Intrusion Tolerance in Large Scale Networks

Abstract

O crescimento da dependência na utilização de serviços informáticos em redes de larga escala demanda sistemas que forneçam um serviço correcto e ininterrupto. Por este motivo, algoritmos tolerantes a faltas bizantinas (BFT) têm recebido considerável atenção nos últimos anos. A ideia fundamental destes algoritmos é replicar um determinado serviço num conjunto de servidores, assegurando a sua operação contínua mesmo na presença de um número limitado de servidores faltosos. Cada servidor é uma réplica, uma máquina de estados determinística que executa operações em resposta a requisições¸ realizadas por clientes. Para que serviços replicados sejam tolerantes a faltas, modos comuns de falhas devem ser evitados, essa é a principal motivação desta tese. Mais especificamente, a tese trata de falhas causadas por desastres naturais, falta de energia e ataques físicos. Para que a ocorrência destas falhas afecte um número limitado de servidores é necessário distribuir as réplicas geograficamente. Esta distribuição, requer que os locais onde se situam as réplicas sejam conectados por uma rede de larga-escala (WAN), como a Internet. Infelizmente, quando as réplicas estão distribuídas geograficamente o desempenho dos algoritmos BFT actuais é afectado pelas limitações de largura de banda e latências heterogéneas, típicas em redes de larga-escala. A fim de tratar destas limitações esta tese introduz novos algoritmos BFT que são simultâneamente eficientes e seguros. Alguns destes algoritmos são baseados em um modelo de faltas híbrido, por exemplo, parte do sistema é considerado seguro pela sua construção. Uma importante contribuição desta tese é a definição e concretização de um serviço confiável mínimo: o gerador de identificador único e sequencial (USIG). A tese descreve como concretizar algoritmos de consenso bizantinos com 2 f +1 processos, usando um algoritmo de reliable multicast que requer um componente confiável, uma abstração do USIG. O serviço USIG e a primitiva de reliable multicast são aplicados como componentes nucleares na concretização de dois novos algoritmos BFT introduzidos nesta tese: MinBFT e MinZyzzyva. Estes algoritmos são mínimos em termos de número de réplicas, complexidade do componente confiável e número de passos de comunicação. A fim de mitigar os ataques de degradação de desempenho esta tese propõe o uso de um primário rotativo, definindo assim um novo algoritmo BFT, o Spinning. Além de ser menos vulnerável a ataques causados por primários faltosos, o Spinning atinge um débito similar ao algoritmo base. Finalmente, os mecanismos e técnicas desenvolvidos ao longo desta tese são combinados com o objectivo de definir o EBAWA, um novo algoritmo BFT que é adequado para suportar a execução de serviços replicados em redes de larga-escala.