Co jsou byzantské servery a jak představují hrozbu pro bezpečnost úložných systémů?
Byzantské servery jsou konceptem odvozeným z problému byzantských generálů, který ilustruje výzvy k dosažení konsenzu v distribuovaných počítačových systémech, kde komponenty mohou selhat a kde jsou nedokonalé informace. V kontextu úložných systémů představují byzantské servery úložné uzly, které mohou vykazovat svévolné nebo škodlivé chování, včetně odesílání konfliktních informací do různých částí systému, selhání odpovědi nebo aktivního pokusu o poškození nebo manipulaci s daty. Toto chování představuje významné ohrožení bezpečnosti a spolehlivosti úložných systémů, zejména těch, které spoléhají na distribuované architektury.
Problém byzantských generálů, který poprvé představili Leslie Lamport, Robert Shostak a Marshall Pease v roce 1982, popisuje scénář, kdy se skupina generálů musí dohodnout na společné strategii, aby se zabránilo selhání. Někteří z generálů však mohou být zrádci, kteří poskytují nepravdivé informace, aby zabránili konsensu. Přeloženo do počítačových systémů, byzantské chyby označují svévolné chyby, které se mohou vyskytnout v jakékoli části systému, včetně softwarových chyb, selhání hardwaru nebo škodlivých útoků.
V úložných systémech mohou byzantské servery narušit integritu, dostupnost a důvěrnost dat. Tyto hrozby lze rozdělit do následujících kategorií:
1. Hrozby integrity: Byzantské servery mohou poškodit data uložená v systému. Toto poškození může být jemné, jako je změna několika bitů dat, nebo závažnější, jako je úplné nahrazení dat nepravdivými informacemi. Problém je v tom, že byzantské servery se mohou většinu času chovat správně, takže je obtížné okamžitě odhalit korupci. Například v distribuovaném systému souborů, pokud byzantský server změní obsah souboru, ostatní klienti přistupující ke stejnému souboru mohou obdržet nesprávná data, což může vést k potenciální ztrátě dat nebo chybám aplikace.
2. Hrozby dostupnosti: Byzantské servery mohou narušit dostupnost dat tím, že odmítnou reagovat na požadavky nebo poskytnou zpožděné odpovědi. V distribuovaném úložném systému, pokud se podmnožina serverů stane byzantskou, může to vést k situaci, kdy systém nemůže dosáhnout potřebného kvora pro provádění operací čtení nebo zápisu, což fakticky znepřístupní data. Například ve službě cloudového úložiště, pokud několik uzlů úložiště přestane reagovat kvůli byzantskému chování, uživatelé mohou zaznamenat značné zpoždění nebo úplnou nemožnost přístupu k uloženým datům.
3. Hrozby důvěrnosti: Byzantské servery mohou prosakovat citlivé informace neoprávněným stranám. K tomu může dojít, pokud je server napaden útočníkem, který následně exfiltruje data, nebo pokud server záměrně sdílí data s neoprávněnými subjekty. Ve scénáři, kde jsou uchovávány citlivé osobní informace nebo vlastnická obchodní data, může taková porušení vést k vážnému narušení soukromí a finančním ztrátám.
Ke zmírnění rizik představovaných byzantskými servery bylo vyvinuto několik strategií a protokolů. Tyto zahrnují:
- Protokoly byzantské odolnosti proti chybám (BFT).: Tyto protokoly jsou navrženy k dosažení konsensu v přítomnosti byzantských chyb. Jedním z nejznámějších protokolů BFT je Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), který umožňuje distribuovanému systému tolerovat až jednu třetinu jeho součástí, které jsou byzantské. PBFT funguje tak, že má více replik dat a vyžaduje určitý počet replik, aby se dohodl stav dat, než bude jakákoli operace považována za potvrzenou. To zajišťuje, že i když jsou některé repliky byzantské, systém může stále správně fungovat.
- Kódování výmazu a redundance: Použitím kódování výmazu a redundantním ukládáním dat na více serverech mohou úložné systémy tolerovat byzantské chyby. Kódování Erasure rozděluje data na fragmenty a zakóduje je nadbytečnými informacemi, takže i když jsou některé fragmenty poškozeny nebo ztraceny, lze původní data rekonstruovat. Tento přístup zvyšuje odolnost proti chybám a zajišťuje dostupnost dat navzdory přítomnosti byzantských serverů.
- Kryptografické techniky: Použití kryptografických metod, jako jsou digitální podpisy a hašovací funkce, může pomoci odhalit a zabránit poškození dat byzantskými servery. Klienti mohou například podepsat svá data před jejich uložením a úložné servery mohou podpisy po načtení ověřit. Jakákoli změna provedená byzantským serverem by měla za následek neshodu signatur, která by upozornila systém na potenciální korupci.
- Audit a monitorování: Pravidelné auditování a monitorování úložných serverů může pomoci odhalit byzantské chování. Neustálým ověřováním integrity a dostupnosti dat mohou úložné systémy identifikovat a izolovat byzantské servery. Techniky, jako jsou protokoly výzva-odpověď, kde servery musí prokázat, že stále mají správná data, lze použít k zajištění integrity dat.
- Systémy replikace a kvora: Replikace dat na více serverech a používání přístupů založených na kvorech pro operace čtení a zápisu může zmírnit dopad byzantských chyb. Systém kvora vyžaduje, aby se určitý počet serverů dohodl na operaci před jejím provedením. To zajišťuje, že i když jsou některé servery byzantské, nemohou samy narušit chod systému.
Příkladem praktické implementace byzantské odolnosti proti chybám je blockchainová platforma Hyperledger Fabric, která využívá variantu PBFT k dosažení konsenzu mezi svými uzly. V tomto systému jsou transakce navrženy klienty, schváleny podskupinou kolegů a poté objednány a potvrzeny mechanismem konsensu, který toleruje byzantské chyby. To zajišťuje, že i když jsou někteří kolegové zlomyslní nebo chybní, integrita a konzistence blockchainu budou zachovány.
Dalším příkladem je Spanner společnosti Google, globálně distribuovaná databáze, která využívá kombinaci replikace, systémů kvora a synchronizovaných hodin k dosažení vysoké dostupnosti a konzistence. Přestože architektura Spanner není explicitně navržena pro byzantskou odolnost proti chybám, poskytuje odolnost vůči určitým typům chyb a zajišťuje integritu a dostupnost dat v geograficky rozptýlených datových centrech.
Přítomnost byzantských serverů v úložných systémech vyžaduje komplexní přístup k zabezpečení, který kombinuje různé techniky a protokoly. Využitím byzantských protokolů odolnosti proti chybám, redundance, kryptografických metod, auditu a systémů kvora mohou úložné systémy dosáhnout odolnosti proti svévolnému a škodlivému chování, které vykazují byzantské servery. To zajišťuje integritu, dostupnost a důvěrnost dat i v případě sofistikovaných útoků a selhání.
Další nedávné otázky a odpovědi týkající se Pokročilé zabezpečení počítačových systémů EITC/IS/ACSS:
- Jaké jsou některé výzvy a kompromisy spojené s implementací hardwarových a softwarových zmírnění útoků načasování při zachování výkonu systému?
- Jakou roli hraje prediktor větve v útocích na časování CPU a jak s ním mohou útočníci manipulovat, aby unikli citlivé informace?
- Jak může programování v konstantním čase pomoci zmírnit riziko útoků načasování v kryptografických algoritmech?
- Co je spekulativní provádění a jak přispívá ke zranitelnosti moderních procesorů vůči útokům načasování, jako je Spectre?
- Jak útoky načasování využívají odchylky v době provádění k odvození citlivých informací ze systému?
- Jak se liší koncept konzistence vidlice od konzistence načítání a úpravy a proč je konzistence vidlic považována za nejsilnější dosažitelnou konzistenci v systémech s nedůvěryhodnými úložnými servery?
- Jaké jsou výzvy a potenciální řešení pro implementaci robustních mechanismů řízení přístupu k zabránění neoprávněným úpravám ve sdíleném souborovém systému na nedůvěryhodném serveru?
- Jaký význam má udržování konzistentního a ověřitelného protokolu operací v kontextu nedůvěryhodných úložných serverů a jak toho lze dosáhnout?
- Jak mohou kryptografické techniky, jako jsou digitální podpisy a šifrování, pomoci zajistit integritu a důvěrnost dat uložených na nedůvěryhodných serverech?
- Jak protokoly jako STARTTLS, DKIM a DMARC přispívají k zabezpečení e-mailů a jaké jsou jejich příslušné role při ochraně e-mailové komunikace?
Zobrazit další otázky a odpovědi v EITC/IS/ACSS Advanced Computer Systems Security