Máy chủ Byzantine là gì và chúng gây ra mối đe dọa như thế nào đối với tính bảo mật của hệ thống lưu trữ?

/ / Xuất bản năm An ninh mạng, Bảo mật hệ thống máy tính nâng cao EITC/IS/ACSS, Bảo mật lưu trữ, Máy chủ lưu trữ không đáng tin cậy, ôn thi

Máy chủ Byzantine là một khái niệm bắt nguồn từ Bài toán chung của Byzantine, minh họa những thách thức trong việc đạt được sự đồng thuận trong các hệ thống máy tính phân tán, nơi các thành phần có thể bị lỗi và có thông tin không hoàn hảo. Trong bối cảnh hệ thống lưu trữ, máy chủ Byzantine đại diện cho các nút lưu trữ có thể biểu hiện hành vi tùy ý hoặc độc hại, bao gồm gửi thông tin xung đột đến các phần khác nhau của hệ thống, không phản hồi hoặc chủ động cố gắng làm hỏng hoặc thao túng dữ liệu. Hành vi này đặt ra những mối đe dọa đáng kể đối với tính bảo mật và độ tin cậy của hệ thống lưu trữ, đặc biệt là những hệ thống dựa trên kiến ​​trúc phân tán.

Bài toán Tướng quân Byzantine, được Leslie Lamport, Robert Shostak và Marshall Pease giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1982, mô tả một kịch bản trong đó một nhóm tướng lĩnh phải thống nhất về một chiến lược chung để tránh thất bại. Tuy nhiên, một số tướng có thể là kẻ phản bội, cung cấp thông tin sai sự thật nhằm cản trở sự đồng thuận. Chuyển điều này sang hệ thống máy tính, lỗi Byzantine đề cập đến các lỗi tùy ý có thể xảy ra ở bất kỳ phần nào của hệ thống, bao gồm lỗi phần mềm, lỗi phần cứng hoặc các cuộc tấn công độc hại.

Trong các hệ thống lưu trữ, máy chủ Byzantine có thể làm suy yếu tính toàn vẹn, tính khả dụng và tính bảo mật của dữ liệu. Những mối đe dọa này có thể được phân loại như sau:

1. Mối đe dọa về tính toàn vẹn: Máy chủ Byzantine có thể làm hỏng dữ liệu được lưu trữ trong hệ thống. Lỗi này có thể rất tinh vi, chẳng hạn như thay đổi một vài bit dữ liệu hoặc nghiêm trọng hơn, chẳng hạn như thay thế hoàn toàn dữ liệu bằng thông tin sai lệch. Thách thức là các máy chủ Byzantine có thể hoạt động chính xác trong hầu hết thời gian, khiến việc phát hiện tham nhũng ngay lập tức trở nên khó khăn. Ví dụ: trong hệ thống tệp phân tán, nếu máy chủ Byzantine thay đổi nội dung của tệp, các máy khách khác truy cập vào cùng một tệp có thể nhận được dữ liệu không chính xác, dẫn đến mất dữ liệu hoặc lỗi ứng dụng tiềm ẩn.

2. Mối đe dọa về tính khả dụng: Máy chủ Byzantine có thể làm gián đoạn tính khả dụng của dữ liệu bằng cách từ chối phản hồi các yêu cầu hoặc cung cấp phản hồi chậm trễ. Trong hệ thống lưu trữ phân tán, nếu một tập hợp con máy chủ trở thành Byzantine, điều đó có thể dẫn đến tình huống hệ thống không thể đạt được số đại biểu cần thiết để thực hiện các hoạt động đọc hoặc ghi, khiến dữ liệu không thể truy cập được. Ví dụ: trong dịch vụ lưu trữ đám mây, nếu một số nút lưu trữ không phản hồi do hoạt động của Byzantine, người dùng có thể gặp phải tình trạng chậm trễ đáng kể hoặc hoàn toàn không thể truy cập vào dữ liệu được lưu trữ của họ.

3. Mối đe dọa bảo mật: Máy chủ Byzantine có thể rò rỉ thông tin nhạy cảm cho các bên trái phép. Điều này có thể xảy ra nếu máy chủ bị kẻ tấn công xâm phạm, sau đó kẻ tấn công sẽ lấy cắp dữ liệu hoặc nếu máy chủ cố tình chia sẻ dữ liệu với các thực thể trái phép. Trong trường hợp thông tin cá nhân nhạy cảm hoặc dữ liệu kinh doanh độc quyền được lưu trữ, những hành vi vi phạm như vậy có thể dẫn đến vi phạm nghiêm trọng quyền riêng tư và tổn thất tài chính.

Để giảm thiểu rủi ro do máy chủ Byzantine gây ra, một số chiến lược và giao thức đã được phát triển. Bao gồm các:

– Giao thức dung sai lỗi Byzantine (BFT): Các giao thức này được thiết kế để đạt được sự đồng thuận khi có lỗi Byzantine. Một trong những giao thức BFT nổi tiếng nhất là Dung sai lỗi Byzantine thực tế (PBFT), cho phép hệ thống phân tán chấp nhận tới một phần ba thành phần của nó là Byzantine. PBFT hoạt động bằng cách có nhiều bản sao của dữ liệu và yêu cầu một số lượng bản sao nhất định để thống nhất về trạng thái của dữ liệu trước khi bất kỳ thao tác nào được coi là đã cam kết. Điều này đảm bảo rằng ngay cả khi một số bản sao là Byzantine thì hệ thống vẫn có thể hoạt động bình thường.

– Xóa mã hóa và dự phòng: Bằng cách sử dụng mã hóa xóa và lưu trữ dữ liệu dư thừa trên nhiều máy chủ, hệ thống lưu trữ có thể chịu được các lỗi Byzantine. Mã hóa xóa sẽ chia dữ liệu thành các đoạn và mã hóa nó bằng thông tin dư thừa, do đó ngay cả khi một số đoạn bị hỏng hoặc bị mất, dữ liệu gốc vẫn có thể được xây dựng lại. Cách tiếp cận này làm tăng khả năng chịu lỗi và đảm bảo tính khả dụng của dữ liệu bất chấp sự hiện diện của máy chủ Byzantine.

– Kỹ thuật mật mã: Việc sử dụng các phương pháp mã hóa như chữ ký số và hàm băm có thể giúp phát hiện và ngăn chặn lỗi dữ liệu do máy chủ Byzantine gây ra. Ví dụ: khách hàng có thể ký dữ liệu của mình trước khi lưu trữ và máy chủ lưu trữ có thể xác minh chữ ký khi truy xuất. Bất kỳ sự thay đổi nào của máy chủ Byzantine sẽ dẫn đến chữ ký không khớp, cảnh báo hệ thống về khả năng bị hỏng.

– Kiểm toán và giám sát: Việc kiểm tra và giám sát thường xuyên các máy chủ lưu trữ có thể giúp phát hiện hành vi của Byzantine. Bằng cách liên tục xác minh tính toàn vẹn và sẵn có của dữ liệu, hệ thống lưu trữ có thể xác định và cô lập các máy chủ Byzantine. Các kỹ thuật như giao thức phản hồi thử thách, trong đó máy chủ phải chứng minh rằng chúng vẫn sở hữu dữ liệu chính xác, có thể được sử dụng để đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu.

– Hệ thống nhân rộng và đại biểu: Sao chép dữ liệu trên nhiều máy chủ và sử dụng các phương pháp tiếp cận dựa trên số đại biểu cho các hoạt động đọc và ghi có thể giảm thiểu tác động của lỗi Byzantine. Một hệ thống đại biểu yêu cầu một số lượng máy chủ nhất định phải đồng ý về một hoạt động trước khi nó được thực thi. Điều này đảm bảo rằng ngay cả khi một số máy chủ là Byzantine, chúng không thể một mình làm gián đoạn hoạt động của hệ thống.

Một ví dụ về việc triển khai thực tế khả năng chịu lỗi Byzantine là nền tảng chuỗi khối Hyperledger Fabric, sử dụng một biến thể của PBFT để đạt được sự đồng thuận giữa các nút của nó. Trong hệ thống này, các giao dịch được khách hàng đề xuất, được xác nhận bởi một tập hợp con các đồng nghiệp, sau đó được sắp xếp và xác thực bằng cơ chế đồng thuận chấp nhận các lỗi Byzantine. Điều này đảm bảo rằng ngay cả khi một số đồng nghiệp có mã độc hoặc bị lỗi thì tính toàn vẹn và nhất quán của chuỗi khối vẫn được duy trì.

Một ví dụ khác là Spanner của Google, một cơ sở dữ liệu phân tán toàn cầu sử dụng kết hợp các hệ thống sao chép, đại biểu và đồng hồ được đồng bộ hóa để đạt được tính sẵn sàng và tính nhất quán cao. Mặc dù không được thiết kế rõ ràng cho khả năng chịu lỗi của Byzantine, kiến ​​trúc của Spanner cung cấp khả năng chống lại một số loại lỗi nhất định và đảm bảo tính toàn vẹn cũng như tính khả dụng của dữ liệu trên các trung tâm dữ liệu phân tán về mặt địa lý.

Sự hiện diện của máy chủ Byzantine trong các hệ thống lưu trữ đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện về bảo mật kết hợp nhiều kỹ thuật và giao thức. Bằng cách sử dụng các giao thức chịu lỗi, dự phòng, phương pháp mã hóa, kiểm tra và hệ thống đại biểu của Byzantine, hệ thống lưu trữ có thể đạt được khả năng phục hồi trước hành vi độc đoán và độc hại do máy chủ Byzantine thể hiện. Điều này đảm bảo tính toàn vẹn, sẵn có và bảo mật của dữ liệu, ngay cả khi đối mặt với các cuộc tấn công và thất bại phức tạp.

Các câu hỏi và câu trả lời gần đây khác liên quan đến Bảo mật hệ thống máy tính nâng cao EITC/IS/ACSS:

Xem thêm câu hỏi và câu trả lời trong EITC/IS/ACSS Advanced Computer Systems Security

Thêm câu hỏi và câu trả lời:

Gắn thẻ theo: , , , , ,