Čo sú byzantské servery a ako predstavujú hrozbu pre bezpečnosť úložných systémov?
Byzantské servery sú konceptom odvodeným od problému byzantských generálov, ktorý ilustruje výzvy dosiahnutia konsenzu v distribuovaných počítačových systémoch, kde komponenty môžu zlyhať a kde sú nedokonalé informácie. V kontexte úložných systémov predstavujú byzantské servery úložné uzly, ktoré môžu vykazovať svojvoľné alebo škodlivé správanie, vrátane odosielania konfliktných informácií do rôznych častí systému, neodpovedania alebo aktívneho pokusu o poškodenie alebo manipuláciu s údajmi. Toto správanie predstavuje významné ohrozenie bezpečnosti a spoľahlivosti úložných systémov, najmä tých, ktoré sa spoliehajú na distribuované architektúry.
Problém byzantských generálov, ktorý prvýkrát predstavili Leslie Lamport, Robert Shostak a Marshall Pease v roku 1982, opisuje scenár, v ktorom sa skupina generálov musí dohodnúť na spoločnej stratégii, aby sa vyhla zlyhaniu. Niektorí z generálov však môžu byť zradcovia, ktorí poskytujú nepravdivé informácie, aby zabránili konsenzu. V preklade do počítačových systémov, byzantské chyby označujú svojvoľné chyby, ktoré sa môžu vyskytnúť v ktorejkoľvek časti systému, vrátane softvérových chýb, zlyhaní hardvéru alebo škodlivých útokov.
V úložných systémoch môžu byzantské servery narušiť integritu, dostupnosť a dôvernosť údajov. Tieto hrozby možno kategorizovať nasledovne:
1. Hrozby integrity: Byzantské servery môžu poškodiť údaje uložené v systéme. Toto poškodenie môže byť jemné, napríklad zmena niekoľkých bitov údajov, alebo závažnejšie, napríklad úplné nahradenie údajov nepravdivými informáciami. Výzvou je, že byzantské servery sa môžu väčšinu času správať správne, čo sťažuje okamžité odhalenie korupcie. Napríklad v distribuovanom súborovom systéme, ak byzantský server zmení obsah súboru, ostatní klienti pristupujúci k rovnakému súboru môžu dostať nesprávne údaje, čo môže viesť k potenciálnej strate údajov alebo chybám aplikácie.
2. Hrozby dostupnosti: Byzantské servery môžu narušiť dostupnosť údajov tým, že odmietnu odpovedať na požiadavky alebo poskytnú oneskorené odpovede. V distribuovanom úložnom systéme, ak sa podmnožina serverov stane byzantskou, môže to viesť k situácii, keď systém nemôže dosiahnuť potrebné kvórum na vykonávanie operácií čítania alebo zápisu, čím sa dáta efektívne stanú nedostupnými. Napríklad v službe cloudového úložiska, ak niekoľko úložných uzlov prestane reagovať v dôsledku byzantského správania, používatelia môžu zaznamenať výrazné oneskorenie alebo úplnú neschopnosť získať prístup k uloženým údajom.
3. Hrozby dôvernosti: Byzantské servery môžu prenášať citlivé informácie neoprávneným stranám. Môže k tomu dôjsť, ak je server napadnutý útočníkom, ktorý následne exfiltruje údaje, alebo ak server zámerne zdieľa údaje s neoprávnenými subjektmi. V scenári, kde sa uchovávajú citlivé osobné informácie alebo vlastnícke obchodné údaje, môžu takéto porušenia viesť k vážnemu narušeniu súkromia a finančným stratám.
Na zmiernenie rizík, ktoré predstavujú byzantské servery, bolo vyvinutých niekoľko stratégií a protokolov. Tie obsahujú:
- Protokoly byzantskej tolerancie chýb (BFT).: Tieto protokoly sú navrhnuté na dosiahnutie konsenzu v prítomnosti byzantských chýb. Jedným z najznámejších protokolov BFT je Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT), ktorý umožňuje distribuovanému systému tolerovať až jednu tretinu jeho komponentov, ktoré sú byzantské. PBFT funguje tak, že má viacero kópií údajov a vyžaduje určitý počet kópií, aby sa zhodli na stave údajov predtým, ako sa akákoľvek operácia považuje za vykonanú. To zaisťuje, že aj keď sú niektoré repliky byzantské, systém môže stále správne fungovať.
- Kódovanie vymazania a redundancia: Pomocou kódovania vymazania a redundantného ukladania údajov na viacerých serveroch môžu úložné systémy tolerovať byzantské chyby. Kódovanie vymazania rozdeľuje údaje na fragmenty a kóduje ich nadbytočnými informáciami, takže aj keď sa niektoré fragmenty poškodia alebo stratia, pôvodné údaje je možné zrekonštruovať. Tento prístup zvyšuje odolnosť voči chybám a zabezpečuje dostupnosť údajov napriek prítomnosti byzantských serverov.
- Kryptografické techniky: Používanie kryptografických metód, ako sú digitálne podpisy a hašovacie funkcie, môže pomôcť odhaliť a zabrániť poškodeniu údajov byzantskými servermi. Klienti môžu napríklad podpísať svoje údaje pred ich uložením a úložné servery môžu overiť podpisy pri ich získavaní. Akákoľvek zmena zo strany byzantského servera by viedla k nesúladu podpisov, ktorý by upozornil systém na možné poškodenie.
- Audit a monitorovanie: Pravidelné auditovanie a monitorovanie úložných serverov môže pomôcť odhaliť byzantské správanie. Neustálym overovaním integrity a dostupnosti údajov môžu úložné systémy identifikovať a izolovať byzantské servery. Na zabezpečenie integrity údajov možno použiť techniky, ako sú protokoly výzva-odpoveď, kde servery musia preukázať, že stále majú správne údaje.
- Systémy replikácie a kvóra: Replikácia údajov na viacerých serveroch a používanie prístupov založených na kvóre pre operácie čítania a zápisu môže zmierniť vplyv byzantských chýb. Systém kvóra vyžaduje, aby sa určitý počet serverov dohodol na operácii pred jej vykonaním. To zaisťuje, že aj keď sú niektoré servery byzantské, nemôžu samostatne narušiť fungovanie systému.
Príkladom praktickej implementácie byzantskej tolerancie chýb je blockchainová platforma Hyperledger Fabric, ktorá využíva variant PBFT na dosiahnutie konsenzu medzi svojimi uzlami. V tomto systéme transakcie navrhujú klienti, schvaľuje ich podskupina partnerov a potom sa objednávajú a overujú konsenzuálnym mechanizmom, ktorý toleruje byzantské chyby. To zaisťuje, že aj keď sú niektorí kolegovia zlomyseľní alebo chybní, integrita a konzistencia blockchainu sa zachová.
Ďalším príkladom je Spanner od spoločnosti Google, globálne distribuovaná databáza, ktorá využíva kombináciu replikácie, systémov kvóra a synchronizovaných hodín na dosiahnutie vysokej dostupnosti a konzistencie. Hoci architektúra Spanner nie je výslovne navrhnutá pre byzantskú odolnosť voči chybám, poskytuje odolnosť voči určitým typom chýb a zaisťuje integritu a dostupnosť údajov v geograficky rozptýlených dátových centrách.
Prítomnosť byzantských serverov v úložných systémoch si vyžaduje komplexný prístup k bezpečnosti, ktorý kombinuje viaceré techniky a protokoly. Použitím byzantských protokolov odolnosti voči chybám, redundancie, kryptografických metód, auditu a systémov kvóra môžu úložné systémy dosiahnuť odolnosť proti svojvoľnému a škodlivému správaniu, ktoré vykazujú byzantské servery. To zaisťuje integritu, dostupnosť a dôvernosť údajov aj pri sofistikovaných útokoch a zlyhaniach.
Ďalšie nedávne otázky a odpovede týkajúce sa Pokročilá bezpečnosť počítačových systémov EITC/IS/ACSS:
- Aké sú niektoré z výziev a kompromisov pri implementácii hardvérových a softvérových obmedzení proti útokom načasovanie pri zachovaní výkonu systému?
- Akú úlohu hrá prediktor vetvy pri útokoch na časovanie CPU a ako s ním môžu útočníci manipulovať, aby unikli citlivé informácie?
- Ako môže programovanie v konštantnom čase pomôcť zmierniť riziko útokov na načasovanie v kryptografických algoritmoch?
- Čo je špekulatívne vykonávanie a ako prispieva k zraniteľnosti moderných procesorov voči útokom na čas, ako je Spectre?
- Ako využívajú útoky načasovanie variácie času vykonávania na odvodenie citlivých informácií zo systému?
- Ako sa koncepcia konzistencie vidlice líši od konzistencie načítania a úpravy a prečo sa konzistencia vidlice považuje za najsilnejšiu dosiahnuteľnú konzistenciu v systémoch s nedôveryhodnými úložnými servermi?
- Aké sú výzvy a potenciálne riešenia pre implementáciu robustných mechanizmov kontroly prístupu na zabránenie neoprávneným úpravám v zdieľanom súborovom systéme na nedôveryhodnom serveri?
- Aký význam má udržiavanie konzistentného a overiteľného protokolu operácií v kontexte nedôveryhodných úložných serverov a ako to možno dosiahnuť?
- Ako môžu kryptografické techniky, ako sú digitálne podpisy a šifrovanie, pomôcť zabezpečiť integritu a dôvernosť údajov uložených na nedôveryhodných serveroch?
- Ako protokoly ako STARTTLS, DKIM a DMARC prispievajú k bezpečnosti e-mailov a aké sú ich príslušné úlohy pri ochrane e-mailovej komunikácie?
Pozrite si ďalšie otázky a odpovede v časti EITC/IS/ACSS Advanced Computer Systems Security