Nghiên cứu một số vấn đề bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VŨ ĐỨC HÙNG






NGHIÊN CỨU MỘT SỐ VẤN ĐỀ
BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƢỚI






LUẬN VĂN THẠC SĨ: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên- 2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


i

LỜI CẢM ƠN
Trƣớc tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy
PGS. TS . Trịnh Nhật Tiến đã định hƣớng và nhiệt tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi rất
nhiều về mặt chuyên môn trong quá trình làm luận văn.
Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến các thầy, các cô đã giảng dạy và truyền
đạt những kinh nghiệm quý báu cho chúng tôi trong suốt hai năm học cao học tại
trƣờng Đại học CNTT&TT - Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp, những ngƣời luôn gần gũi động viên, chia
sẻ cùng tôi trong suốt thời gian học tập và làm làm luận văn tốt nghiệp.
Xin cảm ơn gia đình và các bạn của tôi, những ngƣời đã luôn bên cạnh, động
viên và khích lệ tôi để có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay.
Cuối cùng tôi chúc các thầy, các cô, các bạn, những ngƣời thân yêu nhất của
tôi sức khoẻ, hạnh phúc và thành đạt trong cuộc sống.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2012
Vũ Đức Hùng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Vũ Đức Hùng, học viên lớp cao học khoá 2010-2012 ngành CNTT,
chuyên ngành Khoa học máy tính. Tôi xin cam đoan bài luận văn "Nghiên cứu một
số vấn đề Bảo vệ thông tin trong Hệ thống tính toán lƣới" là do tôi nghiên cứu, tìm
hiểu dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS.Trịnh Nhật Tiến, không phải sự sao chép của
ngƣời khác. Tôi xin chịu trách nhiệm về lời cam đoan này.
Thái Nguyên, tháng 10 năm 2012
Tác giả

Vũ Đức Hùng
Lớp Cao học KHMT 2010-2012

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i
LỜI CAM ĐOAN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC BẢNG v
DANH MỤC HÌNH vi
MỞ ĐẦU 1
Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƢỚI 2
VÀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƢỚI 2

1.1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƢỚI 2
1.1.1. Khái niệm Tính toán lƣới 2
1.1.2. Lợi ích của tính toán lƣới 4
1.1.2.1. Khai thác những nguồn tài nguyên chưa được sử dụng đúng mức 4
1.1.2.2. Giúp cân bằng trong sử dụng tài nguyên 4
1.1.2.3. Khả năng thực hiện tính toán song song 5
1.1.2.4. Chia sẻ nguồn tài nguyên đặc biệt 6
1.1.2.5. Phạm vi ứng dụng 6
1.1.3. Các thành phần của hệ thống tính toán lƣới 7
1.1.4. Kiến trúc chung của lƣới 8
1.2. BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƢỚI 12
1.2.1. Vấn đề cơ bản của một hệ thống tính toán lƣới 12
1.2.1.1. Bảo vệ thông tin 12
1.2.1.2. Lập lịch và quản lý tài nguyên 12
1.2.1.3. Dịch vụ thông tin 13
1.2.1.4. Quản lý dữ liệu 13
1.2.2. Hệ thống bảo vệ thông tin 13
1.2.2.1. Một số khái niệm 13
1.2.2.2. Yêu cầu an toàn thông tin trên lưới 15
1.2.2.3. Các chính sách bảo đảm an toàn thông tin 18
1.2.2.4. Kiến trúc bảo vệ thông tin 20
1.2.2.5. Cơ sở hạ tầng bảo vệ thông tin trong lưới tính toán 25
Chương 2. VẤN ĐỀ BẢO VỆ THÔNG TIN 28
TRONG HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƢỚI 28
2.1. VẤN ĐỀ XÁC THỰC THỰC THỂ SỬ DỤNG LƢỚI 28
2.1.1.Phƣơng pháp sử dụng chữ ký số 28
2.1.1.1. Sơ đồ chữ ký số [2] 28
2.1.1.2. Chữ ký RSA 29
2.1.1.3. Chữ ký Elgamal 30
2.1.1.4. Quy trình tạo và kiểm tra chữ ký số 31

2.1.2. Sử dụng Chữ ký số xác thực ngƣời sử dụng 35
2.2. VẤN ĐỀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRÊN ĐƢỜNG TRUYỀN LƢỚI 36
2.2.1. Phƣơng pháp mã hoá 36
2.2.1.1. Hệ mã hoá [2] 36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



iv

2.2.1.2.Hệ mã hoá khoá đối xứng 37
2.2.1.3. Hệ mã hoá khoá phi đối xứng 49
2.2.1.4. Sử dụng phương pháp mã hoá bảo mật thông tin trên đường truyền
lưới 54
2.2.2. Phƣơng pháp tạo đại diện thông điệp 55
2.2.2.1. Cấu trúc hàm băm mật mã 55
2.2.2.2. Đặc tính của hàm băm 56
2.2.2.3.Thuật toán băm SHA 56
2.2.2.4. Sử dụng phương pháp tạo đại diện thông điệp để kiểm tra tính toàn
vẹn 60
Chương 3. THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH BẢO VỆ THÔNG TIN 61
3.1. THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH MÃ HOÁ 61
3.1.1. Bài toán 61
3.1.2. Cài đặt chƣơng trình 61
3.1.3. Các thành phần chƣơng trình 61
3.1.4. Sử dụng chƣơng trình 61
3.2. THỬ NGHIỆM CHƢƠNG TRÌNH KÝ SỐ 64
3.2.1. Bài toán 64
3.2.2. Cài đặt chƣơng trình 64
3.2.3. Các thành phần chƣơng trình 64

3.2.4. Sử dụng chƣơng trình 65
KẾT LUẬN 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

















Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



v

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Bảng hoán vị khởi đầu 42
Bảng 2.2 Bảng khoá chuyển đổi 42

Bảng 2.3 Bảng số bít dịch của một vòng 43
Bảng 2.4 Bảng hoán vị nén 43
Bảng 2.5 Bảng hoán vị mở rộng E 44
Bảng 2.6 Hộp S thứ nhất 44
Bảng 2.7 Hộp S thứ hai 45
Bảng 2.8 Hộp S thứ ba 45
Bảng 2.9 Hộp S thứ tƣ 45
Bảng 2.10 Hộp S thứ năm 45
Bảng 2.11 Hộp S thứ sáu 46
Bảng 2.12 Hộp S thứ bảy 46
Bảng 2.13 Hộp S thứ tám 46
Bảng 2.14 Hộp hoán vị P 47
Bảng 2.15 Bảng hoán vị cuối cùng 47

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Minh hoạ về tính toán lƣới 3
Hình 1.2 Minh hoạ tổ chức ảo 5
Hình 1.3 Các thành phần theo mô hình chức năng 7
Hình 1.4 Kiến trúc phân tầng lƣới 9
Hình 1.5 Miền tin tƣởng chung của các tổ chức ảo 17
Hình 1.6 Mô hình kiến trúc bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lƣới 21
Hình 2.1 Sơ đồ tạo chữ ký số của thông điệp 32
Hình 2.2 Sơ đồ đọc và xác thực một tài liệu đƣợc ký bằng chữ ký số 34
Hình 2.3 Mã hoá với khoá mã và giải mã giống nhau 37
Hình 2.4 Sơ đồ mã hoá DES 39
Hình 2.5 Một vòng lặp của DES 41
Hình 2.6 Mã hoá với khoá mã và giải mã khác nhau 49
Hình 2.7 Bảo mật thông tin bằng mã hóa theo đƣờng truyền 54
Hình 2.8 Xử lý thông tin trong SHA-1 59
Hình 2.9 Kiểm tra tính toàn vẹn bằng phƣơng pháp tạo đại diện thông điệp 60

Hình 3.1 Chƣơng trình mã hoá 62
Hình 3.2 Tạo khoá bí mật, công khai 62
Hình 3.3 Mã hoá chuỗi Hexadecimal 63
Hình 3.4 Giải mã dùng hệ mã hoá RSA 63
Hình 3.5 Mã hoá file dữ liệu dùng hệ DES 64
Hình 3.6 Giải mã file dữ liệu dùng hệ DES 64
Hình 3.7 Chƣơng trình ký số RSA 65
Hình 3.8 Tạo khoá bí mật, công khai 65
Hình 3.9 Ký tài liệu 66
Hình 3.10 Xác thực chữ ký 66











Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, đã
xuất hiện những bài toán trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi sức mạnh tính toán mà một
máy tính riêng lẻ không thể đảm trách. Xuất phát từ những nhu cầu đó, các kỹ thuật

tính toán song song, tính toán phân tán đã đƣợc đề xuất và đã phần nào đáp ứng
đƣợc các yêu cầu này. Tuy nhiên, con ngƣời vẫn muốn có một sức mạnh tính toán
lớn hơn, với khả năng chia sẻ tài nguyên giữa mọi ngƣời trên phạm vi toàn cầu, khả
năng tận dụng các phần mềm cũng nhƣ tài nguyên vật lý phân tán cả về mặt địa lý.
Tính toán lƣới ra đời nhằm giải quyết yêu cầu trên.
Tính toán lƣới đã mở ra các giải pháp mới cho các ứng dụng đòi hỏi khả
năng tính toán lớn. Tính toán lƣới có thể đƣợc sử dụng cho các bài toán nghiên cứu
về sinh học, y học, vật lý, hoá học cũng nhƣ các ứng dụng trong phân tích và đánh
giá tài chính, khai thác dữ liệu và rất nhiều các loại ứng dụng khác.
Bảo vệ thông tin là một trong những vấn đề quan trọng nhất trong hệ thống
tính toán lƣới. Vì vậy, mục đích của luận văn là tìm hiểu, trình bày tổng quan về Hệ
thống tính toán lƣới. Trên cơ sở đó đi sâu tìm hiểu một số phƣơng pháp bảo vệ
thông tin trong hệ thống tính toán lƣới.
Bố cục của luận văn gồm:
Chƣơng 1. Khái quát về Hệ thống tính toán lƣới và bảo vệ thông tin trong
tính toán lƣới, trình bày khái niệm, các thành phần, kiến trúc và lợi ích của tính toán
lƣới. Các vấn đề cơ bản của tính toán lƣới và hệ thống bảo vệ thông tin.
Chƣơng 2. Một số vấn đề bảo vệ thông tin trong hệ thống tính toán lƣới,
trình bày việc giải quyết hai vấn đề xác thực thực thể sử dụng lƣới và bảo vệ thông
tin trên đƣờng truyền lƣới.
Chƣơng 3. Thử nghiệm chƣơng trình bảo vệ thông tin, cài đặt chƣơng trình
mã hoá và chƣơng trình ký số.
Phần kết luận, trình bày tóm tắt kết quả đạt đƣợc và hƣớng phát triển.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



2

Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƢỚI
VÀ BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƢỚI
1.1.KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TÍNH TOÁN LƢỚI
1.1.1. Khái niệm Tính toán lƣới
Tuỳ theo quan niệm và cách xây dựng hệ thống trong thực tế, mỗi tổ chức
hoặc cá nhân đƣa ra những định nghĩa khác nhau về lƣới.
Một định nghĩa về Lƣới tính toán (Computing Grid) khá hoàn chỉnh đƣợc
đƣa ra bởi tiến sĩ Ian Foster nhƣ sau:
“ Lƣới tính toán là một loại hệ thống song song, phân tán cho phép chia sẻ,
lựa chọn. Kết hợp các tài nguyên phân tán theo địa lý, thuộc nhiều tổ chức khác
nhau, dựa trên tính sẵn sàng, khả năng chi phí của chúng và yêu cầu về chất lƣợng
dịch vụ (QoS) của ngƣời dùng để giải quyết các bài toán, ứng dụng có quy mô lớn
trong khoa học, kỹ thuật và thƣơng mại. Từ đó hình thành nên các “ tổ chức ảo”
(Vitual Organization(VO)), các liên minh tạm thời giữa các tổ chức và tập đoàn,
liên kết với nhau để chia sẻ tài nguyên và / hoặc kỹ năng nhằm đáp ứng tốt hơn các
cơ hội kinh doanh hoặc các dự án có nhu cầu lớn về tính toán và dữ liệu, toàn bộ
việc liên minh này dựa trên các mạng máy tính”.
Còn dƣới quan điểm của một số công ty và liên minh phát triển lƣới trên thế
giới thì tính toán lƣới đƣợc định nghĩa nhƣ sau [8]:
Định nghĩa của Oracle: Tính toán lƣới là việc liên kết nhiều máy chủ và
thiết bị lƣu trữ thành một siêu máy tính nhằm tối ƣu hóa đƣợc tính ƣu việt của các
hệ thống máy chủ cũng nhƣ hệ thống ứng dụng, nhờ đó giảm thiểu đến mức thấp
nhất chi phí.
Định nghĩa của IBM: Tính toán lƣới là một môi trƣờng tính toán ảo. Môi
trƣờng này cho phép bố trí song song, linh hoạt, chia sẻ, tuyển lựa, tập hợp các
nguồn tài nguyên hỗn hợp về mặt địa lý, tùy theo mức độ sẵn sàng, hiệu suất, chi
phí của các tài nguyên tính toán và yêu cầu về chất lƣợng dịch vụ của ngƣời sử
dụng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3

Định nghĩa của liên minh điện toán lƣới: Môi trƣờng tính toán lƣới đƣợc
hiểu nhƣ một hạ tầng kết nối hệ thống máy tính, hệ thống mạng, hệ thống cơ sở dữ
liệu đƣợc sở hữu và quản lý bởi nhiều tổ chức, cá nhân nhằm cung cấp môi trƣờng
tính toán ảo duy nhất với hiệu năng cao cho ngƣời sử dụng.
Trong luận văn sẽ không đƣa ra định nghĩa nào, nhƣng để có một cái nhìn
toàn diện về tính toán lƣới, ta xem xét khái niệm tính toán lƣới theo một số đặc
điểm chung sau:
- Kích thước lớn: Theo số lƣợng tài nguyên và khoảng cách địa lý giữa
chúng.
- Phân tán: Có độ trễ đáng kể trong truyền dữ liệu, tài nguyên trải dài trên
các vùng địa lý khác nhau.
- Động: Các tài nguyên có thể thay đổi khi ứng dụng đang đƣợc thực hiện.
- Hỗn tạp: Kiến trúc và tính chất của các nút lƣới có thể là hoàn toàn khác
nhau. Tài nguyên lƣới có thể là các máy đơn hoặc mạng con khác nhau.
- Vượt qua phạm vi một tổ chức: Có nhiều trạm và các chính sách truy nhập
có thể khác nhau trên các trạm, tổng thể lƣới sẽ tạo ra một tổ chức ảo thống nhất.
Có thể hình dung đơn giản một lƣới bao gồm một tập các tài nguyên đa dạng
(còn gọi là nút lƣới có thể là PC, hệ thống lƣu trữ….) thuộc về nhiều tổ chức khác
nhau nhằm giải quyết một bài toán nào đó.

Hình 1.1 Minh hoạ về tính toán lƣới

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



4

1.1.2. Lợi ích của tính toán lƣới
Những lợi ích mà tính toán lƣới mang lại [8] bao gồm:
1.1.2.1. Khai thác những nguồn tài nguyên chưa được sử dụng đúng mức
Ứng dụng cơ bản nhất của tính toán lƣới chính là chạy một ứng dụng hiện
hữu trên một máy tính khác. Công việc đƣợc yêu cầu có thể chạy trên một máy rỗi
đâu đó trong mạng lƣới. Cần ít nhất hai điều kiện tiên quyết để thực hiện yêu cầu
này. Thứ nhất, ứng dụng phải có khả năng thực hiện từ xa; Thứ hai, máy từ xa phải
đáp ứng đƣợc những yêu cầu về phần cứng, phần mềm hoặc những yêu cầu về tài
nguyên khác cho ứng dụng.
Trong thực tế, các máy có thể để trống một dung lƣợng đĩa khá lớn. Tính
toán lƣới có khả năng tập hợp các không gian nhớ trống này thành một bộ nhớ ảo
lớn hơn, tạo ra sự cải thiện hiệu năng và độ tin cậy cao hơn. Thực vậy, giả sử một
ứng dụng cần đọc rất nhiều dữ liệu, dữ liệu này có thể đƣợc tự động nhân bản tại
nhiều điểm chiến lƣợc trên lƣới. Nhƣ vậy, nếu ứng dụng phải xử lý trên một máy từ
xa trong lƣới, dữ liệu đã ở ngay đó hay hoặc gần đó, và do vậy không cần phải di
chuyển đến điểm xa xôi. Điều này tạo ra những lợi ích về hiệu năng, đồng thời, việc
sao chép dữ liệu nhƣ vậy có thể đƣợc sử dụng nhƣ những bản sao lƣu khi bản gốc bị
hƣ hại hoặc không sẵn sàng.
1.1.2.2. Giúp cân bằng trong sử dụng tài nguyên

Khi một ứng dụng đòi hỏi quá nhiều tài nguyên thì rõ ràng một hệ thống đơn
lẻ không đủ sức để đáp ứng nó. Giải pháp ở đây là chúng có thể đƣợc chuyển đến
những hệ thống chƣa đƣợc sử dụng đúng mức. Nói cách khác là ứng dụng đó có thể
đƣợc phân tán ra từng phần để hoàn thành trên nhiều hệ thống khác nhau. Tóm lại,
lƣới có thể đảm bảo tính nhất quán để cân bằng tải trên một tập rộng lớn các tài
nguyên.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



5

1.1.2.3. Khả năng thực hiện tính toán song song
Khả năng tính toán song song là một trong những đặc điểm thú vị nhất của
tính toán lƣới. Yêu cầu chung của việc thực hiện tính toán song song là các ứng
dụng đƣợc thiết kế sao cho nó có thể đƣợc chia nhỏ thành các phần chạy độc lập với
nhau. Một ứng dụng có yêu cầu tính toán lớn trên lƣới có thể chia thành các công
việc nhỏ hơn, mỗi công việc này có thể đƣợc thực hiện trên một máy nào đó trong
lƣới. Mức độ liên quan giữa các công việc con càng thấp thì ứng dụng càng tối ƣu.
Một đóng góp quan trọng khác của tính toán lƣới là cho phép đơn giản hoá
sự tƣơng tác giữa các lĩnh vực, hệ thống, lĩnh vực rộng hơn. Tính toán lƣới cung cấp
những tiêu chuẩn quan trọng cho phép các hệ thống không đồng nhất có thể làm
việc với nhau để hình thành một hệ thống tính toán ảo lớn với những nguồn tài
nguyên ảo khác nhau. Ngƣời dùng lƣới có thể đƣợc tổ chức động vào trong một số
tổ chức ảo, mỗi tổ chức có những yêu cầu chính sách khác nhau. Những tổ chức ảo

này cũng có thể chia sẻ tài nguyên với nhau và tập hợp lại trong một lƣới lớn hơn.









Hình 1.2 Minh hoạ tổ chức ảo
Một ƣu điểm nổi bật của sự hợp tác là chia sẻ về dữ liệu. Những file hoặc cơ
sở dữ liệu có thể mở rộng thông suốt qua nhiều hệ thống, nhƣ vậy sẽ có khả năng
khai thác đƣợc nhiều hơn bất cứ hệ thống đơn lẻ nào.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



6

1.1.2.4. Chia sẻ nguồn tài nguyên đặc biệt
Ngoài việc chia sẻ CPU và các nguồn tài nguyên lƣu trữ, một lƣới có thể
cung cấp các dịch vụ cho phép truy nhập tới các thiết bị đặc biệt, phần mềm, bản
quyền và những dịch vụ khác.
Ví dụ: Một ngƣời dùng cần tăng thêm băng thông để thực hiện tìm kiếm,
khai phá dữ liệu, công việc có thể đƣợc chia ra cho các máy trong lƣới có kết nối
độc lập tới Internet. Khi đó toàn bộ khả năng tìm kiếm đƣợc nhân lên vì mỗi máy
đều có kết nối riêng biệt tới Internet. Tất nhiên, nếu những máy này đã chia sẻ kết

nối tới mạng thì băng thông tăng lên không đáng là bao.
Một vài máy có thể chia sẻ những phần mềm có bản quyền mà giá rất đắt. Để
thực hiện điều này, công việc sẽ đƣợc gửi đến máy có chứa phần mềm đó, sau khi
thực hiện sẽ trả về kết quả cho máy yêu cầu. Nói cách khác, đây là việc chia sẻ giấy
phép phần mềm
Một vài máy trong lƣới có thể có những thiết bị đặc biệt và lƣới sẽ đóng vai
trò chia sẻ các thiết bị đó.
Ví dụ: Một vài máy trong lƣới có thể kết nối với kính hiển vi điện tử lớn. Để
dùng nó từ xa, một mẫu thử đƣợc gửi tới chủ nhân của kính hiển vi. Sau đó, ngƣời
dùng có thể điều khiển máy từ xa, thay đổi góc nhìn phối cảnh cho đến khi lấy đƣợc
hình ảnh mong muốn.
1.1.2.5. Phạm vi ứng dụng
Tính toán lƣới thƣờng đƣợc sử dụng để giải quyết các bài toán khoa học đòi hỏi
khả năng tính toán và thông lƣợng cao nhƣ mô phỏng, thiết kế vi mạch, chia sẻ nội
dung, truy nhập dịch vụ từ xa. Hoặc các bài toán đòi hỏi dữ liệu lớn, thời gian thực,
phục vụ theo yêu cầu và các bài toán tính toán cộng tác nhƣ thiết kế cộng tác, khai
phá dữ liệu, giáo dục điện tử…





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



7

1.1.3. Các thành phần của hệ thống tính toán lƣới
Xét theo mô hình chức năng thì hệ thống tính toán lƣới có các thành phần

sau.
Các thành phần của lƣới tính toán theo mô hình chức năng
















Hình 1.3 Các thành phần theo mô hình chức năng

Theo hình minh hoạ 1.3 ta thấy, về mặt chức năng lƣới gồm các thành phần sau:
Cổng tương tác (Grid portal): Là một giao diện cho phép ngƣời dùng sử dụng
các ứng dụng lƣới, do đó lƣới trở nên trong suốt với ngƣời dùng.
Thành phần bảo mật (Security): Là cơ chế đảm bảo các hoạt động nhƣ xác
thực, cấp quyền, bảo mật, toàn vẹn và tính sẵn sàng .
Chức năng an ninh nút (Node Security Function): Chức năng này chịu trách
nhiệm xác thực và bảo mật cho từng nút trong quá trình giao tiếp giữa nó và các
thành phần khác bên trong mạng lƣới. Nó phụ thuộc vào hệ điều hành và các hệ
thống lƣới cụ thể, thƣờng thấy là cơ chế cấp chứng chỉ quyền truy cập.
Bộ lập lịch (Scheduler): Là phần phối hợp quá trình thực thi của nhiều công

việc song song. Đơn giản, ngƣời sử dụng có thể chọn nút thích hợp để chạy tác vụ,
sau đó chỉ việc kích hoạt lệnh để định tuyến công việc đó tới nút đã chọn.


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



8

Thành phần môi giới (Broker): Sau khi ngƣời dùng đƣợc xác nhận quyền gia
nhập vào mạng lƣới bởi thành phần an ninh nút, thành phần này sẽ chỉ rõ ứng dụng
của ngƣời dùng đƣợc sử dụng tài nguyên nào và đảm bảo tài nguyên đƣợc sẵn sàng
sử dụng theo tham số truyền vào.
Quản lý, phân bổ tài nguyên (Grid resource allocation manager- GRAM):
Cung cấp dịch vụ để kích hoạt từng công việc trên từng tài nguyên cụ thể; kiểm
tra trạng thái công việc; đọc kết quả khi công việc đó kết thúc. Các thông tin của
thành phần này sau đó sẽ đƣợc bộ lập lịch sử dụng.
Tài nguyên (Resource): Tài nguyên lƣới bao gồm bộ xử lý, bộ lƣu trữ, các
ứng dụng và các thành phần.
Quản lý dữ liệu (Data management): Dữ liệu có thể nằm ở tài nguyên, hoặc là
kết quả thực thi của một tác vụ nào đó. Thành phần quản lý dữ liệu phải đảm bảo an
toàn và ổn định trong quá trình di chuyển dữ liệu giữa các lƣới.
Giao thức (Protocol): Là thành phần đảm bảo liên kết các thành phần chức
năng kể trên để có thể hoạt động và tƣơng tác đƣợc với nhau trong mạng lƣới.
1.1.4. Kiến trúc chung của lƣới
Mạng lƣới tính toán là hệ thống phần cứng và phần mềm kết nối các máy
tính, cho phép chia sẻ các tài nguyên tính toán của các máy tính nối mạng, làm tăng
gấp nhiều lần hiệu năng và tốc độ xử lý thông tin, có khả năng chuyển tải những
khối lƣợng dữ liệu khổng lồ, tăng khả năng lƣu trữ và truy cập thông tin trên mạng.

Đây là điều mà công nghệ mạng Internet truyền thống chỉ dựa trên giao thức
TCP/IP không thể đạt tới.
Mạng lƣới tính toán đƣợc xây dựng trên nền tảng kiến trúc mở và phân
tầng. Trong mỗi tầng của lƣới, các thành phần chia sẻ các thuộc tính chung và đƣợc
bổ sung những tính năng mới mà không là ảnh hƣởng đến các tầng khác .




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



9

Ta có thể tổng hợp kiến trúc lƣới thành 5 tầng nhƣ sau:
Tầng Fabric: giúp định vị các tài nguyên mạng lƣới.
Tầng Connectivity: giúp kết nối mạng lƣới trên các mạng.
Tầng Resource: giúp chia sẻ các tài nguyên mạng lƣới.
Tầng Collective: giúp kết hợp và định vị nhiều kiểu tài nguyên.
Tầng Application: giúp kết nối các ứng dụng ngƣời dùng, để truy cập và sử
dụng tài nguyên mạng lƣới.

Hình 1.4 Kiến trúc phân tầng lƣới



Application (Tầng ứng dụng)

Collective (Tầng kết hợp)

Resource (Tầng tài nguyên)

Connectivity(Tầng kết nối)

Fabric(Tầng thiết bị)
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



10

Tầng Fabric (tầng thiết bị)
Tầng này bao gồm các tài nguyên cục bộ, phân tán trên mạng, chúng bị ràng
buộc bởi Cơ chế quản lý tài nguyên và Cơ chế kiểm tra.
Tài nguyên của tầng này đƣợc phân thành các nhóm nhƣ sau:
- Tài nguyên tính toán: Đó là các kỹ thuật cần thiết để khởi đầu chƣơng trình
và để giám sát cũng nhƣ việc điều khiển việc thực hiện tiến trình xuất kết quả. Các
kỹ thuật quản lý, cho phép điều khiển các tài nguyên đƣợc cấp cho trong các tiến
trình cũng rất hữu hiệu (Ví dụ: Kỹ thuật đặt chỗ trƣớc).
- Tài nguyên lƣu trữ: Đó là các kỹ thuật cần cho việc sắp đặt và lấy file, cũng
nhƣ các kỹ thuật đọc và ghi một tập con của file hoặc các chức năng lựa chọn hay
thu nhỏ đối với các dữ liệu ở xa. Các kỹ thuật quản lý tài nguyên cho phép điều
khiển các tài nguyên cấp cho chuyển giao dữ liệu (nhƣ không gian đĩa, băng thông,
CPU).
- Tài nguyên mạng: Đây là các kỹ thuật quản lý đối với các tài nguyên đƣợc
cấp cho chuyển giao trên mạng.
- Các kho mã nguồn: Đây là một dạng đặc biệt của các tài nguyên lƣu trữ. Nó
cần các kỹ thuật để quản lý các phiên bản của mã nguồn và mã nguồn.

Tầng Connectivity (tầng kết nối)
Tầng này đóng vai trò rất quan trọng, nó xác định các giao thức lõi về kết nối

và chứng thực cho các giao dịch trên mạng. Các giao thức kết nối cho phép trao đổi
dữ liệu giữa các tài nguyên của tầng Fabric.
Các giao thức kết nối bao gồm các giao thức vận chuyển (Transport), tìm
đƣờng (Rounting) và quản lý tên (Naming). Các giao thức này tƣơng tự các giao
thức IP, TCP, UDP trong bộ giao thức TCP/IP và các giao thức tầng ứng dụng nhƣ
DNS,OSPF, RSPV




Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



11

Tầng Resource (tầng tài nguyên)
Tầng này dựa trên nền tảng sẵn có của tầng conectivity. Những giao thức
trong tầng này sẽ gọi các chức năng trong tầng Fabric để truy cập và sử dụng các
loại tài nguyên.
Hai giao thức chính:
- Giao thức thông tin (Information Protocol): Đƣợc sử dụng để thu đƣợc các
thông tin cấu trúc và trạng thái tài nguyên nhƣ cấu hình mức tải hiện thời và các
chính sách sử dụng khác
- Giao thức quản lý (Management Protocol): Sử dụng để truy cập các tài
nguyên chia sẻ, tạo các tiến trình, truy cập dữ liệu


Tầng Collective (tầng kết hợp)
Tầng này chứa các giao thức và dịch vụ cho phép giao tiếp giữa các tài

nguyên trong mạng lƣới. Tầng này bao gồm các dịch vụ chính sau:
- Các dịch vụ thƣ mục (Directory Sevices): Cho phép tìm ra các nguồn tài
nguyên và các đặc tính của nó.
- Các dịch vụ cấp phát chạy, lập lịch, môi giới (Co-allocation; Sheduling;
Brokering Services): Cho phép yêu cầu cấp tài nguyên cho các mục đích cụ thể và
lập lịch thực thi các công việc dựa trên các tài nguyên đƣợc cấp phát.
- Các dịch vụ giám sát và dự báo (Monitoring and Diagnostic Services): Cho
phép theo dõi các sai hỏng, các cuộc tấn công sai phạm, quá tải
- Các dịch vụ nhân bản dữ liệu (Data replication Services): Cho phép tăng
hiệu năng hệ thống.
- Các hệ thống hỗ trợ lập trình lƣới (Grid-enable Programming Systems):
Gồm các thƣ viện lập trình.
- Hệ thống quản lý tải và môi trƣờng cộng tác (Workload Management
System & Collaboration Frame Work): Cho phép quản lý các luồng công việc.
- Dịch vụ tìm kiếm phần mềm (Sofware Discovery Services): Cho phép lựa
chọn các nền tảng thực thi tuỳ theo các tham số của bài toán.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



12

Tầng Application (tầng ứng dụng)
Tầng này bao gồm các ứng dụng đƣợc phát triển trên môi trƣờng lƣới. Các
ứng dụng lƣới này đƣợc xây dựng trên cơ sở gọi các hàm, các dịch vụ đƣợc cung
cấp bởi các tầng phía dƣới. Vì vậy, ở tầng này phải thiết kế và cài đặt các dịch vụ,
các hàm cụ thể để sao cho ngƣời sử dụng lƣới cảm thấy trong suốt. Ngƣời sử dụng
yêu cầu chạy ứng dụng, nhận về kết quả mà không hề biết ứng dụng đƣợc chạy ở
đâu trên hệ thống lƣới, sử dụng tài nguyên gì, ở đâu. Vì vậy, có thể xem hệ thống
tính toán lƣới nhƣ một máy tính ảo đƣợc kết hợp các tài nguyên khác nhau.

1.2. BẢO VỆ THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƢỚI
1.2.1. Vấn đề cơ bản của một hệ thống tính toán lƣới
Có 4 vấn đề cơ bản đƣợc quan tâm trong tính toán lƣới [6] nhƣ sau:
1.2.1.1. Bảo vệ thông tin
Sự phát triển của hệ thống tính toán lƣới đƣợc quyết định bởi một nền tảng
bảo vệ thông tin vững chắc. Với tính chất là có quy mô lớn, quan hệ chia sẻ tài
nguyên giữa nhiều tổ chức, bảo vệ thông tin phải là yếu tố đƣợc đặt lên hàng đầu
trong lƣới.
Một số vấn đề bảo vệ thông tin phải xem xét trong tính toán lƣới là:
- Xác thực thực thể sử dụng lƣới.
- Bảo vệ thông tin trên đƣờng truyền lƣới.
- Bảo vệ sự tấn công phá hoại hạ tầng cơ sở lƣới.
- Phòng tránh các dạng tấn công lƣới chẳng hạn tấn công từ chối dịch vụ,
tấn công giữa
1.2.1.2. Lập lịch và quản lý tài nguyên
Các tài nguyên lƣới thƣờng phân tán và không đồng nhất. Do đó, việc tích
hợp, đồng bộ hoá và biểu diễn chúng dƣới một dạng thống nhất là yêu cầu cần thiết.
Trong môi trƣờng tính toán lƣới, tại một thời điểm có thể có rất nhiều ứng
dụng cùng truy cập chia sẻ một hoặc nhiều tài nguyên khác nhau nên cần có bộ lập
lịch nhằm tối ƣu hoá công việc. Bộ lập lịch dựa vào các thông tin trên lƣới để quyết
định thứ tự đệ trình công việc.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



13

1.2.1.3. Dịch vụ thông tin
Đối với môi trƣờng động và không đồng nhất nhƣ tính toán lƣới thì các

thông tin về các thành phần trong lƣới sẽ thƣờng xuyên thay đổi. Do đó, dịch vụ
thông tin cần cung cấp cơ chế tự động cập nhật và đăng ký các thông tin về toàn hệ
thống nhƣ tài nguyên, các dịch vụ có thể cung cấp trên lƣới, trạng thái của toàn bộ
môi trƣờng lƣới.
1.2.1.4. Quản lý dữ liệu
Việc truy cập các nguồn dữ liệu trên lƣới đòi hỏi một khả năng trao đổi,
tƣơng tác giữa các dữ liệu có thể lên đến Giga bytes hoặc nhiều hơn. Điều này đòi
hỏi hệ thống lƣới phải có chiến lƣợc lƣu trữ và tối ƣu hoá hệ thống lƣu trữ.
1.2.2. Hệ thống bảo vệ thông tin
1.2.2.1. Một số khái niệm
 Bảo vệ thông tin
Bảo vệ thông tin là một chủ đề rộng, có liên quan đến nhiều lĩnh vực và
trong thực tế có nhiều phƣơng pháp để bảo vệ thông tin.
Bảo vệ thông tin bao gồm:
- Bảo đảm tính bí mật: Tính bí mật của thông tin là tính giới hạn về đối
tƣợng đƣợc quyền truy xuất đến thông tin.
- Bảo đảm tính toàn vẹn (bảo toàn): Đặc trƣng này đảm bảo sự tồn tại nguyên
vẹn của thông tin, loại trừ mọi sự thay đổi thông tin có chủ đích hoặc hƣ hỏng, mất
mát thông tin do sự cố thiết bị hoặc phần mềm.
Tính toàn vẹn đƣợc xét trên hai khía cạnh
+ Tính nguyên vẹn của nội dung thông tin.
+ Tính xác thực của nguồn gốc thông tin.
- Bảo đảm tính xác thực:
Xác thực thông tin (message authentication) là một cơ chế đƣợc ứng dụng
trong xử lý thông tin với mục đích:
+ Đảm bảo nội dung thông tin trao đổi giữa các thực thể là chính xác,
không bị thêm, sửa, xoá hay phát lại (đảm bảo tính toàn vẹn về nội dung).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14

+ Đảm bảo đối tƣợng tạo ra thông tin (nguồn gốc thông tin) đúng là đối
tƣợng hợp lệ đã đƣợc khai báo (đảm bảo tính toàn vẹn về nguồn gốc thông tin).
- Bảo đảm tính khả dụng (sẵn sàng): Tính khả dụng của thông tin là tính sẵn
sàng của thông tin cho các nhu cầu truy xuất hợp lệ.

 Khái niệm mã hoá
Mã hoá (Encryption) là quá trình chuyển thông tin gốc có thể đọc đƣợc (gọi
là bản rõ-plaintext) thành thông tin bí mật khó có thể đọc đƣợc (gọi là bản mã-
Clippher text). Quá trình biến đổi thông tin mật về dạng thông tin gốc ban đầu gọi là
quá trình giải mã (Decryption).
Thuật toán mã hoá (Encryption algorithm) hay giải mã là thủ tục tính toán
để mã hoá hay giải mã.
Khoá mã hoá là một giá trị làm cho thuật toán mã hoá đƣợc thực hiện theo
cách riêng biệt và sinh ra bản mã riêng. Thông thƣờng khoá càng lớn thì bản mã
càng an toàn. Phạm vi các giá trị có thể có của khoá đƣợc gọi là không gian khoá.
 Hàm băm mật mã
Hàm băm mật mã hay gọi tắt là hàm băm là một hàm toán học chuyển đổi
một thông điệp có độ dài bất kỳ thành một dãy bit có độ dài cố định (tuỳ thuộc vào
thuật toán băm). Dãy bit này gọi là giá trị băm hay “Đại diện thông điệp”, “Đại diện
tài liệu”.
 Chữ ký số
Những năm 80 của thế kỷ XX, các nhà khoa học đã phát minh ra “chữ ký số”
để chứng thực một “tài liệu số”. Đó chính là “bản mã” của xâu bit tài liệu.[2]
Ngƣời ta tạo ra chữ ký số (chữ ký điện tử) trên tài liệu số giống nhƣ tạo ra
bản mã của tài liệu với khoá lập mã.
Nhƣ vậy, ký số trên tài liệu số là ký trên từng bit tài liệu. Kẻ gian khó có thể
giả mạo chữ ký số nếu không biết khoá lập mã.

Để kiểm tra một chữ ký số thuộc về một tài liệu số, ngƣời ta giải mã chữ ký
số bằng khoá giải mã và so sánh với tài liệu gốc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



15

1.2.2.2. Yêu cầu an toàn thông tin trên lưới
Do đặc điểm hỗn tạp và không đồng nhất của các tổ chức và tài nguyên trong
lƣới, vấn đề bảo vệ thông tin trong lƣới là một trong những vấn đề đƣợc quan tâm
hàng đầu. Có vấn đề bảo mật mới chƣa từng gặp trong các công nghệ bảo mật hiện
tại cho hệ thống tính toán truyền thống.
Ví dụ: Các hệ thống tính toán song song đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán,
dẫn tới nhu cầu phải thiết lập mối quan hệ bảo mật, không chỉ đơn giản là với Client
và Sever mà giữa hàng trăm tiến trình thực hiện trong không gian tập hợp nhiều
miền quản trị. Ngoài ra, cần phải có các chính sách bảo mật liên miền cho lƣới; các
công nghệ điều khiển truy nhập giữa các miền khác nhau cũng phải đƣợc hỗ trợ.
Các ứng dụng và hệ thống lƣới có thể đòi hỏi bất cứ chức năng nào nhƣ là:
chứng thực, điều khiển truy nhập, toàn vẹn, bí mật. Khi phát triển kiến trúc bảo mật
lƣới, cũng phải lựa chọn giải pháp để đáp ứng đƣợc đòi hỏi của các đặc tính rất
riêng của lƣới.
- Đăng nhập một lần
Khi bắt đầu một tính toán đòi hỏi sử dụng tài nguyên, cho thuê tài nguyên
hay truyền thông nội bộ, ngƣời dùng có thể đƣợc chứng thực và sẽ không phải
chứng thực trong các tính toán tiếp theo.
- Giấy uỷ nhiệm người dùng
Các mật khẩu, khoá bí mật, phải đƣợc bảo vệ bằng các chính sách nhƣ mã
hoá, hệ thống File bảo mật, phân quyền.

- Tích hợp các giải pháp bảo mật địa phương
Các giải pháp bảo mật liên miền phải tích hợp với các giải pháp bảo mật địa
phƣơng để đảm bảo độc lập của các thành viên lƣới.





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



16

- Cơ sở hạ tầng giấy uỷ nhiệm, giấy chứng nhận thống nhất
Truy nhập liên miền đòi hỏi phải có một quy ƣớc thống nhất để biểu diễn
định danh của các thực thể lƣới nhƣ là ngƣời dùng, tài nguyên Vì thế, cần có một
chuẩn để mã hoá các giấy chứng nhận cho mục đích bảo mật. Hiện tại, X509 là
chuẩn cho các giấy chứng nhận phổ biến trong môi trƣờng lƣới.
- Hỗ trợ bảo mật nhóm truyền thông
Mọi tính toán lƣới có thể đòi hỏi một số các tiến trình, cùng cộng tác các
hoạt động của chúng với nhau nhƣ một nhóm. Tổ hợp các nhóm tiến trình sẽ thay
đổi trong vòng đời của một tính toán. Vì thế, cần cung cấp bảo mật truyền thông
nhóm động. Hiện tại, không có giải pháp nào hỗ trợ tính năng này, thậm chí là thƣ
viện lập trình bảo mật GSS-API còn không có bảo mật nhóm.
- Độc lập công nghệ
Các chính sách bảo mật không phục vụ cho một công nghệ phát triển ứng
dụng cụ thể nào. Hơn nữa, có thể cài đặt các chính sách bảo mật trong một phạm vi
các công nghệ bảo mật, dựa trên cả kỹ thuật mã khoá công khai và phân phối khoá
công khai.

Các yêu cầu an toàn ở trên đƣợc định hƣớng để cung cấp cho các tổ chức ảo
phân tán, rộng lớn để chia sẻ và sử dụng các nguồn tài nguyên đa dạng trong một
mô hình thống nhất. Nhƣng các tài nguyên cũng nhƣ các thành phần khác tham gia
lƣới lại bị quản lý bởi các cơ chế và các chính sách của một tổ chức truyền thống
mà chúng là thành viên. Do vậy, để tổ chức ảo truy nhập vào các tài nguyên của các
tổ chức truyền thống, chúng phải đƣợc thiết lập và cộng tác qua mối quan hệ tin
tƣởng hai bên, tồn tại giữa ngƣời dùng với tổ chức truyền thống của họ và mối quan
hệ giữa ngƣời dùng với các tổ chức ảo. Cơ chế an toàn thông tin trên lƣới giải quyết
vấn đề này bằng cách cho phép có một tổ chức ảo thống nhất chung một phần chính
sách của các tổ chức truyền thống



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



17

Hình 1.5 Miền tin tƣởng chung của các tổ chức ảo

Các tài nguyên và các tổ chức đƣa ra các điều khiển chính sách mở rộng cho
một bên thứ ba, các tổ chức ảo phối hợp các chính sách mở rộng trong một miền tin
tƣởng ổn định lâu dài, để cho phép chia sẻ tài nguyên và sử dụng. Giải pháp tải
chồng chính sách nhƣ trên dẫn tới các chức năng chủ yếu sau mà hệ thống lƣới phải
thực hiện nhƣ: Hỗ trợ nhiều cơ chế bảo mật khác nhau, khởi tạo động các dịch vụ,
thiết lập động các miền chứng thực tin tƣởng.







Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



18

1.2.2.3. Các chính sách bảo đảm an toàn thông tin
Một số định nghĩa:
+ Chủ thể: Là một thành viên của các hoạt động bảo vệ thông tin, đối với

môi trƣờng lƣới chủ thể thƣờng là ngƣời dùng, tài nguyên hay các tiến trình thay
mặt cho tài nguyên đó.
+ Giấy uỷ nhiệm: Là một phần thông tin, dùng để cung cấp định danh cho
chủ thể xác định tên và vai trò của chủ thể đó trong lƣới.
+ Thẩm quyền: Là tiến trình để chủ thể chứng minh định danh của mình cho
đối tƣợng đƣợc yêu cầu. Thẩm quyền hai bên (bên yêu cầu và bên đƣợc yêu cầu) là
quá trình hai bên thẩm quyền lẫn nhau, còn gọi là thẩm quyền đa phƣơng.
+ Đối tƣợng: Là các tài nguyên đƣợc bảo vệ bởi một chính sách bảo đảm an
toàn thông tin nào đó.
+ Chứng thực: Là tiến trình mà thông qua đó ta xác định đƣợc một chủ thể có
đƣợc phép truy nhập và sử dụng tài nguyên hay không.
+ Miền tin tƣởng: Là cấu trúc quản lý mức logic, do một chính sách bảo vệ ổ
định, đơn lẻ mức địa phƣơng nắm giữ hay nói cách khác, nó là một tập các chủ thể
và đối tƣợng đƣợc quản lý bởi đơn miền quản trị và chính sách bảo vệ cục bộ.
Để giải quyết yêu cầu bảo vệ thông tin trong lƣới tính toán ta có các chính
sách sau đây:
Môi trƣờng bảo mật đa miền: Bởi vì lƣới là một tập hợp không đồng nhất của
các ngƣời dùng và tài nguyên cục bộ, cho nên các chính sách bảo mật cục bộ dành
cho các tài nguyên và ngƣời dùng cũng khác nhau, chính sách bảo mật lƣới phải
đảm bảo tích hợp đƣợc tất cả các tập hợp không đồng nhất này. Nói chung, môi
trƣờng lƣới không hạn chế hay không ảnh hƣởng tới các chính sách bảo mật địa
phƣơng, nhiệm vụ của chính sách bảo mật lƣới là phải tập trung điều khiển các
tƣơng tác liên miền, ánh xạ các hoạt động liên miền vào trong các chính sách bảo
mật địa phƣơng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên