分布式系统的安全性

论分布式系统的安全性

摘要

随着计算机网络的迅猛发展，传统的信息系统发生了巨大的变化，这些变化突出的变现在信息的存储、传递、发布以及获取方式所发生的革命性变革。与此同时，基于网络的分布式系统在各个领域得到了广泛的应用，在整个社会生活中发挥着日益突出的作用。分布式系统的应用涉及到社会的各个领域，从某种意义上说，安全性已经成为分布式系统开发和应用的最重要的一方面，它为开放的分布式系统提供了相当重要的服务。分布式系统中的安全可以分为两部分。一部分涉及可能处于不同机器上的用户或进程之间的通信。确保安全通信的主要机制是安全通道机制。安全通道更明确的说是身份验证、消息完整性以及机密性。另一部分涉及授权，用以确保进程只获得授予它的对分布式系统内资源的访问权限。安全通道和访问控制需要分发加密密匙的机制，还需要向系统中添加或从系统中删除用户的机制。

关键词：分布式系统、安全性、加密、安全通道

第一章安全性介绍

1.1安全威胁、策略和机制

计算机系统中的安全性与可靠性的密切相关。非正式的说，一个可靠的计算机系统是一个我们可以有理由信任来交付其服务的系统。可靠性包括可用性、可信赖性、安全性和可维护性。但是，如果我们要信任一个计算机系统，就还应该考虑机密性和完整性。考虑计算机系统中安全的另一种角度是我们试图保护该系统所提供的服务和数据不受到安全威胁。包括4种安全威胁：

（1）窃听；

（2）中断；

（3）修改；

（4）伪造。

窃听是指一个未经授权的用户获得了对一项服务或数据的访问情况。窃听的一个典型事例是两人之间的通信被其他人偷听到。窃听还发生在非法拷贝数据时。

中断的一个实例是文件被损坏或丢失时所出现的情况。一般来说，中断是指服务或数据变得难以获得、不能使用、被破坏等情况。在这个意义上说，服务拒绝攻击是一种安全威胁，它归为中断类，一些人正是通过它恶意的试图使其他人不能访问服务。

修改包括对数据未经授权的改变或篡改一项服务以使其不再遵循其原始规范。修改的实例包括窃听然后改变传输的数据、，篡改数据库条目以及改变一个程序使其秘密记录其用户的活动。

伪造是指产生通常不存在的附加数据或活动的情况。例如，一个入侵者可能尝试向密码文件或数据库中添加一项，同样，有时可能通过重放先前发送过的消息来侵入一个系统。

仅仅声明系统应该能够保护其自身免受任何可能的安全威胁并不是实际建立一个安全系统的方式。首先需要的是安全需求的一个描述，也就是一个策略。安全策略准确的描述系统中的实体能够采取的行为以及禁止采取的行动。实体包括用户、服务、数据、机器等。制定了安全策略之后，就可能集中考虑安全机制，策略通过该机制来实施。重要的机制包括：（1）加密；

（2）身份验证；

（3）授权；

（4）审计。

加密是计算机的基础。加密将数据转换为一些攻击者不能理解的形式。身份验证用于检验用户、客户、服务器等所声明的身份。对一个客户进行身份验证之后，有必要检查是否授予该客户执行该请求操作的权限。审计工具用于追踪各个客户的访问内容以及访问方式。

1.2设计问题

一个分布式系统，或者是任何计算机系统，都必须提供安全服务，使得范围广阔的安全策略可以通过这些服务来实现。实现多方面的安全服务时需要考虑很多重要的设计问题，主要有3个：控制的焦点、安全机制分层、和简洁性。

1.2.1控制的焦点

考虑一个应用程序的保护时，基本可以遵循3种不同的保护方法，如下图所示。第一种方法是把注意力直接集中在与该应用程序相关联的数据的保护。第二种方法是把注意力集中于要访问特定数据或资源时，通过明确指定可以调用的操作，以及操作由谁完成来进行保护上。在这种情况中，控制焦点与访问机制紧密相关。第三种方法是把注意力直接集中于用户，通过采取一些措施使得只有指定的人可以访问该应用程序，而不是考虑其要执行的操作来实现。

图1三种防止安全威胁的保护方法

（a）防止无效操作的保护；（b）防止未经授权调用的保护；（c）防止未经授权用户的保护1.2.2安全机制分层

安全系统设计的一个重要问题是要决定应将安全机制放在那一层。在这一环境中的层次与系统逻辑组织的层次相关。将计算机网络和分布式系统分层的组织结合起来，一般会导致如下图2的结果。

图2分布式系统的多层逻辑结构

在分布式系统中，安全机制通常位于中间件层。位于分布式系统中的中间件层的安全服务仅在其所依赖的安全服务确实安全的情况下才是可以信任的。

1.2.3安全机制的分布

TCB是一个分布式系统中所有安全机制的集合，这些机制用于执行一个安全策略。TCB 越小越好。如果在现有的网络操作系统上将一个分布式系统作为中间件建立，那么其安全性就取决于作为基础的本地操作系统的安全性。我们考虑分布式文件服务器的情况，这样的一个服务器可能需要依赖其本地操作系统所提供的各种保护机制。这些机制不仅包括保护文件免受文件服务器外的进程访问的机制，还包括保护该文件服务器免受恶意破坏的机制。因次基于中间件的分布式系统需要有对其依赖的现有本地操作系统的信任。如果不存在这样的信任，则本地操作系统烦人部分功能性就可能需要合并到分布式系统本身中。考虑一个微核操作系统，其中的许多操作系统服务作为普通用户进程运行。在这种情况下，文件系统可以由一个为了适合分布式系统特定需求而裁减的系统完全取代。因此，我们可以用分布式操作系统逐渐取代基于中间件的分布式系统。

1.2.4简洁性

另一个与决定将安全机制放在哪儿一层有关的重要设计问题是简单性。一般认为设计一个安全的计算机系统是一项困难的任务。因此，如果一个系统设计者可以使用一些易于理解且工作可靠的简单机制，设计工作就会比较容易实现。，不幸的是，对实现安全策略来说简单机制通常不够充分。比如，A希望向B发送一条消息的情况。链接层加密是一个简单且易于理解的机制，它用来防止对站点间消息通信的窃听。然而，如果A希望确保只有B能够接受到他的消息，就需要更多机制。字这种情况下啊，就需要用户级身份验证服务，并且A可能需要了解此类服务的工作方式以便投入其信任，因此尽管许多安全服务都是高度自动

化且对用户隐藏的，但用户级身份验证可能至少需要对加密密匙的概念的理解以及对诸如证书这样的机制的认识。在其他情况下，应用程序自身本质上是复杂的，引入安全只会使得事情变得更糟。简单性有助于最终用户对应用程序投入信任，更重要的是，对设计者确信系统没有安全漏洞有很大帮助。

1.3加密

在分布式系统中，安全的基本措施是使用加密技术。主要包括二类加密系统：

1.3.1对称加密系统：DES

DES设计成运行在64位数据块上，数据块在16轮内转换为一个加密的输出块，每一轮使用一个不同的48位密匙进行加密。这16个密匙中的每一个都来源与一个56位的主密匙。如图3（a）所示，一个输入块在开始其16轮的加密之前，首先要进行初始排列，其逆随后应用于加密的输出上，导致最终的输出数据块。每个加密轮i将前一轮产生的64位数据块作为输入，如（b）所示。这64位分为左边部分和右边部分，每部分62位。右边部分作为下一轮的左边部分。

图3（a）DES的原理（b）一个加密轮次的概要

第i轮的48位密匙从56位的主密钥中得到。首先，排列主密匙并分为两个28位的等分。对每轮来说，每一半首先都左移一位或者两位，之后就取出24位与从移动后的另一半中取出的24位咋一起，就构成了48位的密钥。

图4DES中每轮密匙生成的细节

1.3.2公钥加密系统：RSA

在RSA中，公钥和公钥都是由非常大的素数构成的，产生私钥和公钥需要4个步骤：（1）选择两个非常大的素数，p和q；

（2）计算n=p*q以及z=（p-1）*（q-1）；

（3）选择一个与z有关的素数d；

（4）计算e使得e*d=1mod z。

其中一个数d可以随后用于解密，而e则用于加密。

第二章安全通道

2.1身份验证

2.1.1基于共享密钥的身份验证

在基于共享密匙的身份验证的情况下，协议的进行如下图5

图5基于共享密匙的身份验证

2.1.2使用公钥加密的身份验证

基于公钥加密的一个典型身份验证协议如下图6：

图6公钥加密系统的相互身份验证

2.2消息完整性和机密性

除身份验证外，安全通道还应提供对消息完整性和机密性的保证。消息完整性指保护消息免受修改；机密性确保了窃听者不能截获和读取信息。机密性可以通过在发送消息前简单加密该消息容易的实现。加密通过与接收者共享密钥来实现，或者使用接收者的公钥来实现。

2.2.1数字签名

放置数字签名有若干种方式。一种流行的形式是使用例如RSA的公钥加密系统，如图7。A向B发送消息时，使用公钥加密该消息，并向B发出，如果还希望保密该消息内容，那么还可以使用B的公钥并发送给B。

图7使用公钥加密对消息进行数字签名

2.2.2会话密钥

在安全通道的建立期间，在身份验证阶段完成以后，通信各方一般使用唯一的共享会话密钥以实现机密性。而在不再使用该通道时安全的丢弃该会话密钥。使用会话密钥有很大重要的好处：首先，经常使用一个密钥时很容易泄漏该密钥。使用会话密钥的基本思想是如果入侵者能够窃听到许多使用同一密钥加密的数据，就有可能发动攻击以得到所使用的密钥的某些特征，并有可能发现明文或该密钥本身，出于这种原因，尽可能不使用身份验证密钥更为安全。此外，这样的密钥通常使用一些相对耗时的带外机制进行交换。

为每个安全通道产生一个单独密钥的另一个重要原因是要确保通信各方受到防止重放攻击的保护。通过在每次建立安全通道时使用一个唯一的会话密钥，通信各方至少受到防止重放一个完整会话的保护。

第三章安全管理

3.1密钥管理

建立和分发密钥并不是微不足道的事情。例如通过不安全的通道分发密钥是不可接受的，在许多情况下我们需要采取带外方法，同样，也需要一些机制来废除密钥，也就是说要防止密钥受到损害或无效后被继续使用。

3.1.1密钥建立

在不安全的通道中建立共享密钥的一种精致且应用广泛的方法是Diffie-Hellman密钥交换。工作方式如下图8

图8Diffie-Hellman密钥交换的原理

3.1.2密钥分发

密钥管理中一个更困难的部分是初始密钥的分发。在对称加密系统中，初始共享密钥必须沿着一条提供身份验证和机密性的安全通道交流，如图9（a）所示。在使用公钥加密系统的情况下，我需要以这样一种方式分发公钥，即接收者能够确信该密钥肯定可以与声明的一个私钥配成对。换句话说如图（9）b所示，虽然公钥本身可以使用明文发送，但是发送该公钥所通过的通道必须可以提供身份验证。

图9密钥分发和公钥分发

（a）密钥分发；（b）公钥分发

3.1.3证书的生存期

有关证书的一个重要问题是其寿命。首先考虑一下证书的颁发机构分发终身证书的情况。本质上，该证书声明的是该公钥对证书所标识的实体将一直有效。显然这样的声明不是我们想要的。如果被标识的实体的私钥曾经受到损害，就没有可信的客户会永远能够使用该公钥，在这种情况下，我想需要一种机制，通过令公众知道该证书不再有效来吊销该证书。吊销证书有多种方式，一种普通方法是使用颁发机构定期公布的CRL。一种替代方法是限制证书的生存期，最后一种情况是将证书的生存期缩短到几乎为零。实际上被分发的证书的生存期都是有限的。实践证明客户应用程序几乎没有查阅过CRL，而只是假设证书在到期以前是有效的。

3.2安全组管理

许多安全系统都利用了特殊的服务机构，这些服务机构的存在说明了分布式系统中的一个困难问题。首先，这些服务机构必须是可信的。要提高对安全服务机构的信任，就有必要对他们提供高度的保护以防止所有类型的安全威胁。另一方面，同样，许多安全服务机构也必须提供高可用性。解决高可用性的方法是复制。但另一方面，复制会使服务器更容易受到安全攻击。

需要解决的问题是确保进程要求加入组G时，该组的完整性没有遭到破坏。假设组G 使用一个所有组成员共享的密钥CK来加密组消息。此外，该组还使用一个公钥或私钥来与

非组成员通信。只要进程P希望加入组G它就发送一个标识G和P的加入请求JR、P的本地时间T、一个生成的响应填充RP以及一个生成的密钥K。RP和K使用该组的公钥共同加密，如图10所示：

图10安全接纳一个新的组成员

一个组成员Q接收到这样一个加入请求时，该成员首先对P进行身份验证，然后与另一个组成员进行通信来查看是否可以接纳P为组成员。P的身份验证以通常方式依靠证书进行。时间戳T用来确定该证书在其发送时是否仍然有效。

3.3授权管理

分布式系统中的安全管理包括访问权限管理。在非分布式系统中，访问权限管理相对容易，向该系统中添加一个新用户时，就向该用户赋予初始权限。在分布式系统中，情况比较复杂，因为资源散布在多台机器上。

3.3.1权能和属性证书

在分布式系统中广泛应用的一种好的多的方法就是使用权能。权能是对于指定资源的一种不可伪造的数据结构，它确切指定它的拥有者关于资源的访问权限。存在不同的权能实现方式。以Amoeba操作系统中所使用的实现方式为例。

权能是一个128位的标识符，内部组织如图11所示。前48位由该对象的服务器在创建该对象时初始花，并有效形成了该对象的服务器的独立于机器的标识符，称为服务器端口，其后的24位用于标识给定服务器上的对象。后面的8位用于指定权能持有者的访问权限，最后的48位用于使权能不可伪造。

图11Amoeba中的权能

在现代分布式系统中使用的权能的一种概括是属性证书，与用于检验公钥有效性的证书不同，属性证书用于列出证书持有者关于该被标识资源的访问权限。与其他证书相似，属性证书由称为属性证书颁发机构的特殊证书颁发机构分发。这样的一个颁发机构与一个对象的服务器对应。然而，一般来说，属性证书颁发机构和管理实体的服务器不需要是相同的。

3.3.2委派

对于实现计算机系统，特别是分布式系统的保护来说，访问权限的委派是一项重要技术。通过将某些访问权限从一个进程传送到另一个进程，使得在多个进程分布工作变得更容易，而又不会对资源保护产生明显的影响。实现委派有多种方式，一种普通方法是利用代理。在计算机系统的安全环境中，代理是一个标记，允许其所有者使用与授予该标记的主体相同的或受限的权限和特权进行操作。

总结

安全在分布式系统中扮演一个非常重要的角色，分布式系统提供一直机制来实施多种不同安全策略。分布式系统应该提供建立进程间安全通信的功能，原则上安全通道提供通信各方互相进行的身份验证的方法，并保护消息在传输期间免受篡改，安全通道一般还提供机密性，使得除通信参与方外没有人能够读取该通道中通过的消息。

实现访问控制有两种方式，首先爱你，每个资源能够保持一个访问控制表，正确列出每个用户或进程的访问权限；另一种方式是进程可以携带一个证书明确声明其对一个特定资源集合的访问权限。

参考文献

1、Anderson《Security Engineering：A Guide to Building Dependable Distributed Systems》；

2、Blaze《The Role of Trust Management in Distributed Systems Security》；

3、Ellison《The Risks of PKI:What You‘re Not Being Told About Public Key Infrastructure》；

4、Kaufman《Network Security》；

5、Menezes《Handbook Of Applied Cryptography》。