại tài nguyên. Hai giao thức chính: - Giao thức thông tin (Information Protocol): Được sử dụng để thu được các thông tin cấu trúc và trạng thái tài nguyên như cấu hình mức tải hiện thời và các chính sách sử dụng khác... - Giao thức quản lý (Management Protocol): Sử dụng để truy cập các tài nguyên chia sẻ, tạo các tiến trình, truy cập dữ liệu... Tầng Collective (tầng kết hợp) Tầng này chứa các giao thức và dịch vụ cho phép giao tiếp giữa các tài nguyên trong mạng lưới. Tầng này bao gồm các dịch vụ chính sau: - Các dịch vụ thư mục (Directory Sevices): Cho phép tìm ra các nguồn tài nguyên và các đặc tính của nó. - Các dịch vụ cấp phát chạy, lập lịch, môi giới (Co-allocation; Sheduling; Brokering Services): Cho phép yêu cầu cấp tài nguyên 12 cho các mục đích cụ thể và lập lịch thực thi các công việc dựa trên các tài nguyên được cấp phát. - Các dịch vụ giám sát và dự báo (Monitoring and Diagnostic Services): Cho phép theo dõi các sai hỏng, các cuộc tấn công sai phạm, quá tải... - Các dịch vụ nhân bản dữ liệu (Data replication Services): Cho phép tăng hiệu năng hệ thống. - Các hệ thống hỗ trợ lập trình lưới (Grid-enable Programming Systems): Gồm các thư viện lập trình. - Hệ thống quản lý tải và môi trường cộng tác (Workload Management System & Collaboration Frame Work): Cho phép quản lý các luồng công việc. - Dịch vụ tìm kiếm phần mềm (Sofware Discovery Services): Cho phép lựa chọn các nền tảng thực thi tuỳ theo các tham số của bài toán. Tầng Application (tầng ứng dụng) Tầng này bao gồm các ứng dụng được phát triển trên môi trường lưới. Các ứng dụng lưới này được xây dựng trên cơ sở gọi các hàm, các dịch vụ được cung cấp bởi các tầng phía dưới. Vì vậy, ở tầng này phải thiết kế và cài đặt các dịch vụ, các hàm cụ thể...để sao cho người sử dụng lưới cảm thấy trong suốt. Người sử dụng yêu cầu chạy ứng dụng, nhận về kết quả mà không hề biết ứng dụng được chạy ở đâu trên hệ thống lưới, sử dụng tài nguyên gì, ở đâu. Vì vậy, có thể xem hệ thống tính toán lưới như một máy tính ảo được kết hợp các tài nguyên khác nhau. 1.2. BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI 13 1.2.1. Vấn đề cơ bản của một hệ thống tính toán lưới Có 4 vấn đề cơ bản được quan tâm trong tính toán lưới [6] như sau: 1.2.1.1. Bảo vệ thông tin Sự phát triển của hệ thống tính toán lưới được quyết định bởi một nền tảng bảo vệ thông tin vững chắc. Với tính chất là có quy mô lớn, quan hệ chia sẻ tài nguyên giữa nhiều tổ chức, bảo vệ thông tin phải là yếu tố được đặt lên hàng đầu trong lưới. Một số vấn đề bảo vệ thông tin phải xem xét trong tính toán lưới là: - Xác thực thực thể sử dụng lưới. - Bảo vệ thông tin trên đường truyền lưới. - Bảo vệ sự tấn công phá hoại hạ tầng cơ sở lưới. - Phòng tránh các dạng tấn công lưới chẳng hạn tấn công từ chối dịch vụ, tấn công giữa... 1.2.1.2. Lập lịch và quản lý tài nguyên Các tài nguyên lưới thường phân tán và không đồng nhất. Do đó, việc tích hợp, đồng bộ hoá và biểu diễn chúng dưới một dạng thống nhất là yêu cầu cần thiết. Trong môi trường tính toán lưới, tại một thời điểm có thể có rất nhiều ứng dụng cùng truy cập chia sẻ một hoặc nhiều tài nguyên khác nhau nên cần có bộ lập lịch nhằm tối ưu hoá công việc. Bộ lập lịch dựa vào các thông tin trên lưới để quyết định thứ tự đệ trình công việc. 1.2.1.3. Dịch vụ thông tin Đối với môi trường động và không đồng nhất như tính toán lưới thì các thông tin về các thành phần trong lưới sẽ thường xuyên thay đổi. Do đó, dịch vụ thông tin cần cung cấp cơ chế tự động cập nhật và đăng ký các thông tin về toàn hệ thống như tài nguyên, các dịch vụ có thể cung cấp trên lưới, trạng thái của toàn bộ môi trường lưới.