Luận văn Bảo mật tính riêng tư của dữ liệu trong mạng ngang hàng P2P

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------o0o--------- Nguyễn Văn Khoa BẢO MẬT TÍNH RIÊNG TƯ CỦA DỮ LIỆU TRONG MẠNG NGANG HÀNG P2P KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Các hệ thống thông tin HÀ NỘI – 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ -----------o0o---------- Nguyễn Văn Khoa BẢO MẬT TÍNH RIÊNG TƯ CỦA DỮ LIỆU TRONG MẠNG NGANG HÀNG P2P KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Các hệ thống thông tin Cán bộ hướng dẫn : ThS. Trương Thị Thu Hiền Cán bộ đồng hướng dẫn : CN. Phạm Cẩm Ngọc HÀ NỘI – 2010 ii LỜI CẢM ƠN Khóa luận tốt nghiệp này được hoàn thành với sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và các bạn sinh viên lớp K51CHTTT, những người đóng vai trò quan trọng cho sự thành công của khóa luận. Trước hết em xin gửi lời cảm ơn tới cô giáo ThS. Trương Thị Thu Hiền, người đã trực tiếp hướng dẫn, cũng như động viên, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này. Mặc dù, phải đi công tác xa nhưng cô vẫn thương xuyên liên lạc, hỏi thăm và hướng dẫn em hoàn thành khóa luận một cách chi tiết. Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo CN. Phạm Cẩm Ngọc, người đã đồng hướng dẫn và luôn sát cánh để động viên, giúp đỡ em nghiên cứu hoàn thành khóa luận. Em xin cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Các hệ thống thông tin nói riêng và các thầy cô giáo trong khoa Công nghệ thông tin nói chung. Nếu không có các thầy, các cô và khoa thì chắc chắn em không thể hoàn thành tốt khóa luận như ngày hôm nay. Em xin gửi lời cảm ơn tới các thành viên lớp K51CHTTT, những người đã cùng em tìm hiểu cơ sở lý thuyết cũng như ứng dụng để hiểu rõ và hoàn thành khóa luận. Sau tất cả, em xin gửi lời cảm ơn gia đình cùng toàn thể các thầy cô giáo, những người đã sinh thành, nuôi dưỡng và giáo dục em có được ngày hôm nay. Cuối cùng, em xin gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc tới tất cả các thầy cô giáo. Xin chúc thầy cô đạt được nhiều thành tựu hơn nữa trong sự nghiệp đào tạo tri thức cho đất nước cũng như trong các công việc nghiên cứu khoa học. Chúc tất cả các bạn sức khỏe, hoàn thành xuất sắc công việc học tập và nghiên cứu của mình. Chúc các bạn một tương lai tươi sáng và một cuộc sống thành đạt. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày 21 tháng 5 năm 2010 Sinh viên Nguyễn Văn Khoa iii TÓM TẮT KHÓA LUẬN Khái niệm mạng ngang hàng đã trở nên phổ biến. Các mạng như BitTorrent và eMule giúp cho mọi người dễ dàng hơn trong việc chia sẻ dữ liệu. Nếu tôi có thứ bạn cần và bạn có thứ mà tôi muốn thì tại sao chúng ta không thể chia sẻ cho nhau? Có điều, các file được chia sẻ trên máy tính của bạn cho những người dùng không quen biết trên mạng Internet công cộng có thể khiến máy tính của bạn gặp nhiều nguy hiểm về độ an toàn và bảo mật. Vì thế, vấn đề bảo mật tính riêng tư của dữ liệu trong mạng ngang hàng là rất đáng được quan tâm. Khóa luận này bao gồm 4 chương, chủ yếu tập trung đến các vấn đề bảo mật dữ liệu chia sẻ trong mạng ngang hàng. Chương 1 trình bày những vấn đề tổng quan nhất của mạng ngang hàng như các định nghĩa, lịch sử phát triển, các lĩnh vực ứng dụng, phân loại các mạng ngang hàng, tổng quan về kiến trúc của các mạng ngang hàng. Chương 2 trình bày những nguyên lý cơ bản của bảo mật trong mạng ngang hàng. Các vấn đề được quan tâm ở đây bao gồm: các dạng tấn công vào hệ thống (tấn công định tuyến, tấn công lưu trữ và phục hồi, tấn công từ chối dịch vụ); tính xác thực và tính toàn vẹn của dữ liệu, xác thực tính toàn vẹn của các tính toán; vấn đề chia sẻ giữa các nút trong mạng ngang hàng; và cuối cùng của chương sẽ trình bày về bảo mật dựa vào hạ tầng cơ sở khóa công khai. Chương 3 trình bày về các mô hình tin cậy: mô hình tin cậy dựa vào chứng thực và mô hình tin cậy dựa vào uy tín; một vài hệ thống cộng tác ứng dụng các mô hình tin cậy đó. Chương 4 trình bày ứng dụng mã nguồn mở PeerSim – một công cụ để mô phỏng mạng ngang hàng trên đó người ta đã xây dựng một số ứng dụng chạy trên nền mạng ngang hàng. Cụ thể sẽ tìm hiểu về ứng dụng BitTorrent – trên đó cài đặt giao thức bittorrent cho ứng dụng trong việc chia sẻ dữ liệu. Với sự phát triển mạnh mẽ của các tài nguyên máy tính và các kho dữ liệu trên các máy tính cá nhân, sử dụng môi trường P2P để chia sẻ tài nguyên giữa các người dùng trên Internet sẽ đem lại hiệu quả cao. Do đó, việc áp dụng những kiến thức tìm hiểu trong khóa luận này vào thực tiễn rất có ý nghĩa. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii TÓM TẮT KHÓA LUẬN.......................................................................................................... iii MỤC LỤC ................................................................................................................................. iv DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................... vi DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ................................................................................................. vii Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG ............................................................. 1 1.1. Định nghĩa mạng ngang hàng ........................................................................................... 1 1.1.1. Giới thiệu .................................................................................................................. 1 1.1.2. Định nghĩa mạng ngang hàng..................................................................................... 1 1.1.3. Lịch sử phát triển của mạng ngang hàng P2P ............................................................. 2 1.2. So sánh mô hình P2P với mô hình Client/Server truyền thống .......................................... 3 1.3. Các lĩnh vực ứng dụng của mạng ngang hàng ................................................................... 3 1.3.1. Giao tiếp .................................................................................................................... 3 1.3.2. Chia sẻ File................................................................................................................ 4 1.3.3. Băng thông ................................................................................................................ 5 1.3.4. Không gian lưu trữ..................................................................................................... 5 1.3.5. Các chu trình xử lý .................................................................................................... 6 1.4. Kiến trúc mạng ngang hàng .............................................................................................. 6 1.4.1. Phân loại mạng ngang hàng ....................................................................................... 6 1.4.2. Kiến trúc mạng ngang hàng ....................................................................................... 7 Chương 2: BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG MẠNG NGANG HÀNG .................................... 13 2.1. Tấn công định tuyến ....................................................................................................... 13 2.1.1. Tấn công làm sai lệch đường đi trong định tuyến ..................................................... 13 2.1.2. Tấn công làm cập nhật sai bảng định tuyến .............................................................. 14 2.1.3. Phân vùng mạng định tuyến không chính xác .......................................................... 14 2.2. Tấn công lưu trữ và phục hồi .......................................................................................... 15 2.3. Tấn công từ chối dịch vụ ................................................................................................ 17 2.3.1. Quản lý các cuộc tấn công ....................................................................................... 18 2.3.2. Phát hiện và phục hồi từ các cuộc tấn công .............................................................. 19 2.4. Xác thực và toàn vẹn dữ liệu .......................................................................................... 21 2.4.1. Các truy vấn xác thực trong cớ sở dữ liệu quan hệ ................................................... 22 2.4.2. Tự xác thực dữ liệu với mã Erasure ......................................................................... 26 2.5. Xác thực tính toàn vẹn của tính toán ............................................................................... 27 2.6. Chia sẻ dữ liệu giữa các nút trong mạng ngang hàng....................................................... 28 2.6.1. Hệ thống dựa vào hạn ngạch .................................................................................... 30 2.6.2. Hệ thống dựa vào trao đổi........................................................................................ 31 2.6.3. Kiểm soát sự phân bổ............................................................................................... 32 2.6.4. Kỹ thuật dựa vào sự khích lệ.................................................................................... 33 2.6.5. Topo mạng phù hợp ................................................................................................. 35 2.7. Bảo mật dựa vào hạ tầng cơ sở khóa công khai PKI........................................................ 37 Chương 3: CÁC MÔ HÌNH TIN CẬY ...................................................................................... 38 3.1. Các khái niệm................................................................................................................. 38 3.1.1. Định nghĩa sự tin cậy ............................................................................................... 38 v 3.1.2. Các dạng tin cậy ...................................................................................................... 39 3.1.3. Biểu diễn sự tin cậy bởi giá trị ................................................................................. 40 3.1.4. Đặc tính của sự tin cậy............................................................................................. 42 3.2. Các mô hình tin cậy........................................................................................................ 44 3.2.1. Tin cậy dựa vào sự chứng thực ................................................................................ 44 3.2.2. Tin cậy dựa vào uy tín ............................................................................................. 45 3.3. Các hệ thống tin cậy dựa vào chứng thực........................................................................ 46 3.3.1. Hệ thống PolicyMaker ............................................................................................. 46 3.3.2. Hệ thống Trust-X..................................................................................................... 48 3.4. Hệ thống tin cậy dựa trên uy tín cá nhân......................................................................... 50 3.4.1. Hệ thống P2PRep .................................................................................................... 50 3.4.2. Hệ thống XRep ........................................................................................................ 53 3.4.3. Mô hình tin cậy NICE.............................................................................................. 54 3.4.4. Hệ thống PeerTrust .................................................................................................. 56 3.5. Hệ thống tin cậy dựa vào uy tín cá nhân và uy tín dưới khía cạnh xã hội......................... 58 3.5.1. Hệ thống Regret....................................................................................................... 58 3.5.2. Hệ thống NodeRanking ........................................................................................... 60 3.6. Quản lý sự tin cậy........................................................................................................... 62 3.6.1. Hệ thống XenoTrust ................................................................................................ 64 3.6.2. Hệ thống EigenRep.................................................................................................. 67 3.6.3. Quán lý tin cậy với P-Grid ....................................................................................... 70 Chương 4: MÔ PHỎNG MẠNG NGANG HÀNG VỚI PEERSIM........................................... 73 4.1. Tổng quan về PeerSim.................................................................................................... 73 4.1.1. Giới thiệu về PeerSim .............................................................................................. 73 4.1.2. Các gói dịch vụ trong PeerSim................................................................................. 73 4.2. Ứng dụng BitTorrent ...................................................................................................... 74 4.2.1. Giới thiệu về BitTorrent........................................................................................... 74 4.2.2. Cách thức hoạt động của BitTorrent......................................................................... 74 4.2.3. Tạo và phát hành tệp Torrent lên mạng .................................................................... 75 4.2.4. Tải tệp Torrent và chia sẻ tệp ................................................................................... 76 KẾT LUẬN .............................................................................................................................. 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 1 vi DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT TỪ CHƯA VIẾT TẮT CBS Commitment-Based-Sampling DoD Denial-of-Service DS Drop Strategy IAS Incoming Allocation Strategy JXTA Juxtapose P2P Peer-to-Peer PIPE Peer-to-Peer Information Preservation and Exchange network RDP Random Discovery Ping SGL Sercure Group Layer SLIC Selfish Link-based InCentives TTL Time-To-Live VB Verifiable B XIS XenoServer Information Service vii DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình mạng overlay................................................................................................. 2 Hình 1.2: Phân loại mạng P2P theo mức độ tập trung .................................................................. 7 Hình 1.3: Mạng ngang hàng tập trung ......................................................................................... 8 Hình 1.4: Mạng ngang hàng tập trung thế hệ thứ nhất (Napster) .................................................. 9 Hình 1.5: Mạng ngang hàng cơ bản (Gnutella 4.0, FreeNet) ...................................................... 10 Hình 1.6: Mạng ngang hàng lai ................................................................................................. 11 Hình 1.7: Mạng ngang hàng có cấu trúc .................................................................................... 12 Hình 2.1(a): Cây băm Merkle.................................................................................................... 22 Hình 2.1(b): Miền xác thực liên tục........................................................................................... 23 Hình 2.2: Cây VB .................................................................................................................... 25 Hình 2.3: Quá trình tính đối tượng xác minh VO ...................................................................... 26 Hình 2.4: Chương trình tự xác minh .......................................................................................... 27 Hình 2.5: Trao đổi N bước ........................................................................................................ 32 Hình 3.1: Phân loại mô hình tin cậy .......................................................................................... 46 Hình 3.2: Kiến trúc hệ thống PolicyMaker ................................................................................ 47 Hình 3.3: Các giai đoạn trong quá trình đàm phán của hệ thống Trust-X ................................... 50 Hình 3.4: Giao thức bỏ phiếu cơ bản ......................................................................................... 51 Hình 3.5: Đồ thị tin cậy Nice..................................................................................................... 55 Hình 3.6: Uy tín dưới khía cạnh xã hội...................................................................................... 59 Hình 3.7: Bản thể luận .............................................................................................................. 60 Hình 3.8. Mạng xã hội .............................................................................................................. 61 Hình 3.9. Phân loại các phương pháp quản lý tin cậy................................................................. 64 Hình 3.10. Nền tảng mở XenoServer trong hệ thống XenoTrust ................................................ 66 Hình 3.11: Thuật toán Distributed ............................................................................................. 70 Hình 3.12: Hệ thống quản lý tin cậy dựa vào P-Grid ................................................................. 71 Hình 4.1: Mô hình mạng sử dụng trong BitTorrent.................................................................... 74 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG NGANG HÀNG 1.1. Định nghĩa mạng ngang hàng 1.1.1. Giới thiệu Chúng ta đã biết rằng, hầu như mọi dịch vụ mà Internet cung cấp ngày nay đều dựa trên mô hình client/server. Theo mô hình này thì một máy khách (client) sẽ kết nối với một máy chủ thông qua một giao thức nhất định (WWW, FTP, Telnet, email ...). Nói chung, mô hình client/server có nhiều ưu điểm, nổi bật là mọi xử lý sẽ nằm trên máy chủ do đó sẽ tránh cho máy khách phải xử lý những tính toán nặng nề. Tuy nhiên, khi Internet phát triển với tốc độ nhanh chóng như hiện nay thì mô hình client/server gặp phải một vài nhược điểm lớn. Nếu số lượng máy khách tăng đến một mức độ nào đó thì nhu cầu tải file và băng thông tăng lên dẫn đến máy chủ không có khả năng cung cấp dịch vụ cho các máy khách, hiện tượng đó được gọi là hiện tượng thắt nút cổ chai. Để giải quyết các nhược điểm của mô hình client/server, công nghệ mạng ngang hàng P2P được tin tưởng sẽ là lời giải cho các vấn đề trên. 1.1.2. Định nghĩa mạng ngang hàng Định nghĩa: mạng ngang hàng (tiếng Anh: Peer-to-Peer network hay gọi tắt là P2P) là mạng mà trong đó hai hay nhiều máy tính chia sẻ tập tin và truy cập các thiết bị như máy in mà không cần thông qua máy chủ hay phần mềm máy chủ. Hay ở dạng đơn giản nhất, mạng P2P được tạo ra bởi hai hay nhiều máy tính được kết nối với nhau và chia sẻ tài nguyên mà không phải thông qua một máy chủ dành riêng. Mạng ngang hàng không có khái niệm máy chủ (server) hay máy khách (client), mà chỉ có khái niệm các nút (peer) đóng vai trò như cả máy chủ và máy khách. Mạng overlay: là mạng máy tính được xây dựng trên nền của một mạng khác. Các nút trong mạng overlay được xem là nối với nhau bằng liên kết ảo (logical link), mỗi liên kết ảo có thể bao gồm rất nhiều các liên kết vật lý của mạng nền. Rất nhiều các mạng P2P được gọi là mạng overlay vì nó được xây dựng và hoạt động trên nền Internet, ví dụ như: Gnutella, Freenet, DHTs …. 2 Hình 1.1: Mô hình mạng overlay 1.1.3. Lịch sử phát triển của mạng ngang hàng P2P Lịch sử ra đời và phát triển của P2P gắn liền với phần mềm ứng dụng Napster. Năm 1999, Shawn Fanning một sinh viên ở tuổi 18 đã rời bỏ trường Đại học để bắt đầu xây dựng phần mềm mang tên Napster do bức xúc với việc rất khó khăn để đưa và chia sẻ các file nhạc trực tuyến trên Internet mặc dù mọi người đều có nguồn tài nguyên trong đĩa cứng của mình. Napster được xây dựng thành công và trở thành cách chia sẻ file chính vào thời điểm lúc bấy giờ. Nó đã làm thay đổi cách tải các file nhạc và dung lượng file chia sẻ cũng lớn hơn nhiều so với các chương trình chia sẻ file trước đó. Khoảng 60 triệu người trên thế giới đã sử dụng phần mềm Napster vào thời điểm đó (trong đó có khoảng 1 triệu người Nhật). Tuy nhiên, do có quá đông người dùng và vấn đề bản quyền âm nhạc nên công ty Napster đã bị cấm hoạt động. Phần mềm Napster không còn được sử dụng kể từ năm 2003. Sau Napster, rất nhiều các chương trình khác như Gnutella, KaZaa và WinMP đã xuất hiện. Công nghệ P2P không chỉ dừng lại ở ứng dụng chia sẻ file nhạc mà còn mở rộng cho tất cả các loại file. Nó còn được ứng dụng để chia sẻ các tiến trình rỗi của CPU tại các nút trong mạng. Sau sự ra đời của Napster, công nghệ P2P phát triển một cách nhanh chóng. Cho đến hiện nay các ứng dụng P2P đã chiếm khoảng 50% và thậm chí lên đến 75% băng thông trên mạng Internet. 3 1.2. So sánh mô hình P2P với mô hình Client/Server truyền thống 1.3. Các lĩnh vực ứng dụng của mạng ngang hàng Sự ra đời của mạng ngang hàng đã tạo ra cách thức quản lý mới cho hàng loạt các lĩnh vực ứng dụng. Trong phần này chúng ta sẽ đưa ra một cách nhìn tổng quát cho vấn đề các lĩnh vực ứng dụng của mạng ngang hàng như: giao tiếp, chia sẻ file, băng thông, không gian lưu trữ, các chu trình xử lý của CPU. 1.3.1. Giao tiếp Đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng mạng ngang hàng. Là nhân tốt quyết định trong các mạng ngang hàng vì nó cung cấp thông tin về các nút và các nguồn tài nguyên nào là sẵn sàng trên mạng. P2P Client/Server Tổng quan - Một mạng ngang hàng cho phép các nút đóng góp, chia sẻ nguồn tài nguyên với nhau. Tài nguyên riêng rẽ của các nút (ổ cứng, CD-ROM, máy in …). Các nguồn tài nguyên này có thể được truy cập từ bất cứ nút nào trong mạng. - Các nút đóng vai trò như cả máy khách và máy chủ. - Dữ liệu được lưu tại một máy chủ trung tâm, tốc độ cao. - Khi một máy khách yêu cầu lấy thông tin về thời gian nó sẽ phải gửi một yêu cầu theo một tiêu chuẩn do máy chủ định ra, nếu yêu cầu được chấp nhận thì máy chủ sẽ trả về thông tin mà máy khách yêu cầu. Ưu điểm - Không cần máy chủ. - Các máy khách tự chia sẻ tài nguyên cho nhau. - Khi mạng càng được mở rộng thì khả năng hoạt động của hệ thống càng tốt. - Chi phí thấp. - Dễ cài đặt và bảo trì. - Thuận lợi cho việc chia sẻ file, máy in, ổ đĩa quang, …. - Tốc độ truy cập nhanh. - Khả năng mở rộng cao. - Hoạt động với bất kì loại ứng dụng nào. - Sử dụng được với các ứng dụng chia sẻ cơ sở dữ liệu. - Đáng tin cậy hơn (có máy chủ riêng). - Mức độ an toàn cao. Nhược điểm - Chậm. - Không tốt cho các ứng dụng cơ sở dữ liệu. - Độ tin cậy thấp. - Cần máy chủ riêng. - Dễ gặp hiện tượng thắt cổ chai. - Chi phí cao. - Phức tạp trong việc bảo trì, duy trì hoạt động của mạng. 4 Tạo ra khả năng cho các nút kết nối trực tiếp với các nút khác và yêu cầu các nguồn tài nguyên. Một ví dụ điển hình về ứng dụng mạng ngang hàng trong giao tiếp là hệ thống chuyển tin nhắn trực tiếp: thông thường, máy chủ trung tâm lưu trữ thông tin và danh sách người dùng đăng ký. Khi có sự giao tiếp giữa các nút, việc tìm kiếm nút khác được thực hiện trên máy chủ. Trong trường hợp nút đó không trưc tuyến, hệ thống sẽ phải lưu trữ các tin nhắn cho đến khi nút này trực tuyến lại. Các dịch vụ tin nhắn điển hình: Napster, ICQ, Jabber. 1.3.2. Chia sẻ File Có thể nói ứng dụng được sử dụng nhiều nhất của mạng ngang hàng đó là chia sẻ file. Theo ước tính khoảng 70% lưu lượng mạng trên Internet được cho là để trao đổi các file đặc biệt là các file âm nhạc (hơn 1 tỷ các file âm nhạc được tải mỗi tuần). Đặc điểm của vấn đề chia sẻ file là các nút có các file được tải với vai trò là một máy khách làm cho chúng luôn sẵn sàng với các nút khác trong vai trò của một máy chủ. Vấn đề chủ yếu cho mạng ngang hàng nói chung và cho vấn đề chia sẻ file nói riêng là vấn đề tìm kiếm. Trong ngữ cảnh của hệ thống chia sẻ file, có ba mô hình khác nhau được phát triển: mô hình flooded request, mô hình thư mục trung tâm và mô hình hướng tài liệu. Các mô hình này được minh họa qua các ứng dụng thực của mạng ngang hàng: Gnutella, Naspter và FreeNet. Trong hệ thống Gnutella, không có sự tập trung hóa, các file được lưu trữ trên các nút của hệ thống, khi có yêu cầu tìm kiếm một file, máy tính sẽ gửi yêu cầu này tới tất cả các nút láng giềng của nó cho tới khi tìm thấy máy lưu giữ file cần tìm. Tiếp theo là quá trình trao đổi file trực tiếp giữa hai máy tính trong mạng. Trong hệ thống Naspter, có sự tập trung hóa. Khi một máy tham gia vào mạng, danh sách các file sẽ được đăng ký và lưu trữ trên máy chủ trung tâm, khi có yêu cầu tìm kiếm, máy tính sẽ hỏi máy chủ trung tâm về vị trí của file. Sau đó việc trao đổi file được thực hiện giữa hai máy tính với nhau. Trong hệ thống Freenet, các file chia sẻ không được lưu trữ trên đĩa cứng của các máy cung cấp mà chúng được lưu trữ ở các máy khác nhau trong mạng. Mục đích của việc phát triển mạng Freenet là làm cho thông tin được lưu trữ và truy cập mà không cần 5 biết định danh. Với các tổ chức như vậy, chủ sở hữu của một nút mạng cũng không biết được tài liệu gì được lưu trữ trên đĩa cứng của máy anh mình. Vì lý do này mà các nút và các file được gắn các số định danh khác nhau. Khi một file được tạo, nó được truyền qua các nút láng giềng tới các nút có số định danh gần với số định danh của file nhất và được lưu trữ ở đó. 1.3.3. Băng thông Do yêu cầu về khả năng truyền dẫn của các mạng ngày càng đòi hỏi cao đặc biệt là khi một số lượng lớn dữ liệu đa phương tiện tăng nhanh, hiệu quả của việc sử dụng băng thông ngày càng trở nên quan trọng. Hiện nay, hướng tiếp cận tập trung trong đó các file được lưu trữ trên một máy chủ và được truyền từ nó tới máy khách đang được sử dụng chủ yếu. Trong trường hợp này khi số lượng các yêu cầu tăng nhanh sẽ dẫn tới tình trạng thắt nút cổ chai. Với hướng tiếp cận theo mạng ngang hàng vấn đề cân bằng tải sẽ đạt được sự tối ưu nhất vì nó tận dụng tối đa các hướng truyền dẫn trong hệ thống. Tăng khả năng cân bằng tải trong mạng: khác với kiến trúc client/server các mạng ngang hàng lai có thể nhận được sự cân bằng tải tốt hơn. Với mô hình client/server thì cả yêu cầu truy vấn thông tin và việc truyền dữ liệu đều được thực hiện giữa máy chủ và máy khách, việc đó sẽ làm mất sự cân bằng tải khi có nhiều yêu cầu kết nối tới máy chủ. Với kiến trúc ngang hàng, chỉ có yêu cầu truy vấn được thực hiện giữa máy tính trong mạng với máy chủ, còn vấn đề truyền file được thực hiện giữa hai máy tính trong mạng với nhau, điều này sẽ giúp cân bằng tải thông qua việc phân bố tải đều trên toàn hệ thống. Chia sẻ băng thông: mạng ngang hàng có thể làm tăng khả năng tải và truyền các file do cơ chế tận dụng đường truyền thông qua các nút trong mạng. Một file dữ liệu lớn được chia thành các phân mảnh dữ liệu nhỏ độc lập nhau, các mảnh dữ liệu này được chuyển đồng thời đến các nút khác nhau và cuối cùng đến nút yêu cầu chúng. Tại nút yêu cầu các mảnh dữ liệu được phép lại thành file dữ liệu ban đầu. Các phần mềm tải file điển hình cho việc chia sẻ băng thông, chẳng hạn như: BitTorrent, FlashGet, vv. 1.3.4. Không gian lưu trữ Ngày nay, khi các dữ liệu càng ngày càng lớn, kích thước file cũng càng lớn, với các máy tính có tài nguyên đĩa cứng hạn hẹp sẽ gặp khó khăn trong việc lưu trữ các file dữ liệu lớn trên máy tính của mình. Phát huy ưu điểm của mạng ngang hàng để chia sẻ không gian lưu trữ giữa các máy tính trong hệ thống thì điều đó không còn là một điều đáng lo ngại. Bằng cách này, dữ liệu sẽ được chia nhỏ thành các phần và lưu trữ mỗi phần 6 trên các máy trong mạng. Mỗi khi cần lấy lại dữ liệu, máy đó sẽ nhận lại các phần của dữ liệu trên các máy và ghép chúng lại để nhận được dữ liệu ban đầu. Với việc chia sẻ không gian lưu trữ, hệ thống P2P càng ngày càng được mở rộng với nhiều máy tính tham gia vào hệ thống. 1.3.5. Các chu trình xử lý Có thể nhận thấy rằng trong các ứng dụng đòi hỏi cần phải có sức mạnh tính toán người ta thường tìm cách xây dựng các máy tính mạnh, đắt tiền chứ chưa chú trọng vào việc tận dụng khả năng tính toán của các máy tính được nối mạng. Ngày nay do những yêu cầu đòi hỏi tính toán hiệu năng cao như các thao tác tính toán trong tin sinh học, trong tài chính, trong đo lường mà nhiều nghiên cứu ứng dụng mạng ngang hàng vào xử lý tính toán đã được đưa ra. Bằng việc sử dụng các ứng dụng mạng ngang hàng để bó cụm các chu trình xử lý có thể nhận được khả năng tính toán ngang bằng với một siêu máy tính đắt tiền. Trong một mạng mỗi máy tính là trong suốt với các máy tính khác và tất cả các nút được kết nối mạng sẽ tạo thành một máy tính logic. 1.4. Kiến trúc mạng ngang hàng 1.4.1. Phân loại mạng ngang hàng Trong mô hình client/server, máy chủ là nơi cung cấp các dịch vụ, thông tin cho hệ thống, chẳng hạn như máy chủ Web, máy chủ cơ sở dữ liệu, vv. Máy khách là máy yêu cầu nội dung thông tin, yêu cầu dịch vụ từ máy chủ. Địa chỉ IP của máy chủ phải được cung cấp cho các máy khách, nội dung thông tin chứa trên máy chủ có thể là các file âm thanh, hình ảnh, file cơ sở dữ liệu, vv. Máy khách không cung cấp bất kỳ nội dung hoặc dịch vụ nào để chạy hệ thống. Mạng ngang hàng có thể được phân loại theo mục đích sử dụng, ví dụ: - Chia sẻ file. - Điện thoại VoIP. - Đa phương tiện. - Diễn đàn thảo luận. …. 7 Mạng ngang hàng có thể được phân loại theo mức độ tập trung của mạng như trong hình vẽ dưới đây: Hình 1.2: Phân loại mạng P2P theo mức độ tập trung 1.4.2. Kiến trúc mạng ngang hàng 1.4.2.1. Mạng ngang hàng không cấu trúc Nơi lưu trữ nội dung hoàn toàn không liên quan gì đến cấu trúc hình học của mạng. Kỹ thuật tìm kiếm chủ yếu là sử dụng flooding với các giải thuật tìm kiếm ưu tiên theo chiều rộng (breadth – first), hoặc ưu tiên theo chiều sâu (depth – first) cho đến khi nội dung được tìm thấy. Các kỹ thuật khác phức tạp hơn gồm bước nhảy ngẫu nhiên (random walk) và chỉ số routing (routing indices). Các hệ thống không cấu trúc thường phù hợp trong trường hợp các nút ra vào mạng thường xuyên, tùy ý. 1.4.2.1.1. Mạng ngang hàng tập trung 8 Đây là mạng ngang hàng thế hệ thứ nhất, đặc điểm là vẫn còn dựa trên một máy chủ tìm kiếm trung tâm, chính vì vậy nó còn được gọi là mạng ngang hàng tập trung. Cấu trúc Overlay của mạng ngang hàng tập trung có thể được mô tả như một mạng hình sao: Hình 1.3: Mạng ngang hàng tập trung Nguyên tắc hoạt động: Mỗi client lưu trữ file định chia sẻ với các nút khác trong mạng. Một bảng lưu trữ thông tin kết nối của người dùng đăng ký (địa chỉ IP, kết nối băng thông, …). Một bảng liệt kê danh sách các file mà mỗi người dùng định chia sẻ (tên file, dung lượng, thời gian tạo file …). Mọi máy tính tham gia mạng được kết nối với máy chủ tìm kiếm trung tâm, các yêu cầu tìm kiếm được gửi tới máy chủ trung tâm phân tích, nếu yêu cầu được giải quyết máy chủ sẽ gửi trả lại địa chỉ IP của máy chứa tài nguyên trong mạng và quá trình truyền file được thực hiện theo đúng cơ chế của mạng ngang hàng, giữa các host với nhau mà không cần qua máy chủ trung tâm. Ưu điểm: - Dễ xây dựng. - Tìm kiếm file nhanh và hiệu quả. Nhược điểm: - Vấn đề luật pháp, bản quyền. 9 - Dễ bị tấn công. - Server tập trung. Napster là mạng ngang hàng được đặc trưng cho hệ thống mạng ngang hàng của thể hệ thứ nhất, chúng được dùng cho việc chia sẻ file giữa các người dùng Internet, được sử dụng rộng rãi, tuy nhiên nhanh chóng bị mất thị trường bởi yếu tố về luật pháp. Khái niệm và kiến trúc của Napster vẫn còn được sử dụng trong các ứng dụng khác như: Audiogalaxy, WinMX. Hình 1.4: Mạng ngang hàng tập trung thế hệ thứ nhất (Napster) Với Napster, việc tìm kiếm file bị thất bại khi bảng tìm kiếm trên máy chủ vì lý do nào đó không thực hiện được. Chỉ có các file truy vấn và việc lưu trữ được phân tán, vì vậy máy chủ đóng vai trò là một nút cổ chai. Khả năng tính toán và lưu trữ của máy chủ tìm kiếm phải tương xứng với số nút mạng trong hệ thống, do đó khả năng mở rộng mạng bị hạn chế rất nhiều. 1.4.2.1.2. Các mạng ngang hàng cơ bản Mạng ngang hàng cơ bản là một dạng khác của thế hệ thứ nhất trong hệ thống các mạng ngang hàng. Không còn máy chủ tìm kiếm tập trung như trong mạng Napster, nó khắc phục được vấn đề nút cổ chai trong mô hình tập trung. Tuy nhiên vấn đề tìm kiếm trong mạng ngang hàng cơ bản lại sử dụng cơ chế Flooding, yêu cầu tìm kiếm được gửi cho tất cả các nút mạng là láng giềng với nó, điều này làm tăng đáng kể lưu lượng trong 10 mạng. Đây là một yếu điểm của mạng ngang hàng cơ bản. Các phần mềm tiểu biểu cho mạng ngang hàng dạng này là Gnutella 4.0, FreeNet. Hình 1.5: Mạng ngang hàng cơ bản (Gnutella 4.0, FreeNet) Ưu điểm: - Dễ xây dựng. - Đảm bảo tính phân tán hoàn toàn cho các nút tham gia mạng, các nút tham gia và rời khỏi mạng một cách tùy ý mà không ảnh hưởng đến cấu trúc của mạng. Nhược điểm: - Tốn băng thông. - Phức tạp trong tìm kiếm. - Các nút có khả năng khác nhau (sức mạnh bộ vi xử lý, băng thông, không gian lưu trữ) đều có thể phải chịu tải như nhau. 1.4.2.1.3. Các mạng ngang hàng lai Để khắc phục nhược điểm của mạng ngang hàng cơ bản, một mô hình mạng ngang hàng mới được phát triển với tên gọi là mạng ngang hàng lai. Đây được gọi là mạng ngang hàng thế hệ thứ 2. Phần mềm tiêu biểu cho mạng ngang hàng kiểu này là Gnutella 0.6 và JXTA (Juxtapose). JXTA được bắt đầu phát triển bới SUN từ 2001 (Đây là giao thức P2P mã nguồn mở). JXTA được sử dụng cho máy tính cá nhân, máy tính lớn, điện 11 thoại di động, các thiết bị cầm tay khác – để giao tiếp theo cách không tập trung. Skype cũng được xây dựng dựa trên cấu trúc này. Hình 1.6: Mạng ngang hàng lai Trong mô hình mạng ngang hàng lai tồn tại một trật tự phân cấp bằng việc định nghĩa các SuperPeer. Các SupperPeer tạo thành một mạng không cấu trúc, có sự khác nhau giữa SupperPeer và ClientPeer trong mạng, mỗi SupperPeer có nhiều kết nối đến các ClientPeer. Mỗi SupperPeer chứa một danh sách các file được cung cấp bởi các ClientPeer và địa chỉ IP của chúng vì vậy nó có thể trả lời ngay lập tức các yêu cầu truy vấn từ các ClientPeer gửi tới. Ưu điểm: Hạn chế việc tràn ngập các truy vấn, làm giảm lưu lượng trong mạng, nhưng vẫn tránh được hiện tượng thắt cổ chai (do có nhiều SupperPeer). Khắc phục được nhược điểm về sự khác nhau về khả năng xử lý của CPU, băng thông, … ở mạng ngang hàng cơ bản, các SupperPeer sẽ chịu tải chính, các nút khác chịu tải nhẹ. 1.4.2.2. Mạng ngang hàng có cấu trúc Cấu trúc hình học của mạng được kiểm soát chặt chẽ. 12 File (hoặc con trỏ trỏ tới file) được đặt ở một vị trí xác định. Điều quan trọng đối với những hệ thống có cấu trúc là cung cấp sự liên kết giữa nội dung (ví dụ: id của file) và vị trí của nút (ví dụ: địa chỉ nút). Việc này thường dựa trên một cấu trúc dữ liệu bảng băm phân tán (Distributed Hash Table). Dựa trên cấu trúc bảng băm phân tán đã có nhiều nghiên cứu và đề xuất ra các mô hình mạng ngang hàng có cấu trúc, điển hình là cấu trúc dạng vòng (hình 1.7): Chord, Pastry, …. Và cấu trúc không gian đa chiều: CAN, Viceroy. Hình 1.7: Mạng ngang hàng có cấu trúc Ưu điểm: Khả năng mở rộng hệ thống mạng trong mô hình không cấu trúc thường bị hạn chế bởi các kỹ thuật trong việc xây dựng mạng chẳng hạn như: Mô hình tập trung dẫn tới việc thắt nút cổ chai khi mở rộng, kỹ thuật Flooding dẫn tới việc tăng lưu lượng mạng khi mở rộng mạng. Trong khi đó khả năng mở rộng với mô hình mạng có cấu trúc được nâng cao rõ rệt. Nhược điểm: Việc quản lý cấu trúc của topo mạng gặp khó khăn, đặc biệt trong trường hợp tỷ lệ vào/ra mạng của các nút cao. Vấn đề cân bằng tải trong mạng. 13 Chương 2: BẢO MẬT TRONG HỆ THỐNG MẠNG NGANG HÀNG Để hệ thống P2P được chấp nhận và áp dụng rộng rãi thì chúng phải được bảo mật tốt. Bảo mật trong môi trường P2P đặt ra nhiều thách thức lớn so với bảo mật trong môi trường client/server. Trong hệ thống P2P, một nút có thể tham gia hoặc rời khỏi mạng bất cứ lúc nào. Vấn đề này có thể gây ra tiềm năng của nhiều mối đe dọa (như tấn công từ chối dịch vụ) làm gián đoạn hoạt động của hệ thống. Một nút độc hại có thể thay đổi định danh của nó bất cứ lúc nào khi nó gia nhập lại vào mạng, điều này sẽ là trờ ngại để xác định một nút có phải là nút độc hại hay không khi nó vừa mới gia nhập vào mạng. Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về các vấn đề của bảo mật trong mạng ngang hàng, cụ thể sẽ gồm các phần sau: tấn công định tuyến, tấn công lưu trữ và phục hồi, tấn công từ chối dịch vụ, xác thực dữ liệu và tính toán, riêng tư và ẩn danh và bảo mật dựa vào hạ tầng cơ sở khóa công khai (PKI). 2.1. Tấn công định tuyến Các hệ thống P2P có cấu trúc như Chord[8], CAN[9], Pastry[10] và BATON[11] áp dụng nguyên lý tương tự như quá trình xử lý truy vấn: khi một nút nhận một yêu cầu truy vấn, nếu nó không chứa kết quả truy vấn thì nó sẽ chuyển tiếp truy vấn tới một nút trong bảng định tuyến mà gần hơn với nút lưu kết quả truy vấn và tiến trình kết thúc khi có một nút phản hồi. Điều này có nghĩa, trong một mạng phủ cố định, không có các nút mới tham gia và cũng không có các nút rời khỏi mạng, với cùng một truy vấn bắt đầu từ cùng một nút thì luôn luôn theo cùng một tuyến đường nhất định (thông qua các nút trung gian). Trong các hệ thống như thế, điều quan trọng là phải đảm bảo tính đúng đắn của chức năng định tuyến và các trường hợp tấn công định tuyến phải được xử lý kịp thời. Trong các cuộc tấn công định tuyến, các nút xấu hoạt động tích cực trong hệ thống, chúng không chỉ tham gia định tuyến mà thông tin của chúng còn được lưu ở trong các bảng định tuyến của các nút khác. Tấn công định tuyến được chia làm 3 dạng chính như sau: 2.1.1. Tấn công làm sai lệch đường đi trong định tuyến Tấn công làm sai lệch đường đi trong định tuyến là dạng tấn công mà một nút xấu chuyển tiếp yêu cầu truy vấn đến một nút không chính xác hoặc trả về một kết quả không chính xác cho nút yêu cầu truy vấn (ví dụ như: trả về một nút ngẫu nhiên và xem như nút 14 đó giữ kết quả truy vấn). Đối với trường này, giải pháp để giải quyết vấn đề là: cho nút yêu cầu truy vấn theo dõi quá trình truy vấn. Với cách này, nếu một nút chuyển tiếp xâu truy vấn tới một nút khác mà không có xu hướng “gần” sang nút đích, trong trường hợp đó nó bị coi như một nút xấu. Để khôi phục lại hệ thống sau cuộc tấn công này, nút yêu cầu truy vấn có thể quay lại nút tin cậy sau cùng trên đường định tuyến và yêu cầu nút đó cung cấp một tuyến đường khác. Đối với trường hợp tấn công thứ hai, nút yêu cầu truy vấn có thể kiểm tra vùng giá trị được quản lý bởi nút đích để xác minh kết quả. Ví dụ, nút yêu cầu truy vấn có thể kiểm tra định danh để xác minh chính xác là nút đích. 2.1.2. Tấn công làm cập nhật sai bảng định tuyến Tấn công làm cập nhật sai bảng định tuyến là dạng tấn công mà một nút xấu muốn làm hỏng bảng định tuyến của các nút khác bằng cách cung cấp thông tin định tuyến sai lệch. Hậu quả gây ra từ dạng tấn công này là làm cho các nút “tốt” trong hệ thống truy vấn sai lệch điểm đích dẫn đến kết quả trả về không chính xác, hoặc truy vấn đến một nút không tồn tại. Giải pháp để loại bỏ các cuộc tấn công dạng này là kiểm tra các nút ở xa trước khi tích hợp chúng vào trong bảng định tuyến của các nút. Một cách thức tấn công tinh vi hơn có thể xảy ra khi hệ thống cung cấp thêm tính linh hoạt bằng cách cho phép lựa chọn máy chủ. Cách thức tấn công này có thể không ảnh hưởng đến việc định tuyến nhưng nó có thể ảnh hưởng đến chất lượng của dịch vụ. Ví dụ, thay vì chọn nút nhanh nhất thì một nút xấu sẽ định tuyến xâu truy vấn đến một nút mà ở đó băng thông rất thấp và có thể độ tin cậy vào nút đó là rất thấp. 2.1.3. Phân vùng mạng định tuyến không chính xác Phân vùng định tuyến không chính xác xảy ra khi một nút mới gia nhập vào mạng và hình thành một phân vùng mạng khác bằng một nhóm các nút độc hại. Điều này có thể xảy ra bởi vì, khi một nút mới gia nhập vào hệ thống, nó cần được kích hoạt thông qua một vài nút trong hệ thống. Một nút như thế có thể là thành viên của phân vùng mạng độc hại. Ngoài ra, một nút xấu ở trong một phân vùng mạng chính đáng cũng có thể định tuyến các nút mới vào phân vùng mạng độc hại. Các cuộc tấn công như vậy không chỉ có thể từ chối các dịch vụ đối với các nút mới mà quan trọng là chúng còn có thể quan sát các hành vi của các nút đó. Một giải pháp cho vấn đề này là chỉ cho các nút mới kích hoạt đến các nút đáng tin cậy. Bằng giải pháp này, mỗi nút phải duy trì một danh sách các nút đáng tin cậy mà chúng đã được xác định trước và chỉ liên lạc với các nút trong danh sách 15 đó khi tham gia vào mạng (nếu nút vừa mới tham gia vào mạng lần đầu tiên và nó chưa biết danh sách các nút tin cậy thì nó có thể lấy thông tin từ một vài nút đáng tin cậy đã được xác nhận). Ngoài ra, nút mới tham gia có thể kiểm tra bảng định tuyến để phát hiện phân vùng độc hại. Điều này có thể được thực hiện bằng cách khởi tạo các truy vấn ngẫu nhiên tại các nút láng giềng ngẫu nhiên và so sánh các kết quả trả về. Nếu hai kết quả không giống nhau, có khả năng nút đó sẽ rơi vào phân vùng độc hại. Trên thực tế, như được thảo luận bởi Sit và Morris[12], một giải pháp đơn giản và hiệu quả để tránh các nút độc hại là cấp định danh cho các nút bằng cách sử dụng khóa công khai của chúng. Mặc dù chi phí cho giải pháp này có thể rất cao nhưng với giải pháp này các nút độc hại không thể dễ dàng làm tê liệt hệ thống. 2.2. Tấn công lưu trữ và phục hồi Hệ thống P2P (có cấu trúc và không có cấu trúc) được triển khai là nơi lưu trữ dữ liệu phân tán và đó cũng là môi trường thuận lời cho các cuộc tấn công lưu trữ và phục hồi xảy ra, bao gồm các vấn đề dưới đây: - Một nút xấu có thể từ chối việc lưu trữ dữ liệu mà đáng lẽ ra nó phải chịu trách nhiệm lưu trữ. - Một nút xấu có thể thỏa thuận để lưu trữ dữ liệu nhưng sau đó nó sẽ xóa dứ liệu. Đây là một vấn đề nghiêm trọng nếu như dữ liệu bị xóa vĩnh viễn. - Một nút xấu có thể chấp nhận trách nhiệm lưu trữ dữ liệu nhưng có thể nó sẽ từ chối các yêu cầu của client hoặc tệ hơn nó có thể thay thế bằng các bản sao có sự thay đổi. - Một nút xấu có thể hợp tác với các nút khác để cùng tấn công. - Một nút xấu có thể giả mạo danh tính của một nút khác. Các dạng tấn công trên cũng xảy ra trong các hệ thống khác, nơi mà những siêu dữ liệu được lưu trữ. Đặc biệt, các siêu dữ liệu phổ biến nhất là những dữ liệu được sử dụng trong các chỉ số định tuyến và rất quan trọng, chúng cần được bảo đảm tính chính xác và đầy đủ. Một giải pháp để chặn các cuộc tấn công này được đề xuất trong hệ thống PIPE[13] (Peer-to-Peer Information Preservation and Exchange network - hệ thống mạng bảo tồn và trao đổi thông tin ngang hàng). Hệ thống PIPE về cơ bản là một hệ thống phân tán được thiết kế để bảo vệ tài nguyên từ các bản đã bị sửa đổi hoặc bị làm hỏng gây ra 16 bởi các nút xấu. Giả sử có k nút thất bại và m nút là xấu, hệ thống PIPE cung cấp một vài dịch vụ cho các nút như sau: - Discover(): dịch vụ này sử dụng một nút mới gia nhập vào hệ thống. Nhiệm vụ của nó là thông báo cho hệ thống biết các nút mới vừa gia nhập để thống kê các nút đang trực tuyến, và hỗ trợ các nút mới có được một danh sách ít nhất k nút, những nơi có thể lưu trữ tài liệu. Để chắc chắn bất cứ tài liệu nào được lưu trữ tại các nút khác là không bị mất, ít nhất (m + 1) nút phải được giao tiếp để bảo đảm ít nhất một trong số các nút đó là không phải nút xấu. PIPE giả định nút mới đã biết danh tính của những nút đó để kích hoạt quá trình học hỏi danh tính của các nút khác trong hệ thống. Trong thực tế, có thể nó cần giao tiếp với (m + k + 1) nút khác nếu k nút bị thất bại. Từ (m + 1) nút (hoặc lớn hơn), nút mới gia nhập sẽ hợp nhất các danh sách các nút được cung cấp bởi mỗi nút để có được danh sách các nút mà nó có thể lưu trữ tài liệu trên đó để tải về một bản có giá trị vào một thời điểm sau. - publish(D, i): dịch vụ này có nhiệm vụ lưu giữ tài liệu D tại nút i. Vì các nút xấu có thể xóa D hay thậm chí từ chối phục vụ D, vì thế các nút có thể thất bại, P phải tạo ra ít nhất (m + k + 1) nút. Bằng cách này, sẽ có ít nhất một bản sao có giá trị tại ít nhất một nút có hiệu lực. - recover(D, i): dịch vụ này được sử dụng để xuất bản thêm số bản sao của tài liệu vào hệ thống PIPE khi các nút xấu hoặc các nút thất bại đã xóa tài liệu, do đó sẽ luôn có ít nhất một bản sao có hiệu lực được lưu giữ đâu đó trong mạng. - search(q): dịch vụ này sẽ gửi quảng bá truy vấn tìm kiếm q đến tất cả các nút. Các nút chứa tài liệu phù hợp với q sẽ trả lại id của tài liệu đó và id của chính nó. Vấn đề thách thức ở đây là bằng cách nào có thể chọn lọc ra các bản sao bị thay đổi. - retrieve(D, i): dịch vụ này sẽ lấy id của tài liệu D từ nút i. Để đảm bảo tài liệu được lấy ra là một bản sao hợp lệ (không phải là bản bị thay đổi), một trong những giải pháp an toàn đó là ràng buộc id của tài liệu với nội dung của tài liệu. Điều này có thể thực hiện bằng cách đại diện id của tài liệu như một chữ ký (bằng cách sử dụng hàm băm một chiều như SHA hoặc MD5). Một tài liệu được xác thực bằng cách kiểm tra chữ ký của nó trùng với id của nó (thu được từ hoạt động search()). Hiệu quả của hệ thống PIPE phụ thuộc vào mức độ chính xác của sự dự báo về m và k. Trong khi hầu hết các giải pháp đơn giản sử dụng phương pháp lưu trữ dư thừa 17 (nhân rộng tài liệu trên một số lượng lớn các nút), một giải pháp thay thế là hạn chế ảnh hưởng của các nút xấu, càng thấp càng tốt. Cách này có thể đạt được bằng cách sử dụng các kỹ thuật để phát hiện một số hành vi nguy hiểm rõ ràng. Trong hệ thống PIPE, hai kỹ thuật đã được đề xuất để yêu cầu challenger truy vấn đến nút bị coi là giả mạo lưu giữ tài liệu. Kỹ thuật đầu tiên, kỹ thuật phát hiện giả mạo lưu giữ tài liệu: yêu cầu nút đó (nút bị coi là giả mạo) cung cấp tài liệu mà nó đã được phân phát lưu giữ. Rõ ràng, nếu nó không có khả năng trả lại tài liệu thì nó bị coi là nút xấu. Kỹ thuật thứ hai, kỹ thuật phát hiện bản sao không hợp lệ yêu cầu một nút đang giữ tài liệu trả lại một phần của tài liệu (lựa chọn ngẫu nhiên bởi challenger). Một lần nữa, nếu nút đó trả lại phần tài liệu có nội dung không như mong đợi thì nút đó cũng bị coi là nút xấu. Khi một nút xấu được phát hiện, hệ thống sẽ phục hồi bằng cách tạo thêm các bản sao. 2.3. Tấn công từ chối dịch vụ Trong một mạng ngang hàng, các nút tham gia nên sẵn sàng đóng góp các dữ liệu hoặc các tài nguyên của chúng cho các nút khác. Tuy nhiên, một nút có thể trở nên không sẵn sàng vì lý do nó bị tấn công. Một trong những hình thức tấn công đó là tấn công từ chối dịch vụ (denial-of-service – DoS). Trong một vụ tấn công từ chối dịch vụ, một nút bị quá tải bởi các tin nhắn vô ích và lãng phí tài nguyên của nó để thực hiện các công việc vô nghĩa, do đó nó không thể đáp ứng đúng mục đích. Ví dụ, một nút xấu có thể gửi liên tục các tin nhắn đến một nút duy nhất. Bằng cách này, nó sẽ làm cho băng thông của một nút bị tiêu thụ chỉ để chuyển tin nhắn, làm cho các tài nguyên mà nó chia sẻ (như CPU, bộ nhớ) không sẵn sàng cho các nút khác trong mạng. Tấn công từ chối dịch vụ được chia thành hai dạng: tấn công tầng mạng và tấn công tầng ứng dụng. Trong khi các cuộc tấn công tầng mạng cố gắng để làm tê liệt một nút bằng cách làm ngập và sau đó làm tràn với một số lượng lớn giao thông trong mạng, các cuộc tấn công tầng ứng dụng làm cho một nút không sẵn sàng cho một số lượng lớn các yêu cầu ứng dụng. Sau đó nút đó có thể hư hỏng do phải sử dụng cạn nguồn tài nguyên để phục vụ các yêu cầu vô ích. Trong phần này chúng ta sẽ xem xét một số phương pháp hiện nay được xây dựng để (a) phát hiện khi một cuộc tấn công từ chối dịch vụ diễn ra, (b) quản lý các cuộc tấn công để các nút có thể duy trì dịch vụ của nó cho các nút khác. (c) phục hồi từ cuộc tấn công bằng cách ngắt kết nối với các nút nguy hiểm. 18 2.3.1. Quản lý các cuộc tấn công Daswani và Garcia-Molina[14] đã nghiên cứu tấn công dịch vụ ở tầng ứng dụng trong phạm vi của một mạng ngang hàng sử dụng kiến trúc siêu nút. Trong một kiến trúc như vậy, các nút được phân loại thành hai cấp: nút cục bộ kết nối với mạng ngang hàng thông qua một siêu nút; các nút siêu nút giao tiếp trong một bộ Gnutella-like, nơi mà một truy vấn được gửi quảng bá từ một siêu nút đến tất cả các siêu nút láng giềng của nó. Công việc tập trung vào việc quản lý các cuộc tấn công từ chối dịch vụ, rất khó để phân biệt giữa các truy vấn hợp lệ với các truy vấn nhằm mục đích tấn công. Giải pháp cơ bản là cân bằng hệ thống bằng cách chia sẻ công bằng tài nguyên cho mỗi nút, tức là không quan tâm bao nhiêu thông điệp, bao nhiêu yêu cầu được xử lý từ một nút mà nút phục vụ chỉ dành ra một con số cụ thể các tài nguyên cho nút đó. Bằng cách này, mức độ nguy hiểm của các cuộc tấn công vào một nút sẽ được hạn chế. Với kiến trúc siêu nút, mỗi siêu nút có 2 cấp truy vấn: truy vấn cục bộ và truy vấn liên bộ. Để hạn chế tác hại của một cuộc tấn công từ chối dịch vụ mà không có thể nhận biết một truy vấn có phải là truy vấn nhằm mục đích tấn công hay không, các tác giả đã đưa ra một tham số được gọi là tỷ lệ hạn chế ρ (0 <= ρ <=1), để xác định tỷ lệ của các truy vấn cục bộ và các truy vấn liên bộ. Ví dụ, nếu một nút có khả năng phục vụ k truy vấn trong một đơn vị thời gian, sau đó nó chấp nhận ρ * k truy vấn cục bộ, và (1 – ρ) * k truy vấn liên bộ trong một đơn vị thời gian. Ngoài ra, vì một nút sẵn sàng chấp nhận chỉ (1–ρ) * k truy vấn liên bộ, điều này làm phát sinh hai vấn đề: vấn đề đầu tiên là có bao nhiêu truy vấn mà một nút nên chấp nhận từ một nút láng giềng; vấn đề thứ hai là phải làm gì nếu số lượng truy vấn liên bộ lớn hơn (1 – ρ) * k. Để giải quyết hai vấn đề này, một lý thuyết đã đề xuất hai chiến lược: chiến lược incoming allocation strategy - IAS và chiến lược drop strategy – DS. - Chiến lược IAS: có hai kỹ thuật được sử dụng trong chiến lược này. Kỹ thuật thứ nhất là kỹ thuật Weighted IAS, trong đó tập hợp xác suất được chấp nhận của các truy vấn là bằng nhau. Vì thế, nếu các nút láng giềng gửi nhiều truy vấn sẽ chỉ có một tỷ lệ các truy vấn được chấp nhận. Ví dụ, nếu một nút có n nút láng giềng và mỗi nút gửi αi truy vấn (1<= i <= n), sau đó nút đó sẽ nhận ( )*)1( 1 kn j j i       truy vấn từ nút láng giềng thứ i. Kỹ thuật thứ hai là kỹ thuật Fractional IAS, nó xử lý công bằng đối với mỗi nút láng 19 giềng. Nói cách khác, một nút có n nút láng giềng sẽ chấp nhận n k*)1(  truy vấn từ mỗi nút láng giềng. Với nút láng giềng có ít hơn n k*)1(  truy vấn, thì khả năng xử lý còn lại được nhường cho các nút láng giềng khác. - Chiến lược DS: Trong khi một nút áp dụng chiến lược IAS chấp nhận m truy vấn từ nút láng giềng gửi (m + δ) truy vấn thì chiến lược DS xác định m truy vấn (trong số m + δ truy vấn) nên được lựa chọn để chấp nhận (hay đúng hơn là nên loại bỏ δ truy vấn). Nút X là nút mà nó chấp nhận truy vấn từ nút láng giềng Y của nó. Có j truy vấn riêng biệt từ Y và số lượng mỗi truy vấn riêng biệt là q1, …, qj. Có ba kỹ thuật được sử dụng trong chiến lược này. Kỹ thuật Proportional DS: mỗi loại truy vấn được thiết lập một trọng số như nhau, và do đó X sẽ chấp nhận ( m q q j l l i * 1  ) truy vấn từ truy vấn loại i. Kỹ thuật Equal DS: các truy vấn được lựa chọn dựa vào nút nguồn (nút phát ra truy vấn) và mỗi nút nguồn đều được lựa chọn bằng nhau. Vì vậy, nếu có s nút nguồn khác nhau, thì X sẽ chấp nhận s m truy vấn từ mỗi nút nguồn đó. Khả năng xử lý truy vấn còn lại sẽ chuyển cho các truy vấn từ các nút nguồn. Cuối cùng, kỹ thuật OrderbyTTL DS: được sử dụng để loại bỏ các truy vấn dựa trên giá trị thời gian sống (time-to-live – TTL) của chúng. Có hai cơ chế sử dụng trong kỹ thuật này: PreferHighTTL sẽ loại bỏ những truy vấn có thời gian sống thấp nhất đầu tiên và PreferLowTTL sẽ loại bỏ những truy vấn với thời gian sống cao nhất đầu tiên. 2.3.2. Phát hiện và phục hồi từ các cuộc tấn công Trong một hệ thống mạng ngang hàng P2P, quan sát thấy rằng topo của hệ thống tuân theo luật phân phối lớn, nơi một phần nhỏ các nút giữ một số lượng lớn các kết nối đến các nút khác trong khi số lượng lớn các nút còn lại chỉ duy trì một số lượng nhỏ các kết nối. Điều này có nghĩa, một phần lớn lưu thông trong mạng đi qua một số nhỏ các nút kết nối cao. Kết quả là các cuộc tấn công vào các nút này có thể dễ dàng phân vùng mạng thành các vùng cô lập, làm cho hệ thống hoạt động kém hiệu quả. Để trành và phục hồi từ các cuộc tấn công, kỹ thuật phát hiện và phục hồi từ các cuộc tấn công là rất đáng quan tâm. Các cuộc tấn công nhằm mục đích phân vùng mạng khác với sự thất bại. Sự thất bại của các nút là kết quả từ việc các nút bị loại bỏ khỏi mạng một cách bất ngờ (hoặc do các 20 nút rời khỏi mạng hay các hình thức tấn công khác, như tấn công DoS ở tầng ứng dụng). Còn đối với các cuộc tấn công nhằm mục đích phân vùng mạng thường để ý vào các nút có kết nối cao. Như vậy, kỹ thuật phát hiện thất bại cơ bản xem xét một nút láng giềng là thất bại nếu nó ngừng đáp ứng dịch vụ. Keyani[15] đã đề xuất một giải pháp để phát hiện một cuộc tấn công bằng cách quan sát sự kết nối giữa các nút có bị giảm hay không. Trong giải pháp này, cần có một nút duy trì thông tin của cả các nút láng giềng trực tiếp và các nút láng giềng gián tiếp. Giải pháp này dựa vào sự quan sát một cuộc tấn công vào một nút sẽ loại bỏ nút láng giềng có kết nối mạnh nhất của nút đó với xác suất cao và do đó ngắt kết nối một số lượng lớn của các nút láng giềng của nút láng giềng bị loại bỏ. Như vậy, để phát hiện một cuộc tấn công, trong một khoảng thời gian, mỗi nút giám sát số nút láng giềng trực tiếp và gián tiếp đang bị hủy kết nối. Nếu tỉ lệ các nút láng giềng trực tiếp bị ngắt kết nối lớn hơn tỷ lệ các nút láng giềng gián tiếp bị ngắt kết nối và lớn hơn một ngưỡng nhất định (đã được xác định trước), có khả năng là một cuộc tấn công đang xảy ra. Lý do của việc đưa ra ngưỡng là để lọc ra các sai sót do các lỗi ngẫu nhiên. Để khôi phục lại mạng sau khi phát hiện thấy tấn công, Keyani đã đề xuất một kỹ thuật phục hồi. Ý tưởng cơ bản rất đơn giản nhưng lại hiệu quả: hệ thống duy trì một mạng ảo thay thế lớp phủ bên ngoài mạng hoạt động để khi mạng hoạt động bị phá vỡ, các nút từ mạng phủ ảo có thể được sử dụng thay thế các liên kết bị phá vỡ. Để cung cấp như một sự thay thế lớp phủ ảo, một vài vấn đề đã được giải quyết: (a) Mạng ảo nên được thiết kế như thế nào? (b) làm thế nào để duy trì mạng ảo này? Làm thế nào để sử dụng mạng ảo trong một cuộc tấn cống. Keyani cũng đề xuất một mạng lũy thừa [15]. Trong loại mạng này, tất cả các nút có khoảng chừng bằng nhau số lượng các liên kết. Điều này có nghĩa, một cuộc tấn công vào một số lượng nhỏ các nút không thể dễ dàng phân vùng mạng. Để đảm bảo một mạng lũy thừa có thể duy trì mà không cần quá nhiều chi phí, một kỹ thuật phát hiện nút ngẫu nhiên đã được đề xuất: một nút phát ra một thông điệp kiểm tra kết nối, được gọi là một khám phá ngẫu nhiên (random discovery ping – RDP), chọn ngẫu nhiên một nút láng giềng để gửi thông điệp. Quá trình này lặp đi lặp lại cho đến khi thông điệp đã được chuyển đi với một số bước xác định trước. Nút cuối cùng nhận được RDP sẽ trả lời một thông điệp pong cho nút gửi thông điệp ping, qua đó nút cuối cùng nhận được RDP sẽ được xác định. Để phục hồi toàn bộ mạng, số lượng các bước phải đủ lớn để khôi phục vùng mạng lớn. Hai chiến lược áp dụng việc chọn những nút láng giềng để gửi RDP. Chiến lược thứ nhất áp dụng số lượng các bước ban đầu và lựa chọn các nút láng giềng 21 một cách ngẫu nhiên với xác suất tỉ lệ với số lượng các nút láng giềng. Chiến lược này cho phép thông điệp được truyền đi xa tới mức có thể từ nút nguồn để ngăn chặn vòng lặp tuần hoàn. Chiến lược thứ hai áp dụng số lượng các bước còn lại và ủng hộ các nút mà có ít láng giềng. Sử dụng chiến lược này có thể giảm thiểu tính chất ưu đãi luôn đi kèm trong mạng hoạt động. Như vậy, mỗi nút trong mạng sẽ duy trì số láng giềng có hiệu lực cho mạng hoạt động và số láng giềng ảo cho mạng ảo. Trong trường hợp mạng bị gián đoạn, mạng ảo sẽ được sử dụng: một nút sẽ chọn từ danh danh sách các nút láng giềng ảo để tahy thê láng giềng bị lỗi của nó. Lưu ý rằng, trong quá trình thay thế, hệ thống không tìm láng giềng ảo mới vì làm việc này hệ thống sẽ gánh thêm lưu lượng truy cập trong mạng và do đó đặt thêm gánh nặng cho hệ thống mạng đã thực sự thất bại. Việc tìm láng giềng ảo có thể thực hiện sau đó khi mạng không còn “bận rộn”. Nghiên cứu mô phỏng cho thấy, việc đề xuất phương pháp phát hiện và phục hồi có thể hạn chế sự phân vùng mạng giảm xuống 25 lần so với cách tiếp cận thông thường. Kết quả cho thấy hiệu quả của truy vấn cũng được cải thiện cả trong và sau vụ tấn công. Với chi phí 20% lưu thông trong mạng được cọi là có thể chấp nhận được nếu nhìn về những lợi ích nó mang lại cho hệ thống. Đối với hệ thống mạng ngang hàng, Sit và Morris[12] đã nêu ra rằng, các cuộc tấn công DoS vào một nút duy nhất được coi là thất bại để hệ thống có thể sử dụng các kỹ thuật phục hồi nhằm cô lập nút mục tiêu. Tuy nhiên, để giảm thiểu tác hại của cuộc tấn công, một vài mức độ nhân rộng là cần thiết. 2.4. Xác thực và toàn vẹn dữ liệu Với sự gia tăng nhanh chóng của các tài nguyên có giá trị trên các máy tính cá nhân hiện nay, các hệ thống P2P như Freenet [16], Publis [17], OceanStore [18] và CFS [19] cung cấp giải pháp với chi phí rất thấp, việc lưu trữ sẵn sàng ở mức độ cao và không cần đến máy chủ tập trung. Tuy nhiên, môi trường P2P là môi trường dễ phát sinh các mối nguy hiểm chủ yếu theo nghĩa một nút có thể trở thành một nút độc hại (ngay cả khi phần lớn các nút đều là các nút có thể tin cậy). Một nút độc hại có thể làm hỏng nội dung, thay thế nó bằng một nội dung có hại (có chứa virus), hoặc có thể không trả lại đầy đủ các câu trả lời cho nút yêu cầu (ví dụ: trong các ứng dụng cơ sở dữ liệu, nó có thể chọn ra k 22 đối tượng để trả lại kết quả phản hồi trong khi câu trả lời đầy đủ chứa (k+j) đối tượng với (j >=1)). Một giải pháp đơn giản là chỉ lưu giữ dữ liệu trên các nút tin cậy, tức là nút đó đã được xác thực là tin cậy bởi một vài người có thẩm quyền. Một giải pháp khả thi hơn mà có thể không cần đến phải tin cậy bất kỳ nút nào. Thay vào đó, một nút sẽ tạo ra một số đối tượng xác minh để đáp ứng truy vấn. Các đối tượng xác minh được sử dụng bởi các nút truy vấn để xác nhận rằng các câu trả lời là chính xác. Hai điểm quan trọng trong một kỹ thuật như vậy là: (a) nó phải cho phép các nút truy vấn để xác minh các câu trả lời được trả về bởi nút không tin cậy thực sự thuộc về tập các câu trả lời; (b) nó phải cho phép các nút truy vấn để xác minh các câu trả lời đầy đủ. 2.4.1. Các truy vấn xác thực trong cớ sở dữ liệu quan hệ Devanbu [20] đề xuất một ý tưởng mà có thể thuận lời để lưu giữ cơ sở dữ liệu quan hệ trên các nút không tin cậy. Ý tưởng cở bản như sau: - Người sở hữu dữ liệu gửi quảng bá một thông điệp đến các nút mà họ sẽ truy vấn quan hệ. Thông điệp này được lấy từ gốc của một cây băm Merkle xây dựng trên quan hệ này. Một cây băm Merkle là một cây nhị phân mà nút lá thứ i có giá trị băm Hi thu được bằng cách áp dụng hàm băm h trên bộ thứ i. Tức là Hi = h(h(ti . A1) || h(ti . A2) || ... h(ti . An)) đối với một quan hệ có n thuộc tính. Các nút khác trên cây cũng được tạo ra bằng cách tính giá trị băm của các nút con của nó. Hình 2.1 cho thấy một ví dụ về một cây băm Merkle. Ở đây, có 4 bộ. H1 đến H4 là những giá trị băm của bốn bộ tương ứng từ t1 đến t4. Nút cha của t1 và t2 có giá trị băm được tính: H12 = h(H1|| H2). Thông điệp cho 4 bộ là Hr. Hình 2.1(a): Cây băm Merkle 23 - Đối với một truy vấn, nút không tin cậy đánh giá truy vấn và trả về cùng với các bộ trả lời một đối tượng xác minh gọi là VO. Về bản chất, VO là một cây con được tạo ra từ cây băm Merkle trên quan hệ này. Để một truy vấn chính xác được trả về từ một bộ đơn cần tìm đường đi từ bộ đó đến gốc tương đương với việc tìm các nút trung gian giữa bộ đó với nút gốc, đó là một dạng của VO. Ví dụ, để tìm được t2, VO gồm các nút H1 và H34. Đối với một truy vấn phức tạp, như có thể thấy truy vấn q trong hình 2.1(b), VO cũng rất phức tạp. Ở đây GLB(q) và LUB(q) biểu thị giá trị lớn nhất nhỏ hơn so với câu trả lời của q và giá trị nhỏ nhất lớn hơn các câu trả lời của q. LCA(q) là giá trị giao nhau của các cây con và nó giới hạn những câu trả lời từ GLB(q) đến LUB(q). VO trong trường hợp này bao gồm các nút cần thiết để xác định 3 đường: từ GLB(q) đến LCA(q), từ LUB(q) đến LCA(q) và từ LCA(q) đến gốc. - Khi nhận được câu trả lời và VO, nút truy vấn sẽ xác minh tính đúng đắn của câu trả lời bằng cách tính lại thông điệp sử dụng câu trả lời và VO. Hình 2.1(b): Miền xác thực liên tục Chúng ta lưu ý rằng các giá trị GLB(q) và LUB(q) cần thiết để xác minh tính đầy đủ của các câu trả lời. Nếu kết quả thu được giống với kết quả cung cấp bởi chủ sở hữu, thì câu trả lời trả về bởi nút không tin cậy là chính xác và đầy đủ. Tiếp tục với ví dụ trên, để xác minh t2 không bị giả mạo, client làm các công việc sau: đầu tiên nó tính H2’; với H1 và H2’ có thể xác định được H12’; và cuối cùng, kết hợp H12’ và H34 để tính Hr’. Nếu Hr = Hr’ thì t2 không bị giả mạo. Lưu ý ở đây là client đã được giả định là đã có Hr từ chủ sở hữu. Ngoài ra, Hr có thể được ký bởi chủ sở hữu (với khóa riêng của họ) và được coi như một phần của VO; trong trường hợp này, client có thể tự xác minh xem Hr’ có giống với chữ ký Hr (với khóa công khai của chủ sở hữu) hay không. 24 Davanbu[20] và các đồng nghiệp của mình cũng trình bày cách xác định VO cho các thao tác SQL như selection, projection, join và set có thể được tính bằng cách sử dụng kỹ thuật này. Tuy nhiên với kỹ thuật này cũng đặt ra 3 điểm hạn chế: 1. Do các cách sắp xếp khác nhau của các bộ trong một bảng dẫn đến các cây băm Merkle khác nhau, khi sự sắp xếp các bộ thay đổi, nó cần tái tạo lại cây băm Merkle theo sự sắp xếp trong bảng. Kết quả là hệ thống phải chịu chi phí cao cho việc cập nhật dữ liệu. Hơn nữa, nếu bảng được sắp xếp theo các cách khác nhau, nó sẽ tạo ra các cây băm Merkle khác nhau, vì thế tổng phí để lưu trữ các cây băm Merkle là rất lớn. 2. Vì đối tượng xác minh VO cho một kết quả truy vấn chứa tất cả các nút trong đường đi từ nút chứa kết quả truy vấn đến nút gốc dẫn đến kích thước của VO là tỷ lệ thuận với kích thước của kết quả truy vấn và bằng logarit kích thước của bảng. Kết quả là nếu kích thước của kết quả truy vấn lớn thì kéo theo kích thước của VO cũng sẽ lớn. 3. Vì hàm băm được áp dụng trên tất cả các bộ, để xác định VO của một kết quả truy vấn, nó cần gửi tất cả các bộ của kết quả truy vấn đến nơi phát ra truy vấn. Do đó việc xác minh được thực hiện tại nơi phát ra truy vấn có thể gây ra sự tiêu thụ tài nguyên rất lớn bộ lọc lọc ra các thuộc tính. Ngoài ra, yêu cầu gửi tất cả các bộ của kết quả truy vấn làm giới hạn kỹ thuật này trong việc hỗ trợ kiểm soát truy cập ở mức cột, tức là không thể cho phép một người dùng truy cập một số cột trong khi không cho người khác truy cập. Để khắc phục những hạn chế trên, Pang và Tan [21] đã đưa ra một cây B xác thực (Verifiable B-Tree – VB-Tree). Giải pháp này có thể tạo ra một đối tượng VO của một truy vấn không phụ thuộc vào kích thước của kết quả truy vấn và độc lập với kích thước của bảng và cho phép việc xác minh được thực hiện tại các nút cung cấp kết quả truy vấn thay vì ở các nút phát ra truy vấn. Ngoài ra, giải pháp này cũng cho phép việc cập nhật được thực hiện tự động không vi phạm tính nhất quán của dữ liệu. Một ví dụ về một cây VB được thể hiện trong hình 2.2. Cấu trúc cây này được xây dựng trên ba ý tưởng cơ bản sau: - Thứ nhất, cây VB tạo các ký tự chữ ký cho tất cả các thuộc tính trong một bộ và sử dụng các ký tự chữ ký để tính toán các ký tự chữ ký của bộ đó. Đặc biệt, để tạo ra một 25 ký tự chữ ký cho một thuộc tính, đầu tiên hệ thống sử dụng hàm băm một chiều như MD5 hoặc SHA-1 để băm chuỗi (tên của cơ sở dữ liệu, bảng, bộ, khóa của bộ, giá trị của thuộc tính). Giá trị của kết quả này sau đó được ký với khóa bí mật của cơ sở dữ liệu. Bằng cách này, hệ thống cần có một máy chủ đáng tin cậy để lưu giữ các khóa công khai của cơ sở dữ liệu và một nguồn chứng thực như chứng thực cơ sở hạ tầng khóa công khai X.509 và CRL Profile [22], cho phép người dùng lấy khóa công khai của cơ sở dữ liệu để sử dụng trong việc tính ngược. Hình 2.2: Cây VB - Thứ hai, giải pháp này sử dụng hàm băm h(x) = gx mod q để tạo ra giá trị băm cho các nút trong cây VB. Vì hàm băm này có tính chất quan trọng đó là h(x+y) = h(y+x), bằng cách sử dụng hàm băm này cho phép hệ thống tính các thông điệp của các nút trên cây ở một bậc tùy ý, do đó tránh được vấn đề đầu tiên trong hệ thống sử dụng cây băm Merkle để thực hiện tại nút giữ kết quả truy vấn và vì thế tránh được vấn đề thứ ba của hệ thống sử dụng cây băm Merkle. - Cuối cùng, để giảm bớt vấn đề thứ hai của cây băm Merkle, đối tượng VO của một kết quả truy vấn trong một cây VB chỉ cần chứa các nút trên cây thuộc cây con nhỏ nhất bao gồm tất cả các kết quả truy vấn. Giải pháp này rất khả thi do hệ thống duy trì một thông điệp chữ ký cho mỗi nút trong cây VB. Một ví dụ để làm rõ cách mà một đối tượng xác minh VO được tạo ra như thế nào được thể hiện trong hình 2.3. 26 Hình 2.3: Quá trình tính đối tượng xác minh VO 2.4.2. Tự xác thực dữ liệu với mã Erasure Weatherspoon [23] tích hợp các khái niệm về một cây băm Merkle và mã erasure để thiết kế một chương trình tự thẩm tra cho dữ liệu lưu trữ trong một môi trường P2P. Dữ liệu có thể là một tài liệu, một đối tượng hoặc một khối. Chúng ta sẽ sử dụng đối tượng dữ liệu ở đây. Với mã erasure [24], một đối tượng dữ liệu có thể được chia thành m mảnh nhỏ và sau đó mã hóa lại vào n mảnh nhỏ (n > m) sao cho nó có thể tái tạo lại đối tượng dữ liệu gốc từ sự kết hợp bất kỳ m mảnh vỡ nào. Trong môi trường P2P, mỗi mảnh được lưu giữ trong một nút, nơi đó cũng có thể là một nút độc hại. Trong trường hợp đó, các nút độc hại có thể sửa đổi các mảnh để làm hỏng nó (một bộ phận bị hỏng được gọi là erasure). Rõ ràng, nếu hệ thống không thể nhận ra các mảnh vỡ bị hư hỏng, quá trình xây dựng tính toán trở nên phức tạp, nghĩa là chúng ta cần thử tổ hợp của  nm . Một giải pháp cho vấn đề này là xây dựng một cây băm Merkle cho các đối tượng dữ liệu và các phân mảnh của nó, tức là các đối tượng dữ liệu và các phân mảnh của nó tạo thành lá của cây. Hình 2.4(a) cho thấy một ví dụ về một cây băm Merkle cho đối tượng dữ liệu với 4 phân mảnh. Ở đây, mảnh Fi có giá trị băm Hi và đối tượng dữ liệu có giá trị băm Hd. GUID là định danh duy nhất mà có thể được dùng để nhận biết và xác nhận đối tượng. Mỗi phân mảnh được thực hiện tự kiểm chứng bằng cách lưu trữ trong mỗi mảnh tất cả các thông tin cần thiết để xác minh giá trị băm của các phân mảnh, tức là giá trị băm của các nút sibling trong đường đi từ mảnh lá đến gốc. Hình 2.4(b) cho thấy tự 27 kiểm chứng nội dung của phân mảnh cho ví dụ trong hình 2.4(a). Khi một nút nhận được một phân mảnh để tái tạo đối tượng, nút đó xác minh phân mảnh đó bằng cách đầu tiên tính giá trị băm của phân mảnh đó, sau đó lặp lại quá trình băm kết quả tính toán ở bước trước với giá trị băm tương ứng trong cây Merkle cho đến khi thu được giá trị băm của nút gốc. Nếu giá trị băm cuối cùng phù hợp với GUID, phân mảnh đó là phân mảnh hợp lệ và có thể sử dụng để tái tạo đối tượng; nếu không, néo là một phiên bản đã bị hỏng và cần phải tìm kiếm một phân mảnh khác. Hình 2.4: Chương trình tự xác minh 2.5. Xác thực tính toàn vẹn của tính toán Chúng ta đã chứng kiến việc triên khai thành công của công nghệ P2P để phân bổ việc tính toán. Các dự án đáng chú ý như: SETI@home [25] (BOINC [26]) và the Folding@home [27] là các các dự án mà các tính toán chuyên sâu được phân chia cho các nút. Ví dụ, số lượng người tham gia trong SETI@home là hơn 4,5 triệu người. Họ đóng góp sức mạnh máy tính của họ để xử lý trung bình 65 TeraFLOPS. Không chắc chắn rằng các tính toán của các nút là đáng tin cậy. Ví dụ, một số nút có thể chỉ thực hiện một tập nhỏ các nhiệm vụ được giao và cho rằng nó đã làm tất cả các tính toán. Trên thực tế, đã có báo cáo về các nhà tài trợ tài nguyên cho SETI@home đã giả mạo số lượng thời gian họ đã đóng góp. Mục đích của việc giả mạo này là để tăng thời gian đóng góp của một nút để nó được liệt kê vào một trong những đóng góp hàng đầu cho website của SETI. Một ví dụ khác, một số nút có thể cố ý trả lại các câu trả lời sai (ngay cả khi chúng đã thực hiện các tính toán). Nếu không bị phát hiện, hậu quả có thể 28 nói là một thảm họa. Một giải pháp đơn giản để phát hiện câu trả lời không chính xác là phân công mỗi công việc cho nhiều nút khác nhau cùng làm, sau đó so sánh kết quả trả về. Nhược điểm của phương pháp này là nó phải gánh chịu chi phí cao trong tính toán vì nó phải lãng phí một số chu trình và băng thông để lặp lại các tính toán. Một giải pháp cải thiện là chỉ cần kiểm tra lại các tính toán của một số mẫu được lựa chọn ngẫu nhiên các nhiệm vụ. Với sự lựa chọn đúng đắn của số lượng mẫu, chúng ta có thể làm giảm xác suất mà một nút không tin cậy có thể lấy đi mà không bị phát hiện là rất thấp. Ví dụ, nếu nút không trung thực chỉ tính toán một nửa của 1000 công việc được giao và 50 mẫu được chọn, thì xác suất của lấy đi chỉ là 1/ 250. Bằng cách chọn một kích thước mẫu đủ lớn, nó gần như không thể bỏ qua mà không bị phát hiện gian lận. Tuy nhiên, kỹ thuật này vẫn còn đòi hỏi một phí lưu thông cao để truyền tải tất cả các kết quả. Một vài công việc đã được làm để giải quyết vấn đề gian lận. Du [28] đã đề xuất một mẫu dựa trên cam kết (commitment-based sampling – CBS) mà có thể làm giảm phí trong lưu thông, thay vì phải trả về kết quả của tất cả các nhiệm vụ thì chỉ những kết quả của mẫu mới cần được trả về. Kỹ thuật CBS hoạt động trong bốn giai đoạn (giả sử nút A giao nhiệm vụ cho nút B): (a) B thực hiện nhiệm vụ được giao; xây dựng một cây băm Merkle trong đó mỗi nút lá tương ứng với mỗi công việc, các giá trị băm tại các nút tương ứng với việc áp dụng một hàm băm một chiều trên các kết quả của nhiệm vụ; B truyền giá trị băm của nút gốc của cây băm Merkle đến A. (b) A lựa chọn ngẫu nhiên m mẫu nhiệm vụ cho B để làm bằng chứng cho sự trung thực. (c) Đối với mỗi nhiệm vụ (trong số m nhiệm vụ), B xác định đường P từ nút là tương ứng với nhiệm vụ đó đến nút gốc, sau đó với mỗi nút v thuộc P, giá trị băm của các nút “anh chị em” được gửi từ A. Giá trị băm của kết quả của nhiệm vụ cũng được truyền đến A. (d) Đỗi với mỗi công việc, A có thể dễ dàng xác minh liệu B có trung thực hay không bởi việc tính lại các giá trị băm của gốc: Nếu giá trị băm của gốc tính được giống với giá trị băm gốc theo cam kết thì B là trung thực đối với nhiệm vụ này; nếu không, B là không trung thực. 2.6. Chia sẻ dữ liệu giữa các nút trong mạng ngang hàng Cộng tác là thế mạnh chính của mạng ngang hàng. Các nút tham gia trong mạng sẽ chia sẻ tài nguyên của chúng (như dữ liệu, chu trình xử lý, băng thông, không gian lưu trữ) tạo nên những lợi ích tiềm năng của công nghệ mạng ngang hàng. Tuy nhiên, trên thực tế, nhiều người sử dụng các tài nguyên của hệ thống P2P mà không chia sẻ tài 29 nguyên của họ cho người khác sử dụng. Hơn nữa, trở ngại khách quan của việc cộng tác cho phép một số nút khác sử dụng tài nguyên có thể làm giảm công suất xử lý trên máy tính của mình. Ví dụ, trong ứng dụng chia sẻ file Gnutella, việc cho phép upload của một nút có thể tăng thêm sự chậm trễ trong việc download của nó. Một ví dụ khác, việc chia sẻ chu trình xử lý của CPU trên máy tính của một người sẽ mất một thời gian lâu hơn để chạy các công việc trên máy tính của người đó. Được chỉ ra bởi Feldman và các đồng nghiệp của ông [29], một trở ngại cho việc hợp tác sẽ dẫn tới “tấm thảm kịch chung” [30] khi mà việc tự nguyện tham gia dựa trên cảm hứng cá nhân sẽ ảnh hưởng tới hiệu năng chung của hệ thống (ngay cả khi việc tự nguyện tham gia này chính là thứ làm nên ưu điểm của hệ thống). Cụ thể hơn, nghiên cứu của Feldman đã chỉ ra ba kết quả: - Mức độ hợp tác tăng lên thì hiệu năng của hệ thống cũng tăng theo; tuy nhiên chắc chắn có một “sweet-pot” nào đó mà khiến cho việc nâng cao hiệu năng trở nên không còn quan trọng. - Sự trở ngại cho việc chia sẻ tiềm ẩn cao tại những thành viên có băng thông không đồng nhất. bởi vì khi những thành viên này cho phép dữ liệu được upload thì họ phải chịu độ trễ nghiêm trọng trong việc download. - Quyền ưu tiên của các gói tin TCP ack trên số gói tin dữ liệu giúp cho loại trừ chi phí vốn tiềm ẩn của việc chia sẻ, do đó nó có thể có khả năng tăng mức độ chia sẻ của hệ thống. Kết quả của nghiên cứu chỉ rõ sự cần thiết của việc thiết kế các cách thức khuyến khích nhằm khích lệ sự hợp tác. Các công trình trước đó đã xác định ra những vần đề hợp tác thông qua các trò chơi tiếp cận lý thuyết [31, 32] và các lý thuyết “kỹ thuật thiết kế” [33, 34] có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, một hệ thống P2P phải chấp nhận một vài thách thức riêng cần phải nhắm tới: - Tính bất cân đối về quyền lợi: tính mất cân đối về quyền lợi xuất hiện khi các nút nhận được quyền lợi khác nhau khi yêu cầu các tài nguyên từ các nút khác. Theo cách này, nó có thể khó khăn cho server trong việc quyết định xem có lợi cho hệ thống không nếu nó phục vụ các yêu cầu đó. - Xác định nút xấu: một nút trong hệ thống P2P có thể liên tục thay đổi định danh của nó. Như vậy, rất khó để theo dõi một nút mới gia nhập có phải là nút thực sự 30 muốn nhận các dịch vụ hay nó là một nút gia nhập nhằm khai thác các lỗ hổng trong hệ thống. - Các dạng tấn công và sự cấu kết: các nút trong hệ thống có thể cấu kết xác nhận cho nhau nhằm tạo ra uy tín cao (ví dụ, tuyên bố rằng chúng đã chia sẻ nguồn tài nguyên giữa chúng nhưng thực tế chúng không hề chia sẻ). Khả năng đối phó với các dạng tấn công là rất đáng quan tâm. Để khai thác khả năng của công nghệ P2P mang lại thì cần có cơ chế để khuyến khích các thành viên trong hệ thống đóng góp tài nguyên, cũng như cơ chế để thi hành việc chia sẻ công bằng giữa các nút cần được chú ý. Các mục tiếp theo trong phần này sẽ tìm hiểu về các phương pháp, các kỹ thuật đã được áp dụng để giải quyết các vấn đề nêu trên. 2.6.1. Hệ thống dựa vào hạn ngạch Trong các hệ thống hạn ngạch, mỗi thành viên được liên kết với một hạn ngạch phản ánh số lượng tài nguyên mà một thành viên có thể sử dụng từ hệ thống. Khi một thành viên cung cấp một dịch vụ, hạn ngạch của thành viên đó có thể được tăng lên và khi thành viên đó sử dụng tài nguyên của hệ thống thì hạn ngạch của thành viên đó sẽ giảm. Ví dụ, các thành viên chia sẻ không gian lưu trữ, thì hạn ngạch có thể phản ánh được lượng không gian mà một thành viên có thể sử dụng từ hệ thống. Các vấn đề quan trọng nằm trong việc quản lý thông tin hạn ngạch. - Một mô hình quyền lực tập trung đáng tin cậy có thể được triển khai để quản lý hạn ngạch. Với mô hình này, mọi yêu cầu về dịch vụ sẽ tạo ra một truy vấn đến các máy chủ tập trung. Bên cạnh các ưu điểm mà mô hình này đem lại thì cũng có những điểm hạn chế như: hiện tượng thắt cổ chai và đó là nguyên nhân duy nhất khiến hệ thống sụp đổ. - Thẻ thông minh (smart card) có thể được sử dụng để quản lý hạn ngạch. Trong hệ thống sử dụng thẻ thông minh, mỗi nút trong mạng có một thẻ thông minh riêng để quản lý việc sử dụng tài nguyên của một nút và tài nguyên cục bộ mà nút đó chia sẻ cho các nút khác trong mạng. Cụ thể, khi một nút yêu cầu một dịch vụ (hoặc tài nguyên) từ một nút khác, hạn ngạch của nó được giữ trong một thẻ thông minh sẽ giảm. Ngược lại, khi nút này cung cấp một dịch vụ (hoặc tài nguyên) cho một nút khác, hạn ngạch của nó sẽ tăng lên. Tuy nhiên, tính thực tiễn của đề án này gặp phải 31 vấn đề: việc cấp cho mọi người dùng một thẻ thông minh có thể không khả thi. Hơn nữa, tính toàn vẹn của dữ liệu lưu trong thẻ thông minh có thể bị xâm nhập bởi những người dùng xấu. - Một đề án khác được đưa ra là sử dụng các nút trong hệ thống như là các nhà quản lý hạn ngạch. Một nút sẽ phân phát hoặc tái tạo thông tin hạn ngạch của nó thông qua các nhà quản lý hạn ngạch đó. Các nhà quản lý hạn ngạch quản lý tất cả các dịch vụ (tài nguyên) mà một nút cung cấp cho các nút khác giống như cách thức quản lý sử dụng thẻ thông minh. Để đưa ra quyết định nên sử dụng đề án nào hệ thống cần áp dụng quy luật số đông. Tức là bất kỳ quyết định nào liên quan đến hạn ngạch của một nút đều phải được sự đồng ý của đa số các nút quản lý. Tuy nhiên, nhược điểm của đề án này là hệ thống phải gánh thêm một khoản chi phí. 2.6.2. Hệ thống dựa vào trao đổi Trong đề án này, hệ thống được cấu trúc như một nền kinh tế hàng đổi hàng, hoặc trao đổi. Về cơ bản, Các tài nguyên trao đổi của các thành viên sẽ được tập hợp để mỗi một thành viên trong nhóm có thể sử dụng. Một trong những đề án trao đổi cho các hệ thống chia sẻ file thực thi N lần trao đổi như một vòng của N thành viên, mỗi thành viên sẽ trao đổi với thành viên kế nhiệm của nó trong vòng và lần lượt được trao đổi bởi thành viên tiên nhiệm của nó. Trong hình 2.5, giả sử thành viên Pi yêu cầu đối tượng oi+1 sở hữu bởi thành viên Pi+1 (và oi+1 cũng được lưu giữ tại đây) (với 1 <= i <= n-1); thành viên Pn yêu cầu đối tượng o1 sở hữu bởi P1. Như vậy, mặc dù Pi không phải hưởng lợi trực tiếp từ Pi-1 nhưng mỗi thành viên cuối cùng thì cũng sẽ nhận được đối tượng mà nó cần. Chú ý rằng, chu kỳ N bước chỉ có lực nếu mỗi thành viên đủ băng thông để đáp ứng các yêu cầu. Vấn đề trong đề án này là làm sao để một nút thành viên P xác định khi nào chu trình sẽ xảy ra. Điều này có thể được giải quyết bằng cách xây dựng một cây yêu cầu như sau: mỗi yêu cầu từ một láng giềng được gắn thẻ với cây yêu cầu của nó. Một cây yêu cầu là rỗng nếu không có yêu cầu nào được gửi đến; nếu không, cây yêu cầu của P có một nút gốc đáp ứng như gốc của các cây yêu cầu từ các yêu cầu gửi đến từ các cây tương ứng của chúng. 32 Hình 2.5: Trao đổi N bước 2.6.3. Kiểm soát sự phân bổ Trong các hệ thống dựa vào hạn ngạch và trao đổi, sự gian lận vẫn có thể xảy ra. Ví dụ, xét đến việc chia sẻ không gian lưu trữ trên đĩa. Giả sử một nút đồng ý để lưu trữ một file, bằng cách này hạn ngạch của nó có thể được tăng lên hiệu quả nhưng sau đó nó có thể xóa file, giải phóng không gian lưu trữ để đáp ứng cho người dùng khác. Do đó cần thiết phải có một hệ thống kiểm soát. Một đề án về kiểm soát việc phân tán được đề xuất bởi Ngan, Wallach, và Druschel [35] để chia sẻ không gian lưu trữ. Trong đề án này, mỗi nút duy trì một tệp chứa thông tin sử dụng (gọi là tệp usage) bao gồm (a) số lượng không gian lưu trữ thiết lập riêng cho hệ thống, (b) một danh sách cục bộ của các bộ (ID, F) đối với file F được lưu giữ tại một nút có định danh là ID, (c) một danh sách từ xa chứa các file mà các nút khác lưu giữ cho nút đó. Trong một số trường hợp, chúng ta có thể xem hai danh sách tương tự như các khoản tín dụng và ghi nợ vào tài khoản của nút đó. Một nút được phép lưu trữ các file mới trên các nút từ xa nếu kích thước của tất cả các file trong danh sách từ xa nhỏ hơn không gian lưu trữ đã được thiết lập riêng cho hệ thống, nghĩa là nút đó được sử dụng không gian lưu trữ từ xa ít hơn không gian lưu trữ mà nó cung cấp. Khi một nút L muốn lưu giữ một file F trên một nút từ xa R, R phải kiểm soát tệp usage của L để xác minh rằng L thực sự được cho phép để lưu trữ một file từ xa. Nếu vậy, hai thực thể mới được tạo ra: L thêm F vào danh sách từ xa của nó và R thêm bộ (id của 33 L, F) vào danh sách cục bộ. Rõ ràng, cả L và R có thể giả mạo. L có thể giả mạo các nội dung của tệp usage của nó, bằng cách “thổi phồng” khả năng lưu trữ của nó hoặc lạm phát số lượng các thực thể trong danh sách cục bộ. Mặt khác, R có thể loại bỏ F một cách lặng lẽ sau khi tuyên bố đồng ý lưu trữ nó. Vì các nút chia sẻ không gian lưu trữ cho nhau nên đó là động lực để các nút đó loại bỏ các phần tử xấu. Một thủ tục kiểm soát có thể được sử dụng để ngăn chặn hành vi gian lận. Khi một nút R lưu trữ một file F cho một nút L, thì R được khuyến khích (bằng cách trả thêm chi phí) cho không gian từ xa. Nếu L không thêm file F vào danh sách từ xa, thì nó không được trả chi phí cho việc lưu trữ của nó, và R có thể xóa F. Để quá trình kiểm soát có hiệu lực, mỗi nút có mối quan hệ với L phải đánh giá nó một cách ngẫu nhiên và tất cả các thông tin cần được ẩn danh. Tương tự như vậy, L thu được bằng cách kiểm soát R: để đảm bảo R thực sự lưu trữ tệp tin thay vì lặng lẽ loại bỏ nó. Để ngăn chặn sự cấu kết giữa các nút, ví dụ, A yêu cầu để lưu trữ một số file cho B, B cho C, như vậy việc kiểm soát toàn diện hơn bao gồm việc kiểm tra các nút truy cập từ danh sách cục bộ được yêu cầu đệ quy. 2.6.4. Kỹ thuật dựa vào sự khích lệ Sun và Garcia-Molina [36] đề xuất một kỹ thuật khích lệ gọi là SLIC (Selfish Link-based InCentives). Mục đích là để cho phép mỗi thành viên tự cư xử coi lợi ích bản thân lên hàng đầu, như vậy thành viên đó sẽ chia sẻ tài nguyên của mình với những thành viên đã từng giúp họ (cung cấp tài nguyên/dịch vụ cho thành viên đó) và tẩy chay những thành viên mà họ không được hưởng lợi nhiều từ những thành viên đó. SLIC hoạt động trong phạm vi một mạng ngang hàng không cấu trúc và dựa vào thuộc tính khóa trong hầu hết các truy vấn: như truy vấn làm tràn ngập trong mạng không cấu trúc, láng giềng của một nút sẽ kiểm soát việc gia nhập vào mạng của nó. Nói cách khác, một thành viên có thể (a) từ chối phục vụ yêu cầu của nút láng giềng (nếu nó chứa tài nguyên mà nút láng giềng yêu cầu), (b) Loại bỏ các yêu cầu của nút láng giềng của nó (nếu nó không chứa tài nguyên mong muốn nhưng cũng không cho tài nguyên đó được chuyển qua nó), (c) nó cũng có thể đáp ứng yêu cầu hoặc cho phép truy vấn yêu cầu được truyền qua nó. SLIC khai thác mối quan hệ này như sau: Nút N đánh giá nút láng giềng M của nó dựa vào số lượng các đáp ứng của M đóng góp cho N (M đáp ứng các truy vấn trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các nút láng giềng của nó). Nếu M được đánh giá tốt thì N sẽ đáp ứng các 34 yêu cầu của M một cách thuận lợi. Ngược lại, nếu M được đánh giá là không mang lợi cho N (M không đáp ứng các yêu cầu của N) thì N cũng không chia sẻ nhiều đối với M. Do đó, các nút được khích lệ để cung cấp nội dung và kết nối đến các nút cung cấp nội dung. SLIC hoạt động dựa trên một chương trình đã có hiệu lực. Xét một nút N với M nút láng giềng của nó. Mỗi nút láng giềng được cấp một trọng số Wi với 0 <= Wi <= 1 (1 <= i <= M) dựa vào chất lượng dịch vụ được cung cấp bởi N. Wi = 1 nghĩa là nút láng giềng cung cấp dịch vụ rất tốt. Ngược lại, Wi = 0 ngụ ý một láng giềng vô dụng. Tài nguyên hoặc dịch vụ mà N sẽ cung cấp cho nút láng giềng thứ i tỷ lệ thuận với Wi. Chú ý rằng, khả năng của N được sử dụng cho cả các yêu cầu cục bộ và các yêu cầu gửi đến từ xa, chỉ có phần khả năng còn lại sau khi đáp ứng các truy vấn cục bộ được giành cho các nút láng giềng. Một cách định kỳ, các trọng số đó được cập nhật để theo dõi sự thay đổi trạng thái của các nút láng giềng. Để kỹ thuật SLIC hoạt động một cách hiệu quả, một vài vấn đề cần lưu tâm tới. Đầu tiên, cần xác định rõ trọng số của các láng giềng để phân biệt giữa láng giềng tốt và láng giềng xấu và cập nhật các trọng số đó một cách định kỳ. Trong SLIC, dịch vụ cung cấp bởi một láng giềng được đo bởi phần truy vấn được đáp ứng, ví dụ, số lượng dữ liệu có thể đáp ứng cho truy vấn tìm kiếm. Có 3 phương pháp để thiết lập trọng số cho các nút láng giềng mới: average – trọng số của một nút láng giềng mới được thiết lập là giá trị trung bình của các trọng số giữ bởi nút đó; average_inverse – trọng số được tính bằng cách nhân giá trị trung bình với iAvgHits 1 , trong đó AvgHitsi là giá trị trung bình đáp ứng mỗi truy vấn được gửi bởi một nút trong suốt giai đoạn thứ i; average_exponential – trọng số được tính bằng cách nhân giá trị trung bình với iAvgHitse . Phương pháp average đảm bảo tính công bằng cho các nút mới gia nhập, nhưng phương pháp này có thể dễ mắc phải hiện tượng tải tự do – một nút có thể dễ dàng ngắt kết nối và gia nhập lại hệ thống mỗi lần để khai thác những dịch vụ tốt từ các nút láng giềng mới. Ngược lại, phương pháp average_inverse và average_exponential dựa vào số lượng dịch vụ mà một nút được đáp ứng từ láng giềng hiện tại của nó. Về cơ bản, nếu các láng giềng hiện tại thực sự cung cấp dịch vụ tốt thì nó có thể không gặp rủi ro để phải chấp nhận thêm một láng giềng mới; ngược lại nếu một nút không hài lòng với các dịch vụ mà nút láng giềng mang lại thì một nút láng giềng mới có thể được thay thế để cải thiện mức độ hài lòng của nút đó. Hai phương pháp đó khác nhau trong việc thu nhận một nút láng 35 giềng mới. Trọng số được thay đổi đơn giản trong SLIC bằng cách sử dụng một cơ chế phân rã theo hàm mũ để cập nhật các trọng số đó. Ví dụ: Wi(t) = α * Wi(t - 1) + (1 – α) * I(t). Trong đó, Wi(t) biểu thị trọng số của nút thứ i trong suốt thời gian t, I(t - 1) biểu thị chất lượng của dịch vụ trong suốt thời gian t -1; (0<α<1). 2.6.5. Topo mạng phù hợp Trong một mạng P2P không có cấu trúc, cấu trúc tổng quan của mạng luôn thay đổi và topo mạng phù hợp cũng được thay đổi dựa vào tác động qua lại giữa các nút nhằm duy trì và cải thiện hệ thống. Ví dụ, nếu một nút luôn tìm những file hữu ích từ nút khác (nút không kết nối trực tiếp) thì nút này sẽ tiếp tục tìm các file hữu ích đó từ những nút khác trong hệ thống. Do đó, sẽ thuận lợi cho hệ thống nếu hai nút cùng liên kết trong một mạng để những tìm kiếm tiếp theo không cần phải đi qua các nút trung gian khác. Hơn nữa, khả năng thích ứng của mạng phủ cho phép các nút thay đổi định kỳ láng giềng của chúng để thay đổi quyền lợi của chúng. Trong khi các công trình trước tập trung vào các vấn đề hiệu quả, Condie [37] cho thấy, bằng cách triển khai một topo phù hợp, hệ thống P2P có thể ưu tiên cho các nút hoạt động tích cực và ngược đãi các nút xấu, do đó hệ thống có thể đạt hiệu quả bằng cách tăng khả năng ngăn chặn các loại tấn công. Cụ thể, mỗi nút trong hệ thống nên duy trì một lịch sử trước đó, cho phép các nút ước tính tiềm năng của việc tải các tập tin về từ các nút khác trong tương lai. Một kết quả cho thấy, khi một nút gia nhập lại hệ thống sau khi bị ngắt kết nối, nó có thể chọn kết nối với các nút có xác suất cao nhất chứa tập tin cần được tải về. Thông tin lịch sử của một nút được mã hóa thành một véc tơ tin cậy cục bộ, trong đó thực thể thứ i trong véc tơ biểu thị sự tin cậy của một nút (đo bằng tỉ lệ giữa các giao dịch thành công và các giao dịch không thành công) của nút thứ i. Giao thức tối đa hóa tính tin cậy của hệ thống mạng được biểu thị bởi công thức:     k i k j jisjiconnectionQ 1 1 ,*),( Trong đó, k là số lượng các nút trong hệ thống, connection(i,j) = 1 nếu nút i kết nối trực tiếp với nút j và bằng 0 nếu nó không kết nối trực tiếp; si,j là giá trị tin cậy mà nút i đánh già về nút j. Khi một nút i gia nhập vào hệ thống, nó thử kết nối với N kết nối ngẫu nhiên. Khi có ít nhất một kết nối, nút i sẽ tải một file từ nút j (nút j phải là một láng giềng 36 trực tiếp của i), sau khi nhận được một tập tin xác thực, nút i sẽ kết nối với nút j. Chú ý rằng, nếu nút i chỉ được phép kết nối với một số lượng tối đa nhất định, gọi là Ti, nếu đã có Ti kết nối thì kết nối với j chỉ được tạo ra khi nút j có độ tin cậy cao hơn một trong các nút láng giềng hiện tại của i. Rõ ràng, nút j chỉ chấp nhận kết nối nếu nút i có lợi cho nó: hoặc j có số kết nối hiện tại ít hơn số lượng tối đa các kết nối Tj hoặc giá trị tin cậy mà nút i đánh giá về nút j, sji lớn hơn giá trị tin cậy của các láng giềng hiện tại của nút j. Trong trường hợp này, nút j sẽ thay thế một láng giềng của nó bằng nút i. Tuy nhiên, phương pháp này hoạt động chưa hiệu quả do nó gặp phải hai điểm hạn chế sau: - Có khẳ năng một nút xấu sẽ gieo rắc các tập tin phi chứng thực. Một kịch bản được đề xuất bởi Condie, Kamvar và Garcia-Molina [37] là chog một nút xấu i kết nối đến một nút j (j có lòng khoan dung cao). Lòng vị tha của nút j ở đây theo nghĩa nó đáp ứng các truy vấn đến nó nhưng nó không gửi đi các truy vấn từ nó. Ví dụ, nó cho phép nút khác tải file từ nó nhưng nó không tải file từ các nút khác. Kết quả là tất cả các véc tơ tin cậy cục bộ đều có giá trị bằng 0, và nó sẽ chấp nhận kết nối từ tất cả các nút. Thông qua kết nối từ nút j, nút i nhận được các truy vấn được chuyển tiếp bởi nút j, vì thế nó có thể trả lời các truy vấn đó với các file phi chứng thực. Các giải pháp được đề xuất nhằm liên kết mỗi kết nối giữa hai nút với một giá trị tin cậy của kết nối. Giá trị tin cậy của kết nối ci,j phản ánh bao nhiêu lợi ích mà nút i thu lợi thông qua nút j, và được xác định từ số lượng các câu trả lời xác thực (hoặc phi xác thực) thu được từ các nút mà sự đáp ứng lại của nó của chúng là kết quả truy vấn được chuyển đến thông qua nút j. Do đó, nút i có thể ngắt kết nối giữa nó với nút j nếu các nút kết nối với j (trực tiếp hoặc gián tiếp) là các nút xấu. Nút j cũng có thể giải phóng các kết nối từ các nút xấu bằng cách loại bỏ tất cả các kết nối với các nút bắt đầu lại quá trình xây dựng kết nối của nó. Bây giờ, để phương pháp này được hoạt động, các truy vấn gửi ra bởi nút i thông qua nút j phải được gắn với một định danh đã được mã hóa bởi nút j. Các nút liên quan đến j (quen biết j) phải tríc xuất cả thẻ này và trả lại nó cung với các câu trả lời. Bằng cách này nút i sẽ biết được các nút có liên quan với nút j. Hơn nữa, một câu trả lời không có thẻ gắn kết thì không thể tin cậy vào câu trả lời đó. - Cũng có thể một nút sẽ bị kẹt trong nội bộ, nơi mà nút đó liên tục bị trì hoãn lâu dài trong việc nhận các câu trả lời cho các truy vấn của nó. Giải pháp cho trong trường hợp này là thay thế các kết nối có vấn đề bởi các kết nối mới đến các nút 37 ngẫu nhiên. Trong trường hợp xấu nhất, một nút có thể loại bỏ tất cả các kết nối hiện tại và tạo ra một tập hoàn toàn mới của các kết nối. 2.7. Bảo mật dựa vào hạ tầng cơ sở khóa công khai PKI Để cung cấp tính bảo mật, tính toàn vẹn, và tính ủy quyền của dữ liệu, kỹ thuật dựa trên hạ tầng cơ sở khóa công khai X.509 có thể được sử dụng. Một cách tiếp cận như vậy được thông qua trong hệ thống scishare [38] để tạo điều kiện hợp tác an toàn trong môi trường P2P. Hệ thống scishare nhằm vào hai mục tiêu chính: (a) đảm bảo an toàn các truy vấn được quảng bá đến một nhóm nút (từ là, cả thông điệp truy vấn và thông điệp đáp ứng truy vấn sẽ được giữ bí mật), (b) thông điệp yêu cầu vận chuyển và vận chuyển thông tin được bảo vệ. Để đảm bảo an toàn cho thông tin liên lạc trong nhóm, Sercure Group Layer [39] (SGL) được sử dụng. SGL sử dụng khóa chia sẻ nhóm để bảo vệ thông điệp, trong khi cung cấp một kỹ thuật hiệu quả để tạo ra và phân phối khóa mới bất cứ khi nào các thành viên của nhóm thay đổi. Truyền thông giữa các cặp nút được đảm bảo thông qua TLS [40]. Cùng một nhóm chính sách ủy quyền có thể được thi hành trên toàn bộ nhóm. Để tạo thuận lợi cho việc kiểm soát truy cập tốt hơn mà cho phép các nút khác có các đặc quyền khác nhau, kỹ thuật ủy quyền Akenti [41] đã được sử dụng. Trong Akenti, chủ sở hữu nguồn tài nguyên có thể truy cập từ xa và xác định độc lập các ràng buộc cần thiết để đáp ứng người sử dụng tài nguyên của họ. Trong khi các nút có chứng thực X.509 được đưa ra bởi một cơ quan cấp chứng thực đáng tin cậy, người dùng giảo mạo làm giảm độ trễ trong việc tiếp cận các nguồn tài nguyên. Một người dùng giả mạo là người có đặc quyền cơ bản và được tạo ra tự động khi có yêu cầu truy cập tài nguyên công cộng. 38 Chương 3: CÁC MÔ HÌNH TIN CẬY 3.1. Các khái niệm 3.1.1. Định nghĩa sự tin cậy 3.1.1.1. Tin cậy là gì Sự tin cậy có thể được định nghĩa đơn giản như là “niềm tin hay sự tin cậy vào tính trung thực, lòng tốt, hay sự chắc chắn của một người, một tổ chức”. Tuy nhiên, với nhiều cách tiếp cận khác nhau, quan điểm khác nhau mà có nhiều định nghĩa về sự tin cậy. Để có một sự hiểu biết sâu hơn về sự tin cậy, trong phần còn lại chúng ta sẽ tìm hiểu các định nghĩa chính xác về sự tin cậy trong một số lĩnh vực khác nhau như: tâm lý học, xã hội học, sinh vật học, và kinh tế học. Những định nghĩa từ Morton Deutsch[42, 43], Niklas Luhmann[44], Bernard Barber[45] và Diego Gambetta[46], những người đã nghiên cứu các khía cạnh chính của sự tin cậy. 3.1.1.2. Sự tin cậy trong tâm lý học Có lẽ trong nhiều định nghĩa về sự tin cậy thì định nghĩa của Morton Deutsch đưa ra vào năm 1962 là định nghĩa phổ biến nhất. Định nghĩa này dựa trên quan điểm của tâm lý học. Theo đó sự tin cậy được định nghĩa là: “một hành vi tin cậy xảy ra khi một cá nhân phải đối mặt với một sự lựa không rõ ràng, một sự lựa chọn có thể dẫn đến kết quả tốt đẹp và cũng có thể dẫn đến hậu quả khó lường. Trong nhận thức của người này, sự xuất hiện của những sự kiện này còn tùy theo hành vi của người khác và độ tin cậy vào sự kiện có hại có lớn hơn độ tin cậy của sự kiện có lợi hay không. Nếu người này gặp phải sự lựa chọn không rõ ràng, họ sẽ tìm một người giúp đỡ họ trong việc lựa chọn và tin cậy vào sự giúp đỡ đó. Người đó tin một người khác có thể lựa chọn được hành động dẫn đến kết quả tốt. Nếu không, người đó phải mạo hiểm lựa chọn một hành động mà không có một sự tin cậy nào”. Sau đó, trong cuốn “The Resolution of Conflict” [47] đồng tác giả, định nghĩa về sự tin cậy tiếp tục được mở rộng như là sự tin rằng sẽ tìm thấy những gì được mong muốn từ người khác, hơn là những điều đáng lo ngại. Định nghĩa của Morton Deutsch[42, 43] cho thấy một đặc tính đáng quan tâm của sự tin cậy đó là tính cá thể hóa. Mỗi người đều có nhận thức riêng của mình về sự tin cậy. Nói cách khác, sự tin cậy mang tính chủ quan phụ thuộc vào quan điểm của cá nhân. 39 3.1.1.3. Sự tin cậy trong xã hội học Tiếp cận sự tin cậy từ lĩnh vực xã hội học, Niklas Luhmann[44] chỉ ra một vấn đề của xã hội: sự phức tạp của mối quan hệ xã hội như là toàn bộ và đặc tính cá nhân trong đó. Theo đó, định nghĩa sự tin cậy được đưa ra: “như là một phương tiện để giảm độ phức tạp xã hội; phức tạp được tạo ra bằng cách tương tác cá nhân với các mục tiêu và nhận thức khác nhau”. Giống như Niklas Luhmann[44], Bernard Barber[45] cũng dựa vào xã hội học trong định nghĩa của ông. Đặc biệt, ông nói niềm tin đó là “phần lớn như một hiện tượng của sự biến thiên văn hóa và cấu trúc xã hội, không phải là một chức năng của sự biến thiên cá nhân. Nói chung, những định nghĩa này vượt được những định nghĩa của Morton Deutsch[42, 43] kể từ khi họ cho thấy rằng sự tin cậy được nhìn từ cả 2 khía cạnh: khía cạnh cá nhân và khía cạnh xã hội. 3.1.1.4. Sự tin cậy ở góc nhìn rộng hơn Diego Gambetta[46] đã nhìn nhận quan điểm tin cậy ở những lĩnh vực khác nhau từ sinh học cho đến lĩnh vực kinh tế. Ông đã đưa ra định nghĩa về sự tin cậy “như một mức độ cụ thể của xác suất chủ quan mà một người sẽ thực hiện một hành động cụ thể cả trước khi người đó có thể theo dõi hành động và cả trong khung cảnh mà trong đó nó ảnh hưởng đến hành động của chính mình”. Định nghĩa này củng cố lại định nghĩa sự tin cậy là sự chủ quan của cá nhân. Nói cách khác, cùng một niềm tin nhưng có thể có mức độ tin cậy khác nhau đối với từng cá nhân, hay ngắn gọn hơn, độ tin cậy là một xác suất. Định nghĩa này cũng ngụ ý rằng các thông tin, mà một cá nhân có thể giám sát, có hiệu lực vào mức độ tin cậy của mình. 3.1.2. Các dạng tin cậy Thông thường có 2 dạng tin cậy: tin cậy vào hành động của một người hoặc tin cậy vào sự giới thiệu của một người. 3.1.2.1. Tin cậy dựa vào hành động Dạng đầu tiên của sự tin cậy phản ánh định nghĩa cơ bản của tin cậy: tin cậy vào một hành vi của người khác. Ví dụ, chúng ta tin cậy các bác sỹ phẫu thuật về các hành động khám sức khỏe cho chúng ta hay tin cậy vào các hành động mà các kỹ sư cơ khí sẽ bảo trì xe cho chúng ta. Một lưu ý quan trọng ở đây là sự tin cậy dựa vào hành động là luôn xác 40 định đối với một hành động cụ thể. Ví dụ, chúng ta không tin cậy vào hành động bác sỹ sửa xe, hay chúng ta không tin cậy vào hành động giải phẩu của các kỹ sư cơ khí. 3.1.2.2. Tin cậy dựa vào sự giới thiệu Dạng thứ 2 của sự tin cậy sẽ đưa vào sự đánh giá mối quan hệ giữa các cá thể trong xã hội: tin cậy vào sự giới thiệu. Một người có thể tin cậy hành động của người khác, nhưng không phải tin cậy hoàn toàn vào lời giới thiệu đó. Ví dụ, chúng ta có thể tin cậy vào một bác sỹ nếu đó đúng là một bác sỹ giỏi. Tuy nhiên nếu bác sỹ giới thiệu cho chúng ta gặp một bác sỹ khác mà chúng ta chưa bao giờ biết đến thì chúng ta không thể tin cậy vào sự giới thiệu của bác sỹ. Dạng tin cậy này có thể chia thành 2 dạng nhỏ hơn: tin cậy vào sự giới thiệu của một người và tin cậy vào sự giới thiệu của một người mà họ được giới thiệu bởi một người đại diện. Lưu ý: mặc dù tồn tại các dạng tin cậy khác nhau, trong các hệ thống máy tính phổ biến, để duy trì sự đơn giản chúng ta không nên phân biệt chúng. Nói chung, nếu một cá thể tin vào một cá thể khác, nó cũng tin rằng lời khuyên của cá thể đó là tốt cũng như lời khuyến nghị của các cá thể khác, đó là sự giới thiệu bởi cá thể này. Nói một cách khác, một giá trị duy nhất có thể được dùng để đại diện cho tất cả các dạng tin cậy trong các hệ thống máy tính. 3.1.3. Biểu diễn sự tin cậy bởi giá trị Thông thường, chúng ta có thể phân loại thành 4 loại giá trị trong sự tin cậy: đơn giá trị, giá trị nhị phân, đa giá trị và giá trị liên tục. 3.1.3.1. Đơn giá trị Trong trường hợp đơn giản, giá trị tin cậy được biểu diễn bởi một giá trị duy nhất: hoặc tin cậy hoặc không tin cậy. Ví dụ, trong một bài viết của Aberer và Despotovic [48], một giá trị tin cậy chỉ có thể chỉ rõ như một lời xác nhận. Khi một cá thể không đáp ứng trong một phiên dịch, nó sẽ gửi một lời xác nhận đến hệ thống hoặc là nó không làm gì. Vì phương pháp này chỉ sử dụng một giá trị duy nhất nên nhược điểm của nó là không thể phân biệt giữa cá thể tin cậy với cá thể chưa xác định. 41 3.1.3.2. Giá trị nhị phân Để khắc phục nhược điểm của phương pháp biểu diễn đơn giá trị, trong cách biểu diễn bởi giá trị nhị phân, hai giá trị được đưa vào sử dụng: một giá trị tương ứng với sự tin cậy còn giá trị kia tương ứng với giá trị không tin cậy. Phương pháp này có thể phân biệt được cá thể tin cậy và cá thể không tin cậy. Tuy nhiên nếu chúng ta xét đến trường hợp phức tạp hơn thì một cá thể vẫn không thể phân biệt được giữa cá thể mà họ chưa bao giờ giao tiếp với cá thể mà họ đã từng giao tiếp. Tuy nhiên, nó cũng không tin cậy hay phủ nhận cá thể đó. 3.1.3.3. Đa giá trị Sử dụng đa giá trị để biểu diễn sự tin cậy có lẽ là phương pháp tốt nhất để khắc phục các nhược điểm trong các phương pháp trên đây. Nó cung cấp cho các người dùng một cách lin