Jaký význam má udržování konzistentního a ověřitelného protokolu operací v kontextu nedůvěryhodných úložných serverů a jak toho lze dosáhnout?

by Akademie EITCA / Středa, 12 června 2024 / Vyšlo v Kybernetická bezpečnost, Pokročilé zabezpečení počítačových systémů EITC/IS/ACSS, Zabezpečení skladování, Nedůvěryhodné servery úložiště, Přehled vyšetření

V oblasti kybernetické bezpečnosti, zejména pokud jde o zabezpečení úložiště na nedůvěryhodných úložných serverech, je prvořadé udržování konzistentního a ověřitelného protokolu operací. Tento požadavek vyplývá z nutnosti zajistit integritu, dostupnost a důvěrnost dat v prostředích, kde nelze plně důvěřovat infrastruktuře úložiště. Nedůvěryhodné úložné servery představují značná rizika, včetně neoprávněných úprav dat, mazání a neoprávněného přístupu. Při zmírňování těchto rizik tedy hraje důležitou roli konzistentní a ověřitelný protokol operací.

Konzistentní protokol operací se týká sekvenčního a chronologického záznamu všech akcí provedených s daty uloženými na serveru. Tento protokol by měl být neměnný a měl by být zabezpečený proti neoprávněné manipulaci, aby bylo možné zjistit jakékoli neoprávněné změny. Význam takového protokolu spočívá v jeho schopnosti poskytovat přesnou a spolehlivou historii všech interakcí s daty, což je nezbytné pro audit, forenzní analýzu a shodu s regulačními požadavky.

K dosažení konzistentního a ověřitelného protokolu operací lze použít několik technik a technologií. Patří mezi ně kryptografické metody, mechanismy bezpečného protokolování a konsensuální protokoly. Níže tyto metody podrobně zvážíme:

Kryptografické metody

1. Hash Chains: Řetězec hash je posloupnost hodnot hash, kde každá hodnota hash závisí na té předchozí. Tím se vytvoří spojení mezi každou položkou protokolu, což zajistí, že jakákoliv úprava položky přeruší řetězec. Pokud jsou například položky protokolu reprezentovány $L_1, L_2, ..., L_n$ , hash chain lze sestavit následovně:

$H_1 = H(L_1), \quad H_2 = H(H_1 || L_2), \quad ..., \quad H_n = H(H_{n-1} || L_n)$

kde $H$ označuje kryptografickou hašovací funkci a $||$ představuje zřetězení. Tato struktura zajišťuje, že jakákoliv manipulace se záznamem protokolu $L_i$ bude mít za následek nesoulad v následujících hodnotách hash, čímž se odhalí neoprávněná manipulace.

2. Digitální podpisy: Každý záznam protokolu může být digitálně podepsán důvěryhodnou stranou pomocí asymetrické kryptografie. Digitální podpis poskytuje pravost a integritu, protože jej lze ověřit pomocí veřejného klíče podepisujícího. Například, pokud položka protokolu $L_i$ je podepsána soukromým klíčem $K_{priv}$ , Podpis $S_i = \text{Sign}(K_{priv}, L_i)$ může být ověřen kýmkoli, kdo má přístup k odpovídajícímu veřejnému klíči $K_{pub}$ . Tato metoda zajišťuje, že jakákoliv změna na $L_i$ zneplatní podpis.

3. Stromy Merkle: Merkle strom je binární strom, kde každý listový uzel představuje hash záznamu protokolu a každý vnitřní uzel představuje hash jeho podřízených uzlů. Kořen stromu Merkle, známý jako kořen Merkle, poskytuje jedinou hodnotu hash, která představuje celou sadu záznamů protokolu. Stromová struktura Merkle umožňuje efektivní a ověřitelný důkaz zahrnutí, což znamená, že lze prokázat, zda je konkrétní záznam protokolu součástí protokolu, aniž by byl odhalen celý protokol. To je užitečné zejména pro zachování soukromí při zajištění integrity.

Bezpečné protokolovací mechanismy

1. Protokoly pouze přidávat: Protokol pouze s připojením je struktura protokolu, do které lze položky pouze přidávat a nikoli upravovat ani mazat. Tato neměnnost zajišťuje, že jakmile je záznam zaznamenán, zůstane v protokolu trvale. Implementace protokolů pouze pro připojení obvykle zahrnuje použití paměťových médií typu WORM (write-once-read-many) nebo použití softwarových mechanismů, které zabraňují úpravám existujících položek protokolu.

2. Technologie Blockchain: Blockchain je decentralizovaná a distribuovaná technologie hlavní knihy, která ze své podstaty poskytuje konzistentní a ověřitelný protokol operací. Každý blok v blockchainu obsahuje seznam transakcí (položky protokolu), časové razítko a kryptografický hash předchozího bloku. Toto zřetězení bloků zajišťuje, že jakákoliv manipulace s blokem znehodnotí následující bloky. Technologie blockchain také využívá konsenzuální protokoly k dosažení shody mezi distribuovanými uzly, což dále zvyšuje bezpečnost a spolehlivost protokolu.

3. Důvěryhodná prostředí pro provádění (TEE): TEE, jako je Intel SGX nebo ARM TrustZone, poskytují bezpečnou enklávu v procesoru, kde lze kód a data bezpečně spouštět a ukládat. Využitím TEE lze zajistit, že záznamy protokolu jsou zaznamenávány a udržovány v bezpečném a izolovaném prostředí chráněném před neoprávněnou manipulací nedůvěryhodným úložným serverem. TEE lze také použít k bezpečnému generování a ukládání kryptografických klíčů používaných pro podepisování položek protokolu.

Konsensuální protokoly

V distribuovaných systémech dosažení konzistence a ověřitelnosti protokolů často vyžaduje konsensuální protokoly, které zajistí, že se všechny uzly v systému dohodnou na pořadí a obsahu položek protokolu. Některé běžně používané konsensuální protokoly zahrnují:

1. Paxos: Paxos je rodina konsenzuálních protokolů navržených k dosažení shody mezi distribuovanými uzly v případě selhání. Paxos zajišťuje, že všechny neporuchové uzly souhlasí se stejnou posloupností záznamů protokolu, což zajišťuje konzistenci a odolnost proti chybám.

2. Vor: Raft je další konsensuální algoritmus, který je navržen tak, aby byl srozumitelnější a snadněji implementovatelný než Paxos. Raft rozděluje proces konsensu na volbu vůdce, replikaci protokolu a bezpečnost, čímž zajišťuje, že distribuovaný protokol zůstane konzistentní a ověřitelný.

3. Byzantská odolnost proti chybám (BFT): Protokoly BFT, jako je Praktická byzantská tolerance chyb (PBFT), jsou navrženy k dosažení konsenzu v systémech, kde mohou uzly vykazovat svévolné (byzantské) chyby, včetně škodlivého chování. Protokoly BFT zajišťují, že protokol zůstane konzistentní a ověřitelný i v přítomnosti škodlivých uzlů.

Praktický příklad

Zvažte scénář, kdy finanční instituce používá k ukládání protokolů transakcí nedůvěryhodnou službu cloudového úložiště. Pro zajištění integrity a ověřitelnosti těchto protokolů může instituce zavést následující opatření:

1. Hash Chains: Každá položka protokolu transakcí je hashována a propojena s předchozí položkou pomocí řetězce hash. To zajišťuje, že jakákoliv manipulace se záznamem protokolu bude detekovatelná.

2. Digitální podpisy: Každá položka protokolu je digitálně podepsána soukromým klíčem instituce. Tím je zajištěna autenticita a nepopiratelnost, protože podpis lze ověřit pomocí veřejného klíče instituce.

3. Stromy Merkle: Instituce pravidelně vytváří Merkle strom záznamů protokolu a publikuje Merkle root na veřejné nástěnce nebo blockchainu. To umožňuje komukoli ověřit integritu položek protokolu bez přístupu k celému protokolu.

4. Blockchain: Instituce může také zaznamenávat protokoly transakcí na soukromém blockchainu. Decentralizovaná povaha blockchainu zajišťuje, že protokol zůstane konzistentní a ověřitelný, a to i v přítomnosti nedůvěryhodných úložných serverů.

5. TEE: Instituce může využít TEE k bezpečnému zaznamenávání a ukládání záznamů protokolu v rámci zabezpečené enklávy, čímž je chrání před neoprávněnou manipulací nedůvěryhodným úložným serverem.

6. Konsensuální protokoly: Pokud instituce používá distribuovaný úložný systém, může využít konsenzuální protokoly, jako je Raft nebo PBFT, aby zajistila, že se všechny uzly dohodnou na pořadí a obsahu transakčních protokolů.

Implementací těchto opatření může finanční instituce udržovat konzistentní a ověřitelný protokol operací, zajišťující integritu, dostupnost a důvěrnost svých protokolů transakcí, a to i při použití nedůvěryhodných úložných serverů.

Další nedávné otázky a odpovědi týkající se Pokročilé zabezpečení počítačových systémů EITC/IS/ACSS:

Zobrazit další otázky a odpovědi v EITC/IS/ACSS Advanced Computer Systems Security

Další otázky a odpovědi:

V rubrice: Blockchain, Konsensuální protokoly, Kryptografie, Kybernetická bezpečnost, Integrita dat, Důvěryhodná prováděcí prostředí

Akademie EITCA