Luận văn Thạc sỹ Nghiên cứu việc đảm bảo an toàn thông tin trong hệ thống tính toán lưới

Header Page 1 of 16.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU VIỆC ĐẢM BẢO AN TOÀN
THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG TÍNH
TOÁN LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2015

1

Footer Page 1 of 16.


Header Page 2 of 16.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU VIỆC ĐẢM BẢO AN TOÀN
THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG TÍNH
TOÁN LƯỚI
Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã
số: 60.48.05
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Trịnh Nhật Tiến

Hà Nội - 2015

2

Footer Page 2 of 16.


Header Page 3 of 16.

MỤC LỤC
MỤC LỤC .............................................................................................................. 1
DANH MỤC THUẬT NGỮ ................................................................................... 6
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 8
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 10
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN LƯỚI ..................................... 11

1.1. TÍNH TOÁN LƯỚI. ................................................................................... 11
1.1.1. Khái niệm Tính toán lưới. ..................................................................... 11
1.1.2. Lợi ích của Tính toán lưới. ................................................................... 13
1.1.3. Vấn đề cơ bản của một hệ thống lưới. ................................................... 15
1.1.4. Kiến trúc của một lưới .......................................................................... 16
1.2. VẤN ĐỀ AN TOÀN THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI ............... 17
1.2.1. Các thách thức an toàn trong Tính toán lưới. ....................................... 18

1.2.2. Các chính sách bảo đảm an ninh cho hệ thống lưới .............................. 20
1.2.3. Kiến trúc an ninh cho hệ thống lưới ..................................................... 23
CHƯƠNG 2. NỀN TẢNG AN TOÀN THÔNG TIN LƯỚI GSI .................... 29
2.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ AN TOÀN THÔNG TIN ......................... 29
2.1.1. Mã hóa thông tin .................................................................................. 29
2.1.2. Hệ mã hóa khóa đối xứng. .................................................................... 30 2.1.3.
Hệ mã hóa khóa phi đối xứng. .............................................................. 31 2.1.4. Chữ ký
số .............................................................................................. 32
2.1.5. Chứng chỉ số. ........................................................................................ 33
2.1.6. Nhà cung cấp và quản lý chứng chỉ số. ................................................. 35
2.2. CƠ SỞ HẠ TẦNG AN TOÀN THÔNG TIN TRÊN LƯỚI. ........................ 37
2.2.1. Cơ sở hạ tầng mật mã khóa công khai. ................................................. 37
2.2.2. Bảo vệ thông tin mức thông điệp và mức giao vận. ............................... 38
2.2.3. Giấy ủy nhiệm lưới. .............................................................................. 39
2.2.4. Sự ủy quyền. ......................................................................................... 39
2.2.5. Chứng thực trong GSI. .......................................................................... 40
2.2.6. Ứng dụng của GSI. ............................................................................... 40
2.3. BỘ CÔNG CỤ GLOBUS TOOLKIT 4.0. ................................................... 41
2.3.1. Thành phần chính của Globus Toolkit. ................................................. 41
2.3.2. An toàn bảo mật trong Globus Toolkit. ................................................. 45

3

Footer Page 3 of 16.


Header Page 4 of 16.

2.3.3. Minh họa cài đặt cơ chế an toàn bảo mật cho dịch vụ GRAM. .............. 47
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG QUẢN LÝ TỔ CHỨC ẢO ................................... 50

3.1. TỔ CHỨC ẢO. ........................................................................................... 50
3.1.1. Khái niệm tổ chức ảo. ........................................................................... 50 3.1.2. Tổ
chức ảo và tài nguyên lưới. .............................................................. 51
3.1.3. Thông tin người dùng trong tổ chức ảo. ................................................ 53
3.1.3.1 Cấu trúc tổ chức ảo. ........................................................................ 53
3.1.3.2 Thông tin người dùng. ..................................................................... 54
3.1.3.3 Định dạng thông tin VO. ................................................................. 55
3.1.3.4 Thông tin về các quyền người dùng với RP. .................................... 55
3.2. HỆ THỐNG QUẢN LÝ TỔ CHỨC ẢO. ..................................................... 56
3.2.1. Người dùng với VOMS. ......................................................................... 57
3.2.1.1 Người dùng lưới với VOMS. ........................................................... 57
3.2.1.2 Người quản trị với VOMS ............................................................... 60
3.2.2. Dịch vụ VOMS. ..................................................................................... 61
3.2.2.1 Dịch vụ sinh thuộc tính AAS. .......................................................... 62
3.2.2.2 Dịch vụ đăng ký & quản trị ARS. .................................................... 63
3.2.3. Phân quyền người dùng trong VOMS. .................................................. 64
3.2.3.1 Danh sách điều khiển truy cập. ........................................................ 64
3.2.3.2 Quyền thực hiện các tác vụ quản lý VO trong VOMS. .................... 65
3.3. DỊCH VỤ TẠO DANH SÁCH TRUY CẬP EDG-MKGRIDMAP. ............. 69
CHƯƠNG 4.

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM ........................................................ 70

4.1. HỆ THỐNG QUẢN LÝ NGƯỜI DÙNG LƯỚI TÍNH TOÁN ..................... 70
4.1.1. Giới thiệu hệ thống GOODAS. .............................................................. 71
4.1.2. Mô hình bảo mật cho GOODAS. ........................................................... 73
4.2. THÀNH PHẦN QUẢN LÝ TỔ CHỨC ẢO ................................................. 74
4.2.1. Sử dụng VOMS. .................................................................................... 74
4.2.1.1 Người dùng lưới và VOMS. ............................................................ 75
4.2.1.2 Người quản trị và VOMS. ............................................................... 78

4.2.2 Sử dụng EDG-MKGRIDMAP. .......................................................... 86
4.3. THÀNH PHẦN QUẢN LÝ GIẤY UỶ NHIỆM ........................................... 86
4.3.1. Cổng điện tử lưới. ................................................................................. 86
4.3.1. Mô hình uỷ quyền truy nhập trên cổng điện tử lưới. .............................. 88
4.3.3. Dịch vụ quản lý giấy uỷ nhiệm. ............................................................. 89 4.4
MỘT SỐ HANB CHÊC CỦA VOMS. ............................................................... 92

4

Footer Page 4 of 16.


Header Page 5 of 16.

4.4.1 Hạn chế của VOMS. .............................................................................. 92 4.4.2 Hạn
chế của EDG-MKGRIDMAP. ........................................................ 93
4.5. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA VOMS .......................................................... 94
4.5.1 VOMRS kết hợp cùng VOMS. ................................................................ 94
4.5.1.1 Tổng quan về VOMRS. ................................................................... 94
4.5.1.2 Đồng bộ VOMRS và VOMS. .......................................................... 96
4.5.2 GUMS & PRIMA thay thế EDG-MKGRIDMAP. ................................... 97
KẾT LUẬN .......................................................................................................... 99 TÀI
LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................100
PHỤ LỤC: CÀI ĐẶT VOMS VÀ EDG-MKGRIDMAP. .................................101
1. CÀI ĐẶT VOMS. ........................................................................................101
1.1. Chuẩn bị hệ thống ..................................................................................101 1.2.
Cài đặt VOMS ........................................................................................102 2. CÀI ĐẶT
EDG-MKGRIDMAP. ..................................................................104
2.1. Chuẩn bị hệ thống ..................................................................................104 2.2.
Cài đặt EDG-MKGRIDMAP ..................................................................104 3. CẤU

HÌNH HỆ THỐNG ..................................................................................105
3.1. Cấu hình VOMS......................................................................................105
3.2. Cấu hình VO. ..........................................................................................107
3.3. Cấu hình EDG-MKGRIDMAP.
...............................................................111

5

Footer Page 5 of 16.


Header Page 6 of 16.

DANH MỤC THUẬT NGỮ
Từ viết tắt
AAS

Nghĩa tiếng Anh
Attribute Authority Service

Chú giải
Dịch vụ phân quyên thuộc tính

AC

Attribute Certificate

Chứng nhận thuộc tính

ACL

Access Control Lists

Danh sách điều khiển quyền truy cập

ARS

Dịch vụ đăng ký và quản trị

CA

Administration and
Registration Service
Certificate Authority

CAS

Community Authorization

DN
Distinguished Name
EDGEDG Make Gridmap
MKGRIDMAP
FTP
GOODAS

GRAM
GRIM
GSI
GSS-API

GT

GUMS
LMJFS
MJS

File Transfer Protocol
Grid Oriented Online
Document Analysing
System
Globus Resource
Allocation Management
Grid Resource Identity
Mapper
Grid Security infrastructure
Generic Security Service
Application Program
Interface
Globus Toolkit

Nhà cung cấp và quản lý chứng chỉ
số
Dịch vụ thẩm quyền cộng đồng
Tên phân biệt người dùng trong lưới
Công cụ tự động ánh xạ người dụng
cục bộ và người dùng thuộc VO.
Giao thức truyền file qua mạng TCP
Hệ thống lưới tìm kiếm và so khớp tài
liệu điện tử

Quản lý định vị tài nguyên lưới
Ánh xạ thực thể tài nguyên lưới
Hạ tầng an toàn thông tin lưới
Giao diện lập trình ứng dụng dịch vụ
bảo mật chung
Bộ công cụ được phát triển bởi
Globus Alliance, dùng để phát triển
các ứng dụng lưới

Grid User Management
Hệ thống quản lý người dùng lưới
System
Local Managed Job Factory Dịch vụ sinh MJS địa phương
Services
Managed Job Service
Dịch vụ quản lý công việc

6

Footer Page 6 of 16.


Header Page 7 of 16.

MMJFS
OGSA
PKI

Master Managed Job
Factory Service

Open Grid Service
Architecture
Public Key Infrastructure

PRIMA

PRivilige Management and
Authorization

RP
SAML

Resource Provider
Security Assertion Markup
Language
Service Oriented

SOA

Trình chủ sinh MJS
Kiến trúc dịch vụ lưới
Hạ tầng khóa công khai
Dịch vụ quản lý ưu tiên và phân
quyền
Nhà cung cấp tài nguyên
Ngôn ngữ đánh dấu liên kết an toàn
Kiến trúc hướng dịch vụ

Architecture

Protocol

Giao thức truy cập đối tượng đơn
giản

SSL

Secure Sockets Layer

Giao thức bảo mật lớp sockets

TLS

Transport Layer Security

Giao thức bảo mật tầng giao vận

VO
VOMRS

Virtual Organization
Virtual Organization
Management Registration
Service
Virtual
Organization
Membership Service
Web Service
Web Service Deployment

Tổ chức ảo
Dịch vụ quản lý đăng ký tổ chức ảo

SOAP

Simple Object Acess

VOMS
WS
WSDD

Dịch vụ thành viên tổ chức ảo
Dịch vụ web
Ngôn ngữ đặc tả dịch vụ Web

Descriptor
WSRF

Web Services Resource
Framework

Framework đưa ra bởi GT4 hỗ trợ
kiến trúc lập trình mới

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay tính toán lưới đang nổi lên như một công nghệ nhiều hứa hẹn trong
tương lai, với khả năng tập hợp các nguồn tài nguyên nhàn rỗi, nhằm hướng tới các
mục tiêu về hiệu năng tính toán và khả năng chia sẻ, truyền thông dữ liệu. Nhiều trung

7

Footer Page 7 of 16.


Header Page 8 of 16.

tâm nghiên cứu và các tổ chức trên thế giới đang áp dụng và triển khai công nghệ này
vào thực tiễn, mở ra các khả năng mới trong lĩnh vực công nghệ thông tin cũng như
các lĩnh vực khác.
Do đặc điểm đa dạng và không đồng nhất của các tổ chức và tài nguyên trong
lưới, vấn đề bảo mật trong lưới là một trong những vấn đề được quan tâm hàng đầu.
Có những vấn đề bảo mật mới chưa từng gặp trong các công nghệ bảo mật hiện tại
cho hệ thống tính toán phân tán truyền thống. Các thách thức về an toàn bảo mật được
đưa ra như các chính sách bảo mật liên miền cho lưới, các công nghệ điều khiển truy
nhập giữa các miền khác nhau.
Một vấn đề quan trọng đặt ra trong nghiên cứu an toàn bảo mật trên lưới là việc
quản lý bảo mật và danh sách điều khiển truy nhập trong một môi trường động và có
tính phân tán cao. Luận văn trình bày một giải pháp hoàn chỉnh cho việc quản lý người
dùng lưới, xác thực phân quyền và cho phép người dùng hay tổ chức ảo gia nhập mới.
Giải pháp được phát triển trong lưới tìm kiếm và so khớp tài liệu điện tử liên trường
GOODAS. Hệ thống lưới được phát triển tại trung tâm tính toán hiệu năng cao (HPCC)
thuộc trường đại học Bách Khoa Hà Nội. Cấu trúc của luận văn bao gồm các mục sau.
Chương I: Tổng quan về tính toán lưới
Chương II: Nền tảng an toàn thông tin lưới GSI Chương
III: Hệ thống quản lý tổ chức ảo
Chương IV: Kết quả thử nghiệm
Kết luận, Phụ lục & Tài liệu tham khảo được trình bày ở phần cuối của luận
văn.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết rằng nội dung của bản báo cáo này chưa được nộp cho bất kỳ
một chương trình cấp bằng thạc sĩ nào cũng nhưu bất kỳ một chương trình cấp bằng
nào khác.

8

Footer Page 8 of 16.


Header Page 9 of 16.

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm nghiên cứu, tìm
hiểu của riêng cá nhân tôi. Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều được trình
bày hoặc là của cá nhân tôi hoặc là được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài
liệu tham khảo đều có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp.

Tôi xin hoàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời
cam đoan của mình.

Học viên

Nguyễn Văn Trung
LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới thầy giáo hướng dẫn
PGS.TS. Trịnh Nhật Tiến về những ý kiến đóng góp về chuyên môn và sự động viên
khích lệ của thầy trong suốt quá trình làm nghiên cứu của tôi.

Tôi xin gửi lời cám ơn trân trọng tới GS.TS. Nguyễn Thanh Thủy, Giám đốc
Trung tâm Tính toán hiệu năng cao Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Thầy đã tạo
mọi điều kiện về cơ sở vật chất và tinh thần cho tôi trong quá trình nghiên cứu tại trung

tâm.

Tôi cũng xin được gửi tới Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội cùng toàn thể các thầy cô, anh chị và các bạn lời cảm
ơn chân thành về sự giúp đỡ nhiệt tình, vô giá trong quá trình nghiên cứu và học tập
tại đây.

9

Footer Page 9 of 16.


Header Page 10 of 16.

Và cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn gia đình, bố, mẹ, vợ con tôi về sự hỗ trợ
không thể thiếu của họ. Tình yêu của họ, sự khích lệ, động viên, sự quan tâm, chăm
sóc của họ đã giúp tôi vượt qua tất cả khó khăn để theo học chương trình và hoàn thiện
bản luận văn cuối khoá này. Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương 1.

TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN LƯỚI

1.1. TÍNH TOÁN LƯỚI.
1.1.1. Khái niệm Tính toán lưới.
Ngày nay, với sự phát triển vượt 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. Tính toán lưới ra đời nhằm tạo khả năng chia sẻ tài
nguyên trên phạm vi toàn cầu, khả năng tận dụng các phần mềm cũng như tài nguyên
vật lý phân tán cả về mặt địa lý.

Hình 1-1: Tính toán lưới
- Định nghĩa 1:
Lưới tính toán là một cơ sở hạ tầng phần cứng và phần mềm cung cấp khả năng truy
nhập nhất quán, tin cậy, qui mô và rẻ tới các tài nguyên tính toán mạnh.
10

Footer Page 10 of 16.


Header Page 11 of 16.

I. Foster, C. Kesselman (1999)
- Định nghĩa 2:
Tính toán lưới liên quan tới việc chia sẻ, điều phối tài nguyên và giải quyết vấn đề
trong phạm vi các tổ chức ảo.
I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke, “Anatomy of the Grid“(2000)
- Định nghĩa 3:
Lưới tính toán là một hệ thống có các đặc trưng sau:
•

Tài nguyên được điều phối một cách phi tập trung

•

Sử dụng các giao thức chuẩn, mở và đa năng

•

Cung cấp chất lượng dịch vụ không tầm thường

I. Foster‘s Three-Point Checklist (HPCWIRE - 22.07.2002).

Mỗi tác giả khi đưa ra định nghĩa đều đứng trên một số quan niệm nhất định.
Chẳng hạn định nghĩa 1 bị ảnh hưởng một cách sâu sắc bởi các dự án siêu tính toán
(meta-computing) trước đó. Định nghĩa 2 tập trung vào sự quan trọng của các giao thức
như là phương tiện để tương tác giữa các thành phần, còn định nghĩa 3 “có thể sẽ thích
hợp hơn cho các nghiên cứu về lưới có qui mô rất lớn trong tương lai. Định nghĩa này
đã bỏ qua nhiều đóng góp từ các tổ chức công nghiệp, do đó có lẽ là không xác đáng”
(W. Gentzsch, HPCWIRE 05.08.2002).
Vì vậy, để có được một cái nhìn toàn diện về lưới, ta không đưa ra một định
nghĩa cụ thể nào. Thay vào đó, chúng ta xem xét khái niệm lưới trên cơ sở các đặc
trưng sau:
-

Kích thước lớn: theo nghĩa số lượng các tài nguyên tiềm tàng và khoảng cách về mặt
địa lý giữa chúng.

-

Phân tán: có độ trễ đáng kể trong truyền dữ liệu và điều này có thể ảnh hưởng lớn đến
ứng dụng.

-

Động: các tài nguyên có thể thay đổi khi ứng dụng đang được thực hiện

-

Hỗn tạp: kiến trúc và tính chất của các nút lưới có thể là hoàn toàn khác nhau

11

Footer Page 11 of 16.


Header Page 12 of 16.

-

Vượt qua phạm vi một tổ chức: có nhiều trạm và các chính sách truy nhập có thể khác
nhau trên các trạm.
Có thể hình dung đơn giản một lưới bao gồm một tập các tài nguyên đa dạng

(còn gọi là các nút lưới - có thể là PC, cluster, hệ thống lưu trữ, …) thuộc về nhiều tổ
chức nhằm giải quyết một bài toán nào đó.

1.1.2. Lợi ích của Tính toán lưới.
1/. Khai thác các tài nguyên nhàn rỗi
Một trong những lợi ích cơ bản của tính toán lưới là khả năng chạy ứng dụng trên
một tài nguyên khác. Thống kê cho thấy, đối với các máy tính để bàn, trong một ngày
làm việc thì chỉ có khoảng 5% thời gian là bận, còn lại là rỗi [2]. Việc tận dụng khoảng
thời gian rỗi này để chạy các ứng dụng khác là một việc làm rất hiệu quả và kinh tế.
2/. Cung cấp khả năng xử lý song song
Khả năng chạy ứng dụng song song là tính năng thú vị nhất mà tính toán lưới
mang lại. Lúc này, một công việc được chia thành nhiều công việc con, các công việc
con này được thực hiện đồng thời trên các tài nguyên khác nhau của lưới. Do đó, thời
gian chạy ứng dụng sẽ được rút ngắn nhiều lần.
Tuy nhiên, vấn đề là không phải ứng dụng nào cũng có thể triển khai theo cách
này được. Cần xem xét các yếu tố như khả năng song song hóa, sự trao đổi giữa các

công việc con khi chạy để đánh giá xem một ứng dụng có thực sự hiệu quả khi được
triển khai trên lưới hay không. 3/. Giúp hợp tác giữa các tổ chức
Sự hợp tác được thể hiện thông qua khái niệm tổ chức ảo - sự kết hợp nhiều tổ
chức thực cùng mục tiêu. Thông qua mô hình tổ chức ảo, các tổ chức thực có thể chia sẻ
tài nguyên như dữ liệu, các thiết bị đặc biệt.
4/. Giúp truy nhập các tài nguyên khác:
Ngoài tài nguyên tính toán và lưu trữ, lưới còn cung cấp các loại tài nguyên khác,
chẳng hạn đường truyền mạng, các phần mềm đắt tiền. Ví dụ như nếu một người dùng

12

Footer Page 12 of 16.


Header Page 13 of 16.

muốn tăng thông lượng kết nối tới Internet để thực hiện khai phá dữ liệu, anh ta có thể
tận dụng các kết nối Internet riêng biệt của các nút lưới khác để chạy bài toán trên.
5/. Giúp cân bằng trong sử dụng tài nguyên
Lưới cung cấp khả năng lập lịch, giúp phân bổ các công việc lên các nút một cách hợp lý,
tránh tình trạng bị quá tải ở bất kì một nút nào.

Hình 1-2: Công việc được chuyển sang các nút ít bận hơn
6/. Mang lại độ tin cậy
Khái niệm tin cậy trong tính toán lưới được thể hiện ở các khía cạnh sau: một là,
trong lưới có những tài nguyên tính toán đắt tiền, cung cấp độ tin cậy cao cho những bài
toán được thực hiện trên chúng. Hai là, lưới cung cấp khả năng lập lịch lại, phân bổ lại
công việc nếu có lỗi xảy ra. Ba là, nếu cần, một công việc có thể được chạy đồng thời
trên nhiều nút, cho nên việc xảy ra lỗi ở một nút sẽ không làm ảnh hưởng đến kết quả
của công việc đó.

1.1.3. Vấn đề cơ bản của một hệ thống lưới.

13

Footer Page 13 of 16.


Header Page 14 of 16.

Có 4 vấn đề cơ bản được quan tâm trong tính toán lưới [3], đó là:
1/. An toàn và bảo mật (Security)
Một nền tảng an toàn và bảo mật vững chắc sẽ quyết định sự phát triển của môi
trường tính toán lưới. Với tính chất quy mô lớn, quan hệ chia sẻ tài nguyên giữa nhiều
tổ chức, an toàn và bảo mật luôn phải được coi là một trong những yếu tố hàng đầu trong
lưới. Hai vấn đề quan trọng trong an toàn bảo mật phải xem xét trong tính toán lưới là:
- Chứng thực người dùng (Authentication) Xác thực thẩm quyền (Authorization).
2/. Lập lịch và quản lý tài nguyên (Resource Management and Scheduling)
Các tài nguyên lưới thường phân tán và không đồng nhất. Do đó, việc tích hợp,
đồng bộ hóa và biểu diễn chúng dưới một dạng thống nhất là yêu cầu tất yếu. Trong môi
trường tính toán lưới, tại một thời điểm có thể có rất nhiều ứng dụng cùng truy cập chia
sẻ một hoặc nhiều tài nguyên khác nhau, do vậy cần có bộ lập lịch nhằm tối ưu hóa các
công việc. Bộ lập lịch phải dựa vào các thông tin trên toàn bộ lưới để quyết định thứ tự
đệ trình công việc. 3/. Dịch vụ thông tin (Information Service)
Đối với một môi trường động và không đồng nhất như tính toán lưới thì các thông
tin về các thành phần trong lưới sẽ thay đổi liên tục. Chính vì vậy, dịch vụ thông tin cần
cung cấp cơ chế tự động cập nhật và đăng ký các thông tin về toàn hệ thống như kiến
trúc các tài nguyên, các dịch vụ có thể cung cấp trên lưới, trạng thái của toàn bộ môi
trường lưới.
4/. Quản lý dữ liệu (Data Management)

Việc truy cập các nguồn dữ liệu trên lưới đòi hỏi một khả năng trao đổi, tương
tác với các dữ liệu có thể lên đến giga bytes hoặc hơn thế nữa. Điều này đòi hỏi tính toán
lưới phải có các chiến lược lưu trữ cũng như tối ưu hóa các hệ thống lưu trữ.
1.1.4. Kiến trúc của một lưới
Theo [4], một lưới bao gồm các thành phần sau:
1/. Tầng nền (Fabric)

14

Footer Page 14 of 16.


Header Page 15 of 16.

Bao gồm các tài nguyên phân tán, các tài nguyên này có thể có kiến trúc và tính chất rất
khác nhau.
2/. Tầng trung gian lưới (Core Middleware)
Cung cấp các dịch vụ cơ bản của lưới như quản lý truy nhập từ xa, định vị tài nguyên,
đăng ký và khám phá tài nguyên, bảo mật.
3/. Tầng trung gian phía người dùng (User level middleware)
Bao gồm môi trường phát triển ứng dụng, các công cụ lập trình và các bộ môi giới
tài nguyên nhằm lựa chọn các tài nguyên phù hợp và thực hiện công việc trên các tài
nguyên đó.
4/. Các ứng dụng lưới và cổng giao tiếp
Tầng trên cùng là các ứng dụng lưới được phát triển bởi các công cụ hỗ trợ. Cổng
điện tử lưới cung cấp giao diện Web cho các ứng dụng lưới, giúp người dùng có thể
đệ trình công việc và tập hợp kết quả thông qua Web.
1.2. VẤN ĐỀ AN TOÀN THÔNG TIN TRONG TÍNH TOÁN LƯỚI
Do đặc điểm hỗn tạp và không đồng nhất của các tổ chức và tài nguyên trong
lưới, vấn đề an toàn thông tin trong lưới là một trong những vấn đề được quan tâm

hàng đầu. Có những vấn đề an toàn thông tin mới chưa từng gặp trong các công nghệ
an toàn thông tin hiện tại cho hệ thống tính toán phân tán truyền thống. Ví dụ, các tính
toán song song đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán, dẫn tới nhu cầu phải thiết lập các
mối quan hệ an toàn thông tin, không đơn giản chỉ là với client và server, 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 an toàn thông tin liên miền cho lưới, các công nghệ điều khiển
truy nhập giữa các miền khác nhau cũng phải được hỗ trợ.
Các ứng dụng và hệ thống lưới có thể đòi hỏi bất cứ chức năng nào trong các
chức năng cơ bản của an toàn thông tin như là: chứng thực, điều khiển truy nhập, và
toàn vẹn. Khi phát triển kiến trúc lưới, cũng cần phải lựa chọn giải pháp để đáp ứng
được đòi hỏi của các đặc tính rất riêng của lưới:

15

Footer Page 15 of 16.


Header Page 16 of 16.

- 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, người dùng có thể được chứng thực, và sẽ không phải chứng thực
trong các tính toán tiếp theo.
- Giấy ủy nhiệm người dùng:
Các mật khẩu, khóa bí mật phải được bảo vệ bằng các chính sách như mã hóa, hệ
thống file bảo mật, phân quyền,
- Tích hợp các giải pháp an toàn thông tin địa phương:
Các giải pháp liên miền phải tích hợp với các giải pháp an toàn thông tin địa phương
để đảm bảo độc lập của các thành viên lưới.
- Hạ tầng giấy ủy nhiệm, chứng chỉ số thống nhất:

Truy nhập liên miền đòi hỏi phải có một quy ước thống nhất để biểu diễn định
danh của các thực thể lưới như là người dùng, tài nguyên,... Vì thế, cần có một chuẩn
để mã hóa các chứng chỉ số cho mục đích an toàn thông tin. Hiện tại, X509 là chuẩn
cho các chứng chỉ số phổ biến trong môi trường lưới.

- Hỗ trợ an toàn nhóm truyền thông:
Một tính toán có thể đòi hỏi một số các tiến trình, cùng cộng tác các hoạt động
của chúng với nhau như là một nhóm. Tổ hợp các nhóm tiến trình sẽ thay đổi trong
vòng đời của một tính toán. Vì thế, cần cung cấp an toàn truyền thông nhóm động.
Không có giải pháp nào hiện tại hỗ trợ tính năng này, thậm chí là thư viện lập trình
GSS-API còn không cung cấp an toàn truyền thông nhóm.
- Độc lập công nghệ:
Các chính sách không phục vụ cho một công nghệ phát triển ứng dụng cụ thể
nào. Hơn nữa, có thể cài đặt các chính sách trong một phạm vi các công nghệ an toàn
thông tin, dựa trên cả kĩ thuật mã hóa công khai và phân phối khóa công khai.

1.2.1. Các thách thức an toàn trong Tính toán lưới.
16

Footer Page 16 of 16.


Header Page 17 of 16.

Các yêu cầu an toàn lưới ở trên được định hướng để cung cấp 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. Tuy nhiên, các tài nguyên cũng như các thành phần khác tham gia lưới
lại bị quản lý bởi các nội quy và các chính sách của một tổ chức truyền thống mà chúng
là thành viên. Do vậy, để các tổ chức ảo truy nhập vào các tài nguyên trong các tổ chức
truyền thống, chúng phải được thiết lập và cộng tác qua mối quan hệ tin tưởng hai bên,

tồn tại giữa người dùng với các tổ chức truyền thống của họ và mối quan hệ giữa người
dùng với các tổ chức ảo. Chúng ta không thể thiết lập quan hệ tin tưởng trực tiếp giữa
các tổ chức truyền thống với tổ chức ảo hay các thành viên mở rộng của nó.
Cơ chế an toàn lưới giải quyết các trở ngại này bằng cách cho phép có một tổ
chức ảo thống nhất chung một phần chính sách của các tổ chức truyền thống (policy
domain overlay).

Hình 1-3: Miền tin tưởng chung của tổ chức ảo.
Các tài nguyên và các tổ chức đưa ra các điều khiển chính sách mở rộng
(outsource policy) cho một bên thứ ba, các tổ chức ảo (VOs), phối hợp các chính sách

17

Footer Page 17 of 16.


Header Page 18 of 16.

mở rộng trong một miền tin tưởng ổn định lâu dài, để cho phép chia sẻ tài nguyên và sử
dụng. Giải pháp tải chồng các chính sách dẫn tới các chức năng chủ yếu sau mà lưới
phải thực hiện:
- Hỗ trợ nhiều cơ chế an toàn khác nhau:
Các miền tài nguyên hay các tổ chức ảo thường đã có sự đầu tư đáng kể trong
các cơ chế và cơ sở hạ tầng an toàn thông tin của địa phương họ. Do vậy mà thách
thức lớn nhất chính là phải liên kết các công nghệ an toàn thông tin trên các địa phương
hơn là thay thế toàn bộ nó, như thế sẽ rất tốn kém và hoàn toàn không có tính kế thừa.
- Khởi tạo động các dịch vụ:
Người dùng có thể khởi tạo ra các dịch vụ mới mà không cần có sự can thiệp
của nhà quản trị, ngoài ra các dịch vụ này còn có thể tương tác với nhau. Như vậy là
phải có cơ chế định danh các thực thể lưới, cấp quyền cho các dịch vụ mà không ảnh

hưởng tới các cơ chế bảo mật điạ phương. Một ví dụ trong cơ sở hạ tầng GSI, khi một
dịch vụ lưới cung cấp cho người dùng, các định danh về người dùng sử dụng dịch vụ,
định danh của dịch vụ, định danh của hệ thống mà dịch vụ đăng ký trên đó đều được
xác định rõ ràng.
- Thiết lập động các miền chứng thực tin tưởng (trust domain):
Việc chứng thực không chỉ được thiết lập giữa người dùng và tài nguyên trong
một tổ chức ảo mà còn mở rộng giữa các tổ chức ảo với nhau. Như vậy đòi hỏi phải
có một mô hình an toàn thông tin hướng người dùng (user-driven security model), cho
phép người dùng tạo ra các thực thể và các miền chính sách để liên kết tài nguyên
trong các tổ chức ảo.

1.2.2. Các chính sách bảo đảm an ninh cho hệ thống lưới
Bảo vệ CSDL tránh khỏi những hiểm hoạ có nghĩa là bảo vệ dữ liệu trong CSDL,
tránh khỏi việc truy cập không hợp lệ, một cách vô tình hay cố ý.
Mỗi lưới là một tập hợp gồm nhiều tài nguyên hay còn gọi là nút lưới. Một số tài
nguyên có thể thuộc quyền sử dụng của tất cả các thành viên lưới, trong khi số khác lại
18

Footer Page 18 of 16.


Header Page 19 of 16.

hạn chế quyền truy nhập đối với các thành viên. Một số thuật ngữ sau được xây dựng
trong khi nghiên cứu các vấn đề về bảo đảm an toàn cho hệ thống
Tính toán lưới
+ Chủ thể là một thành viên của các hoạt động an toàn thông tin. Đối với môi trường
lưới, chủ thể thường là người dùng, tài nguyên hay các tiến trình thay mặt cho các tài
nguyên đó
+ Giấy ủy nhiệm là thông tin cung cấp định danh cho chủ thể để xác định tên và vai

trò của chủ thể đó. Giấy ủy nhiệm được ký bởi nhà thẩm quyền và có thời gian tồn tại
nhất định. Sau khoảng thời gian đó thì giấy ủy nhiệm không còn hiệu lực
+ Chứng thực là tiến trình để chủ thể chứng minh định danh của mình cho đối tượng
được yêu cầu. Chứng thực hai bên (bên yêu cầu và bên được yêu cầu) là quá trình hai
bên chứng thực lẫn nhau, còn gọi là chứng thực đa phương.
+ Thẩm quyền là tiến trình mà thông qua đó, ta xác định được một chủ thể có được phép
truy nhập và sử dụng tài nguyên hay không
+ Miền tin tưởng là cấu trúc quản lý mức logic, do một chính sách an toàn thông tin
ổn định, đơn lẻ mức địa phương nắm giữ, hay nói cách khác, nó là một tập các chủ thể
và đối tượng được quản lý bởi đơn miền quản trị và chính sách cục bộ.
Sau đây là các chính sách bảo vệ thông tin giải quyết các yêu cầu thách thức trình
bày ở phần trên.
1/. Môi trường lưới an toàn đa miền
Do lưới là một tập hợp không đồng nhất của các người dùng và tài nguyên cục
bộ, cho nên các chính sách an toàn cục bộ dành cho các tài nguyên và người dùng cũng
khác nhau, chính sách lưới phải đảm bảo tích hợp được tất cả các tập hợp không đồng
nhất này. Nói chung, môi trường lưới không hạn chế hay không ảnh hưởng tới các
chính sách địa phương, nhiệm vụ của chính sách lưới là phải tập trung điều khiển các
tương tác liên miền, ánh xạ các hoạt động liên miền vào trong các chính sách địa
phương. Ví dụ trong cơ sở hạ tầng GSI, các hoạt động liên miền được thực hiện bởi

19

Footer Page 19 of 16.


Header Page 20 of 16.

các chủ thể sở hữu một chứng chỉ số lưới theo chuẩn X509. Trong từng miền cụ thể,
các chứng chỉ số này sẽ được ánh xạ tương ứng với một người dùng cục bộ nào đó

thông qua một file ánh xạ (grid-mapfile), là một bản ghi chứa tên người dùng cục bộ
và định danh của chứng chỉ số đó.
2/. Hoạt động lưới hạn chế trong đơn miền quản trị
Mặc dù lưới là một tập đa miền quản trị, tuy nhiên các hoạt động đa miền lại
phải tuân theo các chính sách địa phương trên đơn miền quản trị. Nói cách khác, không
có hoạt động hay dịch vụ lưới nào được đưa vào các hoạt động địa phương thông qua
các chính sách của lưới.
3/. Các chủ thể toàn cục và cục bộ đều tồn tại
Tại mỗi đơn miền quản trị đều tồn tại hai chủ thể trên, và chính sách để ánh xạ
từ một phần tử toàn cục vào phần tử cục bộ. Để làm ví dụ, mỗi người dùng đều có hai
tên, một tên toàn cục để hoạt động trên tất cả các tài nguyên, và một tên cục bộ trên
mỗi tài nguyên. Ánh xạ tên toàn cục vào tên cục bộ tạo khả năng đăng nhập một lần
(sigle-sign-on) trên môi trường lưới. Trong cơ sở hạ tầng GSI, tên toàn cục chính là
tên định danh của giấy ủy nhiệm X509, và tên cục bộ là tên người dùng trong hệ điều
hành.
4/. Chứng thực đa phương
Hoạt động giữa các thực thể định vị trong các miền tin tưởng khác nhau đòi hỏi
chứng thực đa phương, bảo đảm cho sự an toàn và bí mật của các hoạt động. Ví dụ
trong dịch vụ truyền file GridFTP, cả client và server đều phải chứng minh định danh
của mình trong lưới, client đòi hỏi server có định danh như mình mong muốn không,
còn server sẽ kiểm tra danh sách các định danh client, xem client có quyền đăng nhập
vào server để sử dụng dịch vụ truyền file không.
5/. Ánh xạ
Mỗi đối tượng toàn cục được ánh xạ vào đối tượng cục bộ được coi như chúng đã
qua chứng thực địa phương trên đối tượng cục bộ đó.
6/. Điều khiển truy nhập

20

Footer Page 20 of 16.

Header Page 21 of 16.

Tất cả các quyết định điều khiển được đưa ra đều là cục bộ hay dựa trên cơ sở
của đối tượng cục bộ, hay không có một quyết định điều khiển nào là toàn cục, áp
dụng cho tất cả các tài nguyên cục bộ. Ví dụ, một người dùng lưới có thể sử dụng dịch
vụ truyền file GridFTP tại một tài nguyên này, nhưng tại các tài nguyên khác trong
lưới, anh ta sẽ không có quyền truy nhập. Anh ta không thể ra lệnh truyền file cho toàn
bộ các tài nguyên trong lưới.
7/. Cơ chế sử dụng Giấy chứng nhận
Có thể dùng chứng chỉ số với các chương trình thay mặt cho cùng một tiến
trình, chạy trên cùng một chủ thể trong cùng một miền tin tưởng. Như đã biết, tính
toán lưới liên quan tới hàng trăm tiến trình chạy trên một tài nguyên đơn. Chính sách
này cho phép mở rộng cho các ứng dụng song song có kích thước lớn, bằng cách tránh
các yêu cầu phải tạo một chứng chỉ số duy nhất cho mỗi tiến trình, mà cho phép các
tiến trình song song này dùng chung một tập các chứng chỉ số.

1.2.3. Kiến trúc an ninh cho hệ thống lưới
Phần này sẽ trình bày một kiến trúc an ninh dựa trên các ngữ cảnh an toàn và chính
sách an toàn thông tin được nêu ra ở trên.
1/. Thực thể
Môi trường lưới bao gồm các chủ thể và đối tượng trong các tính toán. Chủ thể
bao gồm các người dùng, các tiến trình thực hiện tính toán, bởi vì mỗi tính toán bao
gồm nhiều tiến trình, mỗi tiến trình lại thay mặt cho một người dùng cụ thể. Đối tượng
được hình dung như môi trường rộng lớn của các tài nguyên có sẵn: máy tính, kho dữ
liệu, mạng, thiết bị hiển thị, ... để phục vụ cho tính toán.
2/. Giấy chứng nhận
Đó là giải pháp thống nhất các định danh của các thực thể lưới, cung cấp cho cả
người dùng và tài nguyên. Cơ chế này giúp giảm bớt thời gian chứng thực khi thực

hiện tính toán, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng. Có hai loại chứng chỉ số:
+ Giấy chứng nhận người dùng

21

Footer Page 21 of 16.


Header Page 22 of 16.

Được cấp quyền để thay mặt người dùng trong một thời gian hạn chế. Giấy
chứng nhận người dùng hoạt động thay cho người dùng, nhờ đó nó có những thuận
lợi như: không yêu cầu người dùng phải có mặt trong thời gian tính toán, thay vào đó
chứng chỉ số của người dùng phải sẵn có trong suốt thời gian tính toán. Hơn nữa, thời
gian sống của chứng chỉ số được điều khiển bởi người dùng, giúp cho người dùng
hoàn toàn chủ động trong quá trình tính toán mà không cần có mặt ở đó.
+ Giấy chứng nhận tài nguyên
Chứng nhận cho một tài nguyên là thành viên hợp lệ của lưới, các chính sách
an toàn riêng trong tài nguyên đó tương thích với các chính sách chung của lưới. Ví
dụ, trong chính sách an toàn của Globus Toolkit 4 (GT4), giấy ủy nhiệm tài nguyên
GRIM (Grid Resource Identity Mapper) chứng minh tài nguyên này là thành viên của
lưới, tuân theo chính sách an toàn của lưới. Ngoài ra, kiến trúc GRIM cho phép cơ chế
ủy quyền truy cập tài nguyên (e.g. máy) thông qua chương trình setuid, cho phép tài
nguyên này nằm lâu dài trong một máy cụ thể, tuân theo chính sách an toàn trong máy
đó.
3/. Các giao thức
Là các quy ước được đưa ra cho hoạt động an toàn trong môi trường lưới.
Trong kiến trúc này, sử dụng một số giao thức giúp cho các hoạt động trên toàn bộ
lưới: người dùng có thể đăng nhập, định vị tài nguyên, định vị các tài nguyên khác
trong tiến trình thực hiện.

•

Mô tả kiến trúc

U, R, P: tương ứng là các người dùng, tài nguyên, và tiến trình.
UP, RP: chứng chỉ số người dùng và chứng chỉ số tài nguyên.
CX: Giấy ủy nhiệm của chủ thể X.
SigX(text): văn bản (text) được kí bởi chủ thể X.

22

Footer Page 22 of 16.


Header Page 23 of 16.

Hình 1-4: Mô hình kiến trúc bảo vệ thông tin của hệ thống tính toán lưới
Như trên hình vẽ, các hoạt động trong kiến trúc bao gồm:
1/. Người dùng thông qua giấy ủy nhiệm người dùng, đăng nhập hệ thống:
Sử dụng giao thức 1.
2/. Định vị tài nguyên và khởi tạo các tiến trình qua giấy ủy nhiệm người dùng:
Sử dụng giao thức 2.
3/. Mỗi tiến trình có thể định vị các tài nguyên khác một cách trực tiếp:
Sử dụng giao thức 3.
4/. Khởi tạo bảng ánh xạ các định danh toàn cục vào trong các định danh cục bộ:
Sử dụng giao thức 4.
Sau đây là tóm tắt các giao thức trên:

Giao thức 1: Đăng nhập hệ thống
1/. Người dùng sử dụng chứng chỉ số để đăng nhập vào hệ thống máy tính 2/. Người

dùng tạo ra giấy ủy nhiệm người dùng (CUP), sử dụng chứng chỉ số người dùng UP để
kí lên một bản ghi bao gồm: định danh người dùng, tên máy cục bộ, thời gian hợp lệ
23

Footer Page 23 of 16.


Header Page 24 of 16.

cho CUP và bất cứ thông tin nào được đòi hỏi bởi giao thức chứng thực sử dụng để cài
đặt kiến trúc.
Cup = SigU (usr-id, máy, start-time, end-time, auth-info).
Ở đây cần phân biệt chứng chỉ số người dùng UP và giấy ủy nhiệm người dùng
CUP. Chứng chỉ số người dùng UP cho phép các hoạt động trên lưới, tuy nhiên nó có
một vài hạn chế: dễ bị tổn thương và không hạn chế thời gian hoạt động khi thay mặt
người dùng. Giải pháp là sử dụng giấy ủy nhiệm tạm thời CUP, là sự kết hợp của chứng
chỉ số UP với một khoá bí mật tương ứng.
Giấy ủy nhiệm CUP có thể hoạt động thay mặt người dùng, nhưng thời gian hoạt
động hạn chế và một số ràng buộc bởi người dùng như: tên máy (nơi mà UP được
phép hoạt động), tên các miền (nơi mà UP được phép khởi tạo tiến trình và sử dụng
tài nguyên).
3/. Người dùng sở hữu giấy uỷ nhiệm CUP được phép khởi tạo một tiến trình. Nó dựa trên
chính sách an toàn cục bộ để bảo vệ tính toàn vẹn của CUP.

Giao thức 2: Giao thức định vị tài nguyên
1/. Các chứng chỉ số UP và RP thẩm quyền lẫn nhau (xem khái niệm thẩm quyền đa
phương 1.2.2) sử dụng giấy ủy nhiệm CUP và CRP. Một phần của tiến trình này, RP
kiểm tra để đảm bảo CUP vẫn còn hợp lệ, chưa hết thời hạn. 2/. UP chuyển các yêu
cầu về định vị tài nguyên cho RP dưới dạng
SigUP(các yêu cầu định vị)

24

Footer Page 24 of 16.


Header Page 25 of 16.

3/. RP kiểm tra tính hợp lệ của UP đã yêu cầu định vị, bảo đảm các yêu cầu này đúng là do
UP đã kí.
4/. Nếu yêu cầu được tiếp nhận, RP tạo ra bản ghi RESOURCE_CREDENTIAL chứa: tên
người dùng, tài nguyên định vị cho người dùng đó, tên tài nguyên.
5/. RP chuyển RESOURCE_CREDENTIAL một cách an toàn tới UP (thực hiện như bước
1, UP chuyển yêu cầu định vị tới RP).
6/. UP kiểm tra tính hợp lệ RESOURCE_CREDENTIAL, xác nhận và kí lên nó Sigup(RESOURCE_CREDENTIAL), để tạo ra một giấy ủy nhiệm yêu cầu tài nguyên.
Giấy ủy nhiệm này còn được gọi là giấy ủy nhiệm tiến trình CP.
7/. UP chuyển CP một cách an toàn tới RP (thực hiện như bước 1, UP chuyển yêu cầu định
vị tới RP).
8/. RP định vị tài nguyên, tiếp tục tiếp nhận các tiến trình CP mới của người dùng.

Giao thức 3: Giao thức định vị tài nguyên thông qua tiến trình người dùng 1/.
Tiến trình và UP của nó chứng thực lẫn nhau (xem chứng thực đa phương 1.2.2) thông
qua CP và CUP.
2/. Tiến trình phát ra một yêu cầu tới UP của nó, dưới dạng:
SigP {"định vị", các tham số yêu cầu định vị}
3/. Nếu UP chấp nhận yêu cầu, nó sẽ phát ra một yêu cầu định vị tài nguyên tới RP cụ thể
nào đó sử dụng giao thức 2, đã mô tả ở trên.
4/. Kết quả định vị tài nguyên sẽ được UP kí lên, sau đó chuyển cho tiến trình yêu cầu.
Giao thức 4: Ánh xạ định danh toàn cục vào định danh cục bộ.
1/. UP chứng thực với RP

2/. UP phát ra một yêu cầu đã ký MAP-SUBJECT-UP dưới dạng các tham số như tên chủ
thể tài nguyên, tên chủ thể toàn cục.
3/. Người dùng đăng nhập vào tài nguyên sử dụng các phương thức chứng thực của tài
nguyên và bắt đầu tiến trình đăng ký.
25

Footer Page 25 of 16.