Czym są serwery bizantyjskie i w jaki sposób stanowią zagrożenie dla bezpieczeństwa systemów pamięci masowej?

/ / Opublikowano w Bezpieczeństwo cybernetyczne, Bezpieczeństwo zaawansowanych systemów komputerowych EITC/IS/ACSS, Bezpieczeństwo przechowywania, Niezaufane serwery pamięci masowej, Przegląd egzaminów

Serwery bizantyjskie to koncepcja wywodząca się z Problemu Generałów Bizantyjskich, która ilustruje wyzwania związane z osiągnięciem konsensusu w rozproszonych systemach komputerowych, w których komponenty mogą zawodzić i występują niedoskonałe informacje. W kontekście systemów pamięci masowej serwery bizantyjskie reprezentują węzły przechowywania, które mogą wykazywać arbitralne lub złośliwe zachowanie, w tym wysyłać sprzeczne informacje do różnych części systemu, nie odpowiadać lub aktywnie podejmować próby uszkodzenia danych lub manipulowania nimi. Takie zachowanie stwarza poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa i niezawodności systemów pamięci masowej, szczególnie tych opartych na architekturach rozproszonych.

Problem generałów bizantyjskich, przedstawiony po raz pierwszy przez Lesliego Lamporta, Roberta Shostaka i Marshalla Pease’a w 1982 roku, opisuje scenariusz, w którym grupa generałów musi uzgodnić wspólną strategię, aby uniknąć niepowodzenia. Jednak niektórzy generałowie mogą być zdrajcami, podając fałszywe informacje, aby zapobiec konsensusowi. Przekładając to na systemy komputerowe, błędy bizantyjskie odnoszą się do dowolnych usterek, które mogą wystąpić w dowolnej części systemu, w tym błędów oprogramowania, awarii sprzętu lub złośliwych ataków.

W systemach pamięci masowej serwery bizantyjskie mogą podważać integralność, dostępność i poufność danych. Zagrożenia te można podzielić na następujące kategorie:

1. Zagrożenia integralności: Serwery bizantyjskie mogą uszkodzić dane przechowywane w systemie. Uszkodzenie to może być subtelne, np. zmiana kilku bitów danych, lub poważniejsze, np. całkowite zastąpienie danych fałszywymi informacjami. Wyzwanie polega na tym, że serwery bizantyjskie mogą przez większość czasu zachowywać się poprawnie, co utrudnia natychmiastowe wykrycie korupcji. Na przykład w rozproszonym systemie plików, jeśli serwer bizantyjski zmieni zawartość pliku, inni klienci uzyskujący dostęp do tego samego pliku mogą otrzymać nieprawidłowe dane, co może prowadzić do potencjalnej utraty danych lub błędów aplikacji.

2. Zagrożenia dostępności: Serwery bizantyjskie mogą zakłócać dostępność danych, odmawiając odpowiadania na żądania lub dostarczając odpowiedzi z opóźnieniem. Jeśli w rozproszonym systemie pamięci masowej podzbiór serwerów stanie się bizantyjski, może to prowadzić do sytuacji, w której system nie będzie w stanie osiągnąć kworum niezbędnego do wykonania operacji odczytu lub zapisu, co w efekcie sprawi, że dane staną się niedostępne. Na przykład w przypadku usługi przechowywania w chmurze, jeśli kilka węzłów magazynowania przestanie odpowiadać z powodu zachowania Bizancjum, użytkownicy mogą doświadczyć znacznych opóźnień lub całkowitej niemożności dostępu do przechowywanych danych.

3. Zagrożenia poufności: Serwery bizantyjskie mogą ujawniać poufne informacje osobom nieupoważnionym. Może się to zdarzyć, jeśli atakujący przejmie kontrolę nad serwerem i następnie wydobędzie dane lub jeśli serwer celowo udostępni dane nieupoważnionym podmiotom. W scenariuszu, w którym przechowywane są wrażliwe dane osobowe lub zastrzeżone dane biznesowe, takie naruszenia mogą prowadzić do poważnych naruszeń prywatności i strat finansowych.

Aby ograniczyć ryzyko stwarzane przez serwery bizantyjskie, opracowano kilka strategii i protokołów. Obejmują one:

- Bizantyjskie protokoły tolerancji błędów (BFT).: Protokoły te mają na celu osiągnięcie konsensusu w przypadku błędów bizantyjskich. Jednym z najbardziej znanych protokołów BFT jest Praktyczna tolerancja błędów bizantyjskich (PBFT), która pozwala systemowi rozproszonemu tolerować nawet jedną trzecią jego komponentów w systemie bizantyjskim. PBFT działa w ten sposób, że posiada wiele replik danych i wymaga określonej liczby replik w celu uzgodnienia stanu danych, zanim jakakolwiek operacja zostanie uznana za zatwierdzoną. Gwarantuje to, że nawet jeśli niektóre repliki są bizantyjskie, system może nadal działać poprawnie.

- Kasowanie kodowania i redundancja: Dzięki zastosowaniu kodowania kasującego i nadmiarowemu przechowywaniu danych na wielu serwerach systemy pamięci masowej mogą tolerować błędy bizantyjskie. Kodowanie kasujące dzieli dane na fragmenty i koduje je ze zbędnymi informacjami, dzięki czemu nawet w przypadku uszkodzenia lub utraty niektórych fragmentów można odtworzyć oryginalne dane. Takie podejście zwiększa odporność na awarie i zapewnia dostępność danych pomimo obecności serwerów bizantyjskich.

- Techniki kryptograficzne: Stosowanie metod kryptograficznych, takich jak podpisy cyfrowe i funkcje skrótu, może pomóc w wykrywaniu i zapobieganiu uszkodzeniom danych przez serwery bizantyjskie. Na przykład klienci mogą podpisywać swoje dane przed ich zapisaniem, a serwery pamięci masowej mogą weryfikować podpisy po ich pobraniu. Jakakolwiek modyfikacja dokonana przez serwer bizantyjski spowodowałaby niezgodność podpisu, ostrzegając system o potencjalnym uszkodzeniu.

- Audyt i monitoring: Regularne audyty i monitorowanie serwerów pamięci masowej mogą pomóc w wykryciu zachowań Bizancjum. Dzięki ciągłej weryfikacji integralności i dostępności danych systemy pamięci masowej mogą identyfikować i izolować serwery bizantyjskie. Aby zapewnić integralność danych, można zastosować techniki takie jak protokoły wyzwanie-odpowiedź, w przypadku których serwery muszą udowodnić, że nadal posiadają prawidłowe dane.

- Systemy replikacji i kworum: Replikacja danych na wielu serwerach i stosowanie podejścia opartego na kworum do operacji odczytu i zapisu może złagodzić wpływ błędów bizantyjskich. System kworum wymaga, aby pewna liczba serwerów uzgodniła operację przed jej wykonaniem. Dzięki temu nawet jeśli niektóre serwery są bizantyjskie, nie mogą w pojedynkę zakłócić działania systemu.

Przykładem praktycznego wdrożenia bizantyjskiej odporności na błędy jest platforma blockchain Hyperledger Fabric, która wykorzystuje wariant PBFT w celu osiągnięcia konsensusu między swoimi węzłami. W tym systemie transakcje są proponowane przez klientów, zatwierdzane przez podzbiór partnerów, a następnie zamawiane i zatwierdzane przez mechanizm konsensusu, który toleruje błędy bizantyjskie. Zapewnia to, że nawet jeśli niektóre elementy równorzędne są złośliwe lub wadliwe, integralność i spójność łańcucha bloków zostaną zachowane.

Innym przykładem jest Google Spanner, globalnie dystrybuowana baza danych, która wykorzystuje kombinację replikacji, systemów kworum i zsynchronizowanych zegarów, aby osiągnąć wysoką dostępność i spójność. Chociaż architektura Spannera nie została specjalnie zaprojektowana z myślą o odporności na błędy bizantyjskie, zapewnia odporność na niektóre typy błędów oraz zapewnia integralność i dostępność danych w rozproszonych geograficznie centrach danych.

Obecność serwerów bizantyjskich w systemach pamięci masowej wymaga kompleksowego podejścia do bezpieczeństwa, które łączy wiele technik i protokołów. Dzięki zastosowaniu bizantyjskich protokołów odporności na błędy, redundancji, metod kryptograficznych, audytu i systemów kworum systemy pamięci masowej mogą osiągnąć odporność na arbitralne i złośliwe zachowanie serwerów bizantyjskich. Zapewnia to integralność, dostępność i poufność danych, nawet w obliczu wyrafinowanych ataków i awarii.

Inne niedawne pytania i odpowiedzi dotyczące Bezpieczeństwo zaawansowanych systemów komputerowych EITC/IS/ACSS:

Zobacz więcej pytań i odpowiedzi w EITC/IS/ACSS Zaawansowane zabezpieczenia systemów komputerowych

Więcej pytań i odpowiedzi:

Tagged under: , , , , ,