Khóa luận Chống tấn công che khuất trong các mạng ngang hàng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT

TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ thông tin

Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Đại Thọ

HÀ NỘI - 2009

1

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Lời cảm ơn

Trước tiên, tôi xin chân thành cảm ơn các thày cô giáo trong khoa Công nghệ Thông

tin trường Đại học Công Nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy dỗ và chỉ bảo nhiệt tình

cho tôi trong suốt bốn năm học qua.

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới TS. Nguyễn Đại Thọ - phó chủ nhiệm bộ

môn Mạng và Truyền thông máy tính, là người hướng dẫn trực tiếp cho tôi trong quá trình

thực hiện khóa luận. Thày đã cho tôi nhiều ý tưởng và kinh nghiệm quý báu để hoàn

thành khóa luận này.

Tôi xin chân thành cảm gia đình, bạn bè và người thân đã luôn động viên và giúp đỡ

tôi trong thời gian qua. Đây là chỗ dựa tinh thần vững chắc và là nguồn động viên to lớn

giúp tôi vượt qua khó khăn trong thời gian thực hiện khóa luận cũng như trong cuộc sống.

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 24/05/2009

Sinh viên

Mai Hữu Tiến

Khóa luận tốt nghiệp

i

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Tóm tắt

Trong mạng ngang hàng, một node muốn giao tiếp với các node khác trong mạng

đều phải thông qua các node mà nó có liên kết trực tiếp tới, các node này được gọi là các

hàng xóm của nó. Trong quá trình các thông điệp được gửi, các node hàng xóm đóng vai

trò như các bộ định tuyến, nó giúp chuyển tiếp các thông điệp tới đích một cách chính

xác. Đặc trưng này của mạng ngang hàng là điểm yếu mà kẻ tấn công muốn lợi dụng. Một

kẻ tấn công nếu điều khiển được các node hàng xóm của node chuẩn thì nó có thể “che

khuất” node chuẩn với các node khác trong mạng, hình thức tấn công như vậy được gọi là

tấn công che khuất.

Có một phương pháp phòng chống tấn công che khuất hiệu quả được Atul Singh –

một giảng viên của trường đại học Rice (Mỹ) cùng các đồng nghiệp đưa ra được trình bày

trong bài báo [1] đó là phương pháp kiểm tra ẩn danh dựa vào việc giới hạn bậc của các

node trong mạng. Để có thể đánh giá hiệu quả của phương pháp này, tôi đã xây dựng một

chương trình mô phỏng phương pháp kiểm tra ẩn danh, kết quả thử nghiệm cho thấy có

tới hơn 90% các node gây hại bị phát hiện.

Khóa luận tốt nghiệp

ii

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Mục lục

Lời cảm ơn.............................................................................................................................i

Tóm tắt..................................................................................................................................ii

Mục lục............................................................................................................................... iii

Các chữ viết tắt.....................................................................................................................v

Hình ảnh ..............................................................................................................................vi

Đồ thị...................................................................................................................................vi

Mở đầu..................................................................................................................................1

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG XẾP CHỒNG.........................................................4

1.1. Giới thiệu mạng xếp chồng ...........................................................................................4

1.2. Mạng xếp chồng ngang hàng.........................................................................................5

1.2.1. Tổng quan mạng xếp chồng ngang hàng không có cấu trúc ......................................6

1.2.2. Tổng quan mạng xếp chồng ngang hàng có cấu trúc .................................................6

1.3. Mạng xếp chồng ngang hàng có cấu trúc Pastry.........................................................10

1.3.1. Không gian định danh ..............................................................................................10

1.3.2. Thông tin dùng trong định tuyến..............................................................................11

1.3.3. Trạng thái node.........................................................................................................12

1.3.4. Phương pháp định tuyến...........................................................................................13

1.3.5. Khả năng tự tổ chức..................................................................................................14

1.3.6. Thực hiện định tuyến................................................................................................16

Chương 2. TẤN CÔNG TRONG MẠNG NGANG HÀNG .............................................18

2.1. Tấn công mạo nhận .....................................................................................................19

Khóa luận tốt nghiệp

iii

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

2.2. Tấn công che khuất......................................................................................................20

2.3. So sánh tấn công mạo nhận và tấn công che khuất .....................................................22

Chương 3. CÁC CƠ CHẾ PHÒNG CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT.......................23

3.1. Một số phương pháp phòng chống tấn công che khuất...............................................23

3.2. Cơ chế giới hạn bậc .....................................................................................................25

3.3. Cơ chế kiểm tra ẩn danh..............................................................................................28

Chương 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CƠ CHẾ KIỂM TRA ẨN DANH DỰA TRÊN

PASTRY.............................................................................................................................33

4.1. Hình trạng mạng và các file thư viện liên kết động ....................................................33

4.1.1. Hình trạng mạng mô phỏng......................................................................................33

4.1.2. Các file thư viện liên kết động trong chương trình ..................................................34

4.2. Xây dựng chương trình mô phỏng kiểm tra ẩn danh...................................................35

4.2.1. Mô tả chương trình...................................................................................................35

4.2.2. Các file chương trình................................................................................................37

4.3. Thí nghiệm và nhận xét...............................................................................................40

4.3.1. Thí nghiệm 1.............................................................................................................41

4.3.2. Thí nghiệm 2.............................................................................................................42

4.3.3. Nhận xét....................................................................................................................44

Chương 5. KẾT LUẬN ......................................................................................................46

Tài liệu tham khảo..............................................................................................................47

Khóa luận tốt nghiệp

iv

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Các chữ viết tắt

Từ viết tắt

CRT

Từ gốc

Nghĩa tiếng Việt

Ràng buộc bảng định tuyến

Bảng băm phân tán

Constraints routing table

Distributed hash table

DHT

Georgia Tech Internetwork Topology Mô hình topo liên mạng của

GT-ITM

Models

Proximity neighbor selection

Peer to peer

trường Georgia

Lựa chọn hàng xóm lân cận

Mạng ngang hàng

PNS

P2P

Khóa luận tốt nghiệp

v

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Hình ảnh

Hình 1: Không gian định danh Pastry 4 bit với sáu khóa được ánh xạ vào năm node......10

Hình 2: Bảng định tuyến, tập lá, tập lân cận của node có định danh 10233102 ...............12

Hình 3: Các node gây hại chia mạng xếp chồng ra làm hai mạng con.............................20

Hình 4: Tập Con trỏ ngược - Back pointer set ..................................................................27

Hình 5: A kiểm tra B thông qua node trung gian I............................................................28

Hình 6: Minh họa mạng giao vận nhánh – Transit stub ....................................................33

Hình 7:Các loại thông điệp trong kiểm tra ẩn danh...........................................................37

Đồ thị

Biểu đồ 1: Tỉ lệ node gây hại bị phát hiện trong thí nghiệm 1..........................................41

Biểu đồ 2: Tỉ lệ node chuẩn không vượt qua được kiểm tra trong thí nghiệm 1...............42

Biểu đồ 3:Tỉ lệ node gây hại bị phát hiện trong thí nghiệm 2...........................................43

Biểu đồ 4: Tỉ lệ node chuẩn bị kết luận nhầm là node gây hại trong thí nghiệm 2...........43

Khóa luận tốt nghiệp

vi

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Mở đầu

Số người dùng Internet tính đến năm 2008 là hơn 1,46 tỉ người (số liệu từ trang

Internetworldstats.com) so với 35.000 người năm 1987 và tăng tới 46% trong hai năm từ

2006 đến 2008 (theo tờ Washington Post), điều này chứng tỏ Internet đang có tốc độ tăng

trưởng rất cao trên toàn thế giới. Với sự phát triển nhanh của số người dùng Internet như

vậy, mô hình phục vụ client-server đang dần bộc lộ điểm yếu của mình đó là việc quá tải

băng thông dẫn đến server không thể đáp ứng hết tất cả yêu cầu từ phía client khi lượng

client kết nối tới server quá cao. Một trong những công nghệ được hi vọng có thể giải

quyết việc quá tải băng thông trong mô hình client-server đó chính là công nghệ mạng

ngang hàng. Ngày nay, mạng ngang hàng đang dần trở nên phổ biến và thu hút được rất

nhiều sự quan tâm của người dùng, các nhà phát triển ứng dụng và các nhà nghiên cứu.

Giống như mô hình client-server, mạng ngang hàng cũng phải đối mặt với nguy cơ bị tấn

công từ phía những kẻ xấu muốn phá hoại mạng và khống chế máy tính của người sử

dụng.

Một trong những mục đích chính của người sử dụng Internet đó là chia sẻ dữ liệu

mà mình có như các bộ phim, hình ảnh, bài hát… với người thân và những người khác

trên toàn thế giới, công nghệ mạng ngang hàng có thể đáp ứng tốt nhu cầu này và nó đang

được sử dụng phổ biến. Có những lúc cao điểm, mạng chia sẻ file ngang hàng đã chiếm

tới 90% băng thông của mạng Internet (theo tờ Washington Post). Ngoài ứng dụng chia sẻ

file, còn có một ứng dụng nổi bật dựa trên mạng ngang hàng không thể không nói tới đó

là ứng dụng gửi tin nhắn tức thời với các nhà cung cấp dịch vụ nổi tiếng như ICQ, Yahoo,

AOL,... Mạng ngang hàng đã quá phổ biến và đang là mục tiêu phá hoại của những kẻ

xấu. Sẽ là thảm họa lớn cho người dùng khi bị kẻ xấu tấn công, nhất là trong mạng ngang

hàng, bởi các máy tham gia vào mạng đều bình đẳng với nhau, thường không có một sự

quản lý tập trung nào trong mạng. Do đó, kẻ tấn công có thể dễ dàng gia nhập vào mạng

thực hiện các hành vi phá hoại như ngăn cản giao tiếp giữa các máy, khống chế việc gửi

và nhận dữ liệu, cấy các chương trình phá hoại vào máy người dùng, phát tán các mã

độc… Các dạng tấn công thường gặp trong mạng ngang hàng đó là: tấn công mạo nhận,

tấn công che khuất, tấn công bằng các file độc … Trong các cách tấn công này, thì tấn

công che khuất là phổ biến và khó phòng chống nhất. Muốn thực hiện tấn công che khuất,

Khóa luận tốt nghiệp

1

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

kẻ tấn công phải đưa các node gây hại vào trong tập hàng xóm của các node chuẩn, nếu tỉ

lệ node gây hại trong tập hàng xóm của các node chuẩn càng cao thì hiệu quả của tấn

công che khuất sẽ càng cao. Để có thể đưa các node phá hoại vào các tập hàng xóm, node

phá hoại thường lợi dụng quá trình node mới tham gia vào mạng và quá trình cập nhật tập

hàng xóm theo chu kì. Trong các quá trình này, tập hàng xóm của các node chuẩn sẽ được

bổ xung node mới và thay thế các node lỗi, đây thời cơ thích hợp để node gây hại được

đưa vào trong tập hàng xóm của các node chuẩn. Khi đã chiếm được nhiều vị trí trong tập

hàng xóm của các node chuẩn, node gây hại có thể “che khuất” các node chuẩn với các

node khác trong mạng, bởi khi gửi thông điệp cho các node khác đều phải qua các node

gây hại trong tập hàng xóm, do đó mọi giao tiếp của node chuẩn với các node khác đều bị

node gây hại khống chế và kiểm soát. Với cách thức tấn công như vậy, các node gây hại

có thể khống chế toàn bộ băng thông và dữ liệu truyền trong mạng khi đã “che khuất”

được nhiều node chuẩn.

Trước các tác hại do tấn công che khuất có thể gây ra, vấn đề cấp thiết đó là cần có

một cơ chế hiệu quả ngăn chặn các hành vi “che khuất” của các node gây hại trong mạng

ngang hàng để đảm bảo cho mạng hoạt động bình thường và ổn định. Phương pháp chống

tấn công che khuất có thể được áp dụng trong kháng lỗi của mạng và để xây dựng mô

hình kháng lỗi Byzantine[7] trong mạng nói chung và mạng ngang hàng nói riêng. Sự

nguy hiểm của tấn công che khuất cùng với sự phổ biến của mạng ngang hàng cho ta thấy

ý nghĩa to lớn và tầm quan trọng của chống tấn công che khuất trong thực tiễn. Do các

yêu cầu thực tế đó, khóa luận này sẽ nghiên cứu phương pháp phòng chống tấn công che

khuất, cụ thể là phương pháp được nêu ra trong bài báo [1] của tác giả Atul Singh cùng

các đồng nghiệp tại trường đại học Rice của Mỹ. Trong bài báo này đã đưa ra một phương

pháp phòng chống tấn công che khuất bằng cách tiến hành kiểm tra ẩn danh các node

hàng xóm, kết hợp với việc giới hạn bậc của các node tham gia vào mạng để tìm ra các

node gây hại và loại bỏ chúng ra khỏi tập hàng xóm. Phương pháp này lấy ý tưởng từ thực

tế đó là một node gây hại muốn thực hiện tấn công che khuất cần có bậc trong và bậc

ngoài (hay số liên kết vào và liên kết ra của node) rất cao, cao hơn bậc trong và bậc ngoài

của các node chuẩn khác, do đó để hạn chế tấn công cần làm giảm bậc của các node gây

hại, và có thể phát hiện các node gây hại bằng việc kiểm tra ẩn danh các node có trong

Khóa luận tốt nghiệp

2

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

mạng. Đáng chú ý là phương pháp này có thể áp dụng cho cả hai dạng mạng ngang hàng

có cấu trúc và không có cấu trúc.

Do không có được mã nguồn chương trình của tác giả dùng trong bài báo[1], tôi đã

vận dụng kiến thức tìm hiểu được trong bài báo để tự xây dựng một chương trình mô

phỏng hoạt động của cơ chế kiểm tra ẩn danh trong mạng ngang hàng có cấu trúc Pastry.

Sau khi chạy chương trình mô phỏng cơ chế kiểm tra ẩn danh để phát hiện các node gây

hại trong mạng, kết quả thu được là rất cao, có tới 90% các node gây hại bị phát hiện dựa

vào cơ chế kiểm tra này.

Khóa luận này được trình bày theo năm chương chính, nội dung chính gồm:

Chương 1. Tổng quan về mạng xếp chồng: giúp ta hiểu mạng xếp chồng là gì và các

dạng mạng xếp chồng phổ biến của nó, cùng với mô tả chi tiết mạng xếp chồng ngang

hàng có cấu trúc Pastry.

Chương 2. Tấn công trong mạng ngang hàng: đề cập đến hai dạng tấn công chính

trong mạng ngang hàng là tấn công che khuất và tấn công mạo nhận.

Chương 3. Các cơ chế phòng chống tấn công che khuất: nêu ra các biện pháp chống

tấn công che khuất với biện pháp chính là kiểm tra ẩn danh dựa vào giới hạn bậc của các

node trong mạng.

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá cơ chế kiểm tra ẩn danh dựa trên Pastry: trình

bày về xây dựng chương trình mô phỏng cùng với kết quả và nhận xét các thí nghiệm mô

phỏng.

Chương 5. Kết luận: đưa ra các nhận xét tổng quát về chống tấn công che khuất dựa

vào kiểm tra ẩn danh.

Khóa luận tốt nghiệp

3

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ MẠNG XẾP CHỒNG

1.1. Giới thiệu mạng xếp chồng

Sự phát triển nhanh chóng của khoa học máy tính đang biến đổi cuộc sống của

chúng ta từng ngày. Chưa bao giờ con người có thể giao tiếp, trao đổi thông tin và dữ liệu

cho nhau thuận tiện và dễ dàng như ngày nay, đó là nhờ vào mạng Interner. Mạng Internet

giúp liên kết các vùng miền, các quốc gia, các châu lục, nó mang cả thế giới đến gần nhau

hơn bất chấp khoảng cách địa lý. Mạng Internet là một dạng mạng xếp chồng phổ biến

nhất, đa phần các mạng mà chúng ta đang sử dụng là mạng xếp chồng. Vậy mạng xếp

chồng là gì?

Định nghĩa cho mạng xếp chồng [5] là:

Mạng xếp chồng là một mạng ảo bao gồm các node và các kết nối vật lý được xây

dựng dựa trên một mạng có sẵn với mục đích cung cấp các dịch vụ mạng mà mạng nó

dựa trên không thể đáp ứng được.

Mạng xếp chồng là một lớp của kiếm trúc mạng ảo dựa trên mạng vật lý, chúng

cung cấp khả năng tương tác trực tiếp với người dùng. Mạng Internet chúng ta đang sử

dụng là một mạng xếp chồng được xây dựng dựa trên mạng cục bộ (ví dụ như Ethernet),

đường điện thoại. Mạng xếp chồng cung cấp cho chúng ta rất nhiều tiện ích cùng với cơ

hội tiếp cận và sử dụng một lượng lớn tài nguyên không ngừng tăng cao có trên mạng

Internet. Mạng xếp chồng cho phép các nhà phát triển mạng cùng người sử dụng có thể

thiết kế và cài đặt dễ dàng môi trường truyền thông của riêng mình hay một giao thức

thức dựa trên mạng Internet, cũng như định tuyến dữ liệu và quản lý các file được chia sẻ.

Việc định tuyến dữ liệu trong mạng xếp chồng rất linh hoạt, nó có thể phát hiện và tránh

tắc nghẽn mạng một cách nhanh chóng bằng cách chuyển đổi tuyến đường đi dựa trên

nhiều độ đo khác nhau, ví dụ như thăm dò độ trễ. Các node trong mạng xếp chồng được

liên kết tới rất nhiều các node khác nhờ vào cơ chế định tuyến mềm dẻo. Cũng giống như

các liên kết mạng vật lý đã có, một node có thể giao tiếp liên tục với một node khác thông

qua mạng xếp chồng. Với những lợi ích mà mạng xếp chồng mang lại, việc phát triển

mạng xếp chồng là một xu hướng tất yếu trong tương lai. Với việc có càng nhiều node

Khóa luận tốt nghiệp

4

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

tham gia vào mạng xếp chồng sẽ giúp cho việc chia sẻ lượng lớn tài nguyên thông tin

mạng Internet càng đạt hiệu quả cao.

Các dạng điển hình của mạng xếp chồng bao gồm:

• Mạng xếp chồng đa phát (Multicast overlay)

• Mạng xếp chồng ngang hàng (Peer-to-peer overlay)

•Mạng xếp chồng tải file song song (Parallel file downloading overlay)

• Mạng định tuyến xếp chồng (Routing overlay)

Có rất nhiều ứng dụng của mạng xếp chồng đang được sử dụng rộng rãi trong cuộc

sống như ứng dụng chia sẻ file BitTorrent, hay điện thoại VoIP của Skyper… Nhưng

trong bài khóa luận này chỉ chú trọng đến mạng xếp chồng ngang hàng. Mạng xếp chồng

ngang hàng được chia ra làm hai dạng chính là mạng xếp chồng có cấu trúc (Structured

overlay network) và mạng xếp chồng không có cấu trúc (Unstructured overlay network).

1.2. Mạng xếp chồng ngang hàng

Mạng ngang hàng dựa trên hệ thống mạng xếp chồng đã thu hút được rất nhiều sự

quan tâm của các nhà nghiên cứu và đã có nhiều hệ thống được xây dựng và đưa vào sử

dụng trong cuộc sống hàng ngày. Có thể kể đến như ứng dụng chia sẻ file ngang hàng

Gnutella, Kazaa. Ngoài ra, còn có rất nhiều các nghiên cứu hoạt động của Bảng băm

phân tán (Distributed Hash Table) trên mạng xếp chồng như CAN, Chord và Pastry.

Hệ thống xếp chồng ngang hàng được mô tả như một hệ thống phân tán, trong đó tất

cả các node có vai trò như nhau và tất cả giao tiếp là đối xứng. Hệ thống này có rất nhiều

khả năng quan trọng như: phân quyền điều khiển, tự tổ chức, khả năng điều chỉnh và mở

rộng.

Một trong những yêu cầu quan trọng trong mạng xếp chồng ngang hàng đó là cung

cấp thuật toán hiệu quả cho việc duy trì liên kết trong mạng. Mỗi node trong mạng xếp

chồng ngang hàng duy trì những con trỏ tới tập các node hàng xóm, đó là một tập chứa

lượng nhỏ các node của mạng xếp chồng. Các con trỏ đó được sử dụng để duy trì liên kết

xếp chồng, mỗi node có thể liên kết tới bất kì node nào trong mạng nhờ vào các con trỏ

Khóa luận tốt nghiệp

5

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

hàng xóm. Các con trỏ hàng xóm đó cũng được dùng để đáp ứng các chức năng chương

trình ứng dụng. Hơn nữa, cập nhật tập hàng xóm sẽ thay đổi thông tin thành viên, các

node hàng xóm được truy vấn để cung cấp thông tin về các con trỏ hàng xóm đó.

1.2.1. Tổng quan mạng xếp chồng ngang hàng không có cấu trúc

Một mạng ngang không có cấu trúc khi các liên kết giữa các node trong mạng xếp

chồng được thiết lập một cách ngẫu nhiên (hay không theo một quy luật nào). Những

mạng như thế vậy dễ dàng được xây dựng vì một máy mới khi muốn tham gia mạng có

thể lấy các liên kết có sẵn của một máy khác đang ở trong mạng để tạo thành liên kết mới

của riêng mình. Khi một node muốn tìm một dữ liệu trong mạng xếp chồng không cấu

trúc, yêu cầu tìm kiếm sẽ được truyền trên toàn mạng để tìm ra càng nhiều máy chia sẻ

càng tốt. Hệ thống này thể hiện rõ nhược điểm đó là: không đảm bảo tìm kiếm sẽ thành

công. Đối với tìm kiếm các dữ liệu phổ biến được chia sẻ trên nhiều máy, tỉ lệ thành công

là khá cao, ngược lại, nếu dữ liệu chỉ được chia sẻ trên một vài máy thì xác suất tìm thấy

là khá thấp. Tính chất này là hiển nhiên vì trong mạng ngang hàng không cấu trúc, không

có bất kì mối tương quan nào giữa một máy tính và dữ liệu nó quản lý trong mạng, do đó

yêu cầu tìm kiếm được chuyển đi một cách ngẫu nhiên đến một số máy trong mạng. Số

lượng máy trong mạng càng lớn thì khả năng tìm thấy thông tin càng nhỏ.

Một nhược điểm khác của hệ thống này là do không có định hướng, một yêu cầu tìm

kiếm thường được chuyển cho một số lượng lớn máy trong mạng làm tiêu tốn một lượng

lớn băng thông của mạng, dẫn đến hiệu quả tìm kiếm chung của mạng thấp.

Các mạng xếp chồng ngang hàng phổ biến hiện nay là Napster, Gnutella, Fasttrack

và eDonkey2000.

1.2.2. Tổng quan mạng xếp chồng ngang hàng có cấu trúc

Mạng xếp chồng ngang hàng có cấu trúc khắc phục nhược điểm của mạng ngang

hàng không có cấu trúc bằng cách sử dụng hệ thống Bảng băm phân tán (Distributed Hash

Table - DHT). Hệ thống này định nghĩa liên kết giữa các node trong mạng xếp chồng theo

một thuật toán cụ thể, đồng thời xác định chặt chẽ mỗi node sẽ chịu trách nhiệm đối với

một phần dữ liệu chia sẻ trong mạng. Với cấu trúc này, khi một máy cần tìm một dữ liệu,

Khóa luận tốt nghiệp

6

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

nó chỉ cần áp dụng một giao thức chung để xác định node nào chịu trách nhiệm cho dữ

liệu đó và sau đó liên lạc trực tiếp đến node đó để lấy kết quả. Giao thức này sử dụng

bảng băm với các khóa.

DHT tạo ra một hạ tầng cơ sở có thể sử dụng để xây dựng lên các dịch vụ phức tạp,

một số hệ thống sử dụng mạng xếp chồng có cơ chế DHT là:

• BitTorrent: Phân tán file. BitTorrent lựa chọn sử dụng một DHT như một

người theo dõi phân phối để cung cấp theo kế hoạch giữa client đang download

một file đặc biệt.

• The Circle: Chia sẻ file và tán gẫu.

• Codeen: Web caching.

• Coral Content Distribution Network.

• CSpace: Các giao tiếp an toàn.

• Dijjer: Freenet-like mạng phân tán.

• eMule: Chia sẻ file.

• FAROO: Công cụ nghiên cứu Web Peer to Peer.

• GNUnet : Freenet-like mạng phân tán.

• I2P: Mạng nạc danh.

• JXTA: Mã nguồn mở P2P.

• Limewire:P2P Chia sẻ file có gắn java applet gọi DHT.

• NEOnet: Chia sẻ file.

• Warez P2P: Chia sẻ file.

• YaCy: Công cụ nghiên cứu phân tán.

Khóa luận tốt nghiệp

7

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

1.2.2.1. Bảng băm phân tán

DHT là một lớp các hệ thống phân tán không tập trung cung cấp dịch vụ tra cứu

tương tự như một bảng băm: cặp khóa-giá trị được lưu trữ trong DHT, và những node

tham gia có thể truy vấn dữ liệu thuận tiện bằng cách đưa ra một khóa. Việc duy trì ánh xạ

từ khóa ra giá trị được phân tán giữa các node, bằng cách này sự thay đổi trong một tập

các node tham gia chỉ gây ra sự gián đoạn nhỏ. Điều này cho phép DHT có thể mở rộng

ra một số lượng rất lớn các node và kiểm soát được sự tham gia của node mới, sự ra đi

hay lỗi của các node cũ.

DHT nhấn mạnh vào các thuộc tính sau:

• Phi tập trung (Decentralization): Các node tham gia cấu thành hệ thống không

có thành phần trung tâm làm điều phối mạng.

• Khả năng mở rộng: Hệ thống vẫn có thể hoạt động hiệu quả với hàng nghìn

hoặc hàng triệu node.

• Khả năng chịu lỗi: Hệ thống vẫn có thể làm việc ổn định ngay cả khi có các sự

kiện node tham gia, rời bỏ, lỗi diễn ra liên tục.

Kỹ thuật khóa được sử dụng để đạt được mục đích là mỗi node chỉ cần liên kết với

một số ít các node khác trong hệ thống, thường là O(logN) với N là số node tham gia. Vì

vậy sự thay đổi trong các thành viên chỉ ảnh hưởng đến một phần nhỏ của hệ thống. Khi

các thành phần này được đặt ở đúng vị trí của nó, thì cách thức sử dụng DHT cho việc lưu

trữ và truy vấn dữ liệu sẽ được diễn ra như sau: Không gian khóa được sử dụng là một số

rất lớn, có thể là các chuỗi 160 bit. Để lưu trữ một file với tên gọi filename và dữ liệu data

trong DHT, giá trị băm của filename theo thuật toán SHA-1 được tính toán, tạo ra một

khóa k có độ dài 160 bit,và một thông điệp put(k,data) được gửi tới một node bất kì tham

gia trong DHT. Thông điệp được chuyển từ node này sang node khác thông qua mạng xếp

chồng cho đến khi nó tới node cuối cùng chịu trách nhiệm quản lý khóa k, được xác định

nhờ cách thức phân chia không gian khóa, ở đó cặp (k,data) được lưu trữ. Mọi node có

thể truy xuất nội dung của file bằng cách băm filename để sinh ra khóa k và hỏi một node

bất kì trong DHT để tìm dữ liệu ứng với khóa k đó với một thông điệp get(k). Thông điệp

Khóa luận tốt nghiệp

8

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

lại được định tuyến qua mạng xếp chồng tới node chịu trách nhiệm quản lý khóa k, node

này sẽ trả lời với dữ liệu data được lưu trữ.

Một số thiết kế DHT tìm đến tính bảo mật chống lại những người tham gia có mưu

đồ xấu và cho phép người tham gia ẩn danh tính, mặc dù điều này không phổ biến trong

các hệ thống mạng chia sẻ file ngang hàng. DHT phải giải quyết những vấn đề cơ bản của

các hệ thống phân tán đó là: cân bằng tải, toàn vẹn dữ liệu, hiệu năng.

1.2.2.2. Cách thức phân chia không gian khóa

Hầu hết DHT đều sử dụng một dạng băm nhất quán (Consistent hash) để ánh xạ các

khóa vào các node. Kỹ thuật này áp dụng một hàm δ(k1, k2) định nghĩa một khái niệm

trừu tượng về khoảng cách giữa hai khóa k1 và k2. Mỗi node được gán một khóa đơn

được gọi là định danh (identifier). Một node với định danh i sở hữu tất cả các khóa mà i là

định danh gần nhất của các khóa này, ước lượng theo hàm δ.

Ví dụ :

Hệ thống Chord có không gian định danh dạng vòng tròn, và δ(k₁, k₂) là khoảng

cách đi theo chiều kim đồng hồ xung quanh đường tròn từ khóa k₁tới khóa k₂. Do đó,

không gian khóa đường tròn được chia thành các cung liên tiếp mà điểm cuối của cung

này là các định danh ID của các node. Nếu i₁và i₂là hai ID liền kề nhau thì node có định

danh ID i₂sở hữu tất cả các khóa nằm giữa i₁và i₂.

Hàm băm nhất quán có một thuộc tính quan trọng thuộc về bản chất đó là việc gỡ bỏ

hay thêm vào các node chỉ làm thay đổi một tập các khóa sở hữu bởi các node có định

danh liền kề, và các node khác thì không bị ảnh hưởng. Vì mọi thay đổi trong quyền sở

hữu đều gây ra những di chuyển tốn kém băng thông của các đối tượng được lưu trữ trong

DHT từ node này đến node khác, nên việc giảm thiểu việc sắp xếp lại sẽ tăng tính hiệu

quả cho việc hỗ trợ các yêu cầu vào ra của node hay các sự cố lỗi của các node.

Không gian khóa trong DHT rất đa dạng, có thể là không gian định danh một chiều

như Chord và Pastry hoặc đa chiều như CAN.

Khóa luận tốt nghiệp

9

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

1.3. Mạng xếp chồng ngang hàng có cấu trúc Pastry

Mạng xếp chồng có cấu trúc Pastry sẽ được sử dụng trong mô phỏng được trình bày

trong chương 4, do đó khóa luận này sẽ trình bày chi tiết về hệ thống Pastry, đại diện cho

mạng xếp chồng ngang hàng có cấu trúc.

Hệ thống định tuyến phân tán Pastry được đưa ra bởi Rowstron và Druschel vào

năm 2001. Được xây dựng dựa trên cơ chế DHT. Mục đích chính của nó đó là tạo ra

mạng ngang hàng phi tập trung hoàn toàn. Việc định tuyến của hệ thống được dựa trên

việc đánh số gần nhau giữa các định danh. Ngoài việc chú trọng tới số bước trong định

tuyến, Rowstron và Druschel cũng quan tâm tới miền mạng để đánh giá hiệu quả định

tuyến trong Pastry.

1.3.1. Không gian định danh

Trong Pastry, mỗi node và thành phần dữ liệu được gắn với l bit định danh, đó là

một số nguyên nằm trong khoảng từ 0 cho tới 2^l-1, thông thường l bằng 128. Không gian

định danh của Pastry được bố trí dạng vòng tròn giống như Chord. Đối với node, định

danh được hiểu là NodeId, còn với dữ liệu thì nó là khóa (key).

Hình 1: Không gian định danh Pastry 4 bit với sáu khóa được ánh xạ vào năm node

Khóa luận tốt nghiệp

10

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Trong hình 1 là không gian định danh của Pastry với l = 4, số định danh có thể có

trong hệ thống là 2⁴= 16, b = 2 nên các định danh là các số trong hệ cơ số 2²= 4. Các

node có trong hệ thống là N01 có định danh là 01, N10, N21, N23, N33 và N01. Các

khóa là K01 có định danh là 01, K03, K22, K32 và K33

Định danh trong Pastry là một chuỗi số cơ số 2^b, thông thường b bằng 4 tức định

danh là các số trong hệ cơ số 16. Một khóa được đặt (quản lý) tại node có nodeId được

đánh số gần với khóa nhất. Ví dụ như khóa K01 được đặt tại node N01, khóa K03 được

đặt tại node N10. Độ chênh giữa giá trị của khóa K22 với hai node N21 và node N23 là

bằng nhau, do đó khóa K22 có thể được hai node đó quản lí.

1.3.2. Thông tin dùng trong định tuyến

Trạng thái của một node Pastry được chia làm 3 thành phần chính, đó là:

• Bảng định tuyến (Routing table)

• Tập lá (Leaf set)

• Tập lân cận (Neighborhoot set)

Bảng định tuyến dùng để chứa các liên kết tới các node khác trong không gian định

danh. Tập lá của một node chứa các node có định danh gần với định danh với nó. Các

node gần nhau về mặt vị trí mạng sẽ được đưa vào trong tập lân cận.

Pastry đo vị trí mạng dựa trên độ đo lân cận mạng vô hướng, độ đo này dựa trên hạ

tầng cơ sở mạng có thể dựa trên số bước IP hoặc khoảng cách địa lý của các node.

Khóa luận tốt nghiệp

11

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Hàng th

ứ

0

Hàng th

ứ

3

Mục thêm

Hình 2: Bảng định tuyến, tập lá, tập lân cận của node có định danh 10233102

Trong quá trình định tuyến, các node chỉ sử dụng thông tin liên kết từ tập lá và bảng

định tuyến của mình để xác định node đích nhận dữ liệu.

1.3.3. Trạng thái node

1.3.3.1. Bảng định tuyến

Bảng định tuyến được kí hiệu là tập R. Bảng định tuyến của một node Pastry bao

gồm l/b hàng, với 2^b-1 mục trong mỗi hàng. Thứ tự hàng trong bảng định tuyến được tính

từ 0, hàng 0 là hàng trên cùng của bảng. Trong bảng định tuyến của node n, mục ở hàng

thứ i chứa các định danh của node Pastry có i số đầu tiên trong nodeId giống với i số đầu

tiên trong nodeId của node n, việc so sánh này được tính lần lượt từng vị trí tương ứng với

nhau của hai định danh và bắt đầu từ số đầu tiên bên trái. Nếu không có định danh của

node nào thỏa mãn tính chất trên thì vị trí đó trong bảng định tuyến để trống. Do không

gian định danh là rất lớn so với số lượng node có thể tham gia vào mạng, nên các hàng

đánh số càng cao càng thưa hay số các mục trong bảng định tuyến để trống càng nhiều.

Quá trình định tuyến sẽ lựa chọn node có các số đầu trong định danh phù hợp, và nó cũng

khai thác vị trí mạng để lựa chọn node gần theo độ đo lân cận mạng.

Khóa luận tốt nghiệp

12

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Để dễ hiểu hơn, ta sẽ xem xét bảng định tuyến của node có nodeId là 10233102 như

trong hình 2. Trong mục được khoanh ở hình 2, mục này chỉ đến node có nodeId là

10222302, nó ở hàng thứ ba, do đó nó có ba số đầu tiên trong nodeId là 102 giống với ba

số đầu trong nodeId của node chủ bảng định tuyến này. Sau ba số đầu tiên là số ở vị trí

thứ tư có giá trị là 2, tương ứng với giá trị của mục được thêm trong cùng một cột với nó.

1.3.3.2. Tập lá

Bảng định tuyến sắp xếp các nodeId theo các số ở đầu định danh. Để tăng hiệu quả

tìm kiếm tập lá L của một node n chứa 2*2^bnode được đánh số (định danh) gần n nhất.

Tập lá của node n được chia thành hai phần bằng nhau, mỗi phần có 2^bđịnh danh node,

một phần chứa định danh của các node có nodeId lớn hơn nodeId của n và một phần chứa

các định danh của node có nodeId nhỏ hơn nodeId của n. Bảng định tuyến và tập lá là hai

nguồn thông tin chính cho việc định tuyến.

1.3.3.3. Tập lân cận

Thay cho việc lưu định danh các node được đánh số gần nhau như tập lá, tập lân cận

M của node n chứa các node gần với node n theo độ đo lân cận mạng. Tuy nhiên, tập này

không được sử dụng trong quá trình định tuyến, nó chỉ dùng để duy trì vị trí mạng trong

thông tin định tuyến.

1.3.4. Phương pháp định tuyến

Định tuyến trong Pastry được chia làm hai bước chính. Đầu tiên, node tiến hành

kiểm tra xem khóa k có nằm trong phạm vi tập lá của nó không. Nếu có, điều đó có nghĩa

rằng khóa k được quản lý bởi node gần với các node trong tập lá. Do đó, node sẽ chuyển

truy vấn tớ node trong tập lá được đánh số gần với khóa k nhất. Trong trường hợp là chính

nó tức node đang xét có định danh gần với khóa k nhất thì quá trình định tuyến thành

công.

Nếu khóa k không nằm trong phạm vi của tập lá, thì truy vấn cần chuyển tiếp dựa

vào bảng định tuyến. Trong trường hợp này, node n sẽ cố gắng chuyển truy vấn tới node

trong bảng định tuyến có số lượng chữ số đầu trong nodeId giống với các số đầu trong

khóa k nhiều hơn so với n. Nếu không có mục nào trong bảng định tuyến phù hợp, thì truy

Khóa luận tốt nghiệp

13

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

vấn được chuyển tiếp cho node có số chữ số đầu trong nodeId giống với các chữ số đầu

trong khóa k nhiều như đố với nodeId của n như gần hơn n.

1.3.5. Khả năng tự tổ chức

Trong thực tế, Pastry cần giải quyết các vấn đề node mới tham gia vào hệ thống,

node rời khỏi hệ thống và node lỗi có thể xảy ra bất chợt trong khi vẫn phải duy trì tốt

hoạt động định tuyến.

Node mới tham gia hệ thống

Trướng khi tham gia vào hệ thống Pastry, một node cần lựa chọn nodeId. Pastry cho

phép một node tự lựa chọn nodeId của chính nó. Tuy nhiên việc tham gia có thể có nhiều

yêu cầu hạn chế. Thông thường, một nodeId được tạo ta bằng cách băm giá trị khóa công

khai của node hoặc địa chỉ IP của node.

Để tham gia, node mới n cần biết một node Pastry k dựa vào độ đo lân cận mạng.

Sau đó, node n cần khởi tạo các trạng thái cho mình bao gồm bảng định tuyến, tập lá, tập

lân cận. Do k gần với n, nên các node trong tập lân cận của k là sự lựa chọn phù hợp cho

n, do đó n sao chép tập lân cận của k để tạo ra tập lân cận cho riêng mình.

Để tạo bảng định tuyến và tập lá, node n cần tìm kiếm thông tin về các node Pastry

gần với n trong không gian định danh. Để làm được điều đó, n tiến hành gửi một thông

điệp “join” đặc biệt thông qua node k với khóa là định danh của n. Theo quy tắc định

tuyến chuẩn, thì truy vấn được chuyển tới đích là node c có nodeId được đánh số gần nhất

với nodeId của n. Do đó, tập lá của node c phù hợp với n, nên n sao chép tập lá của c để

tạo tập lá cho mình.

Yêu cầu gia nhập tác động tới tất cả các node, với việc được chuyển tiếp yêu cầu

hướng tới c, các thông tin định tuyến trong các lần chuyển tiếp đó được cung cấp cho n.

Bảng định tuyến của node n được khởi tạo từ thông tin định tuyến của các node bắt đầu từ

hàng thứ 0. Hàng này không liên quan đến nodeId của n, nên n có thể sử dụng các mục ở

hàng thứ 0 của bảng định tuyến node K làm hàng số 0 trong bảng định tuyến của mình.

Nếu n và k không có số ở đầu định danh của cả hai node giống nhau thì node n không thể

sử dụng thêm các hàng khác của k.

Khóa luận tốt nghiệp

14

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Thông điệp yêu cầu tham gia từ n tới c thông qua các node v₁, v₂...v_n, với số lượng

tăng dần các chữ số đầu định danh giống nhau giữa n và v_i. Do vậy, hàng thứ nhất của

bảng định tuyến của v₁là một lựa chọn tốt cho hàng thứ nhất trong bảng định tuyến của

node n. Tương tự cho hàng thứ hai trong bảng định tuyến của n với node v_2.Dựa vào các

thông tin định tuyến đó, bảng định tuyến của node n được hình thành.

Cuối cùng, node mới n gửi trạng thái của nó tới tất cả các node trong dữ liệu định

tuyến của mình. Các node đó có thể cập nhật lại bảng định tuyến của mình cho phù hợp.

Do mỗi node chỉ chứa thông tin về một lượng nhỏ các node trong Pastry, nên việc

đến và rời đi của một node chỉ ảnh hưởng đến một lượng nhỏ các node trong hệ thống

Pastry.

Node lỗi

Node lỗi được phát hiện khi có một node thử liên lạc với node lỗi. Chỉ khi định

tuyến đòi hỏi phải tiếp xúc với các node trong bảng định tuyến và tập lá, đó chính là

nguyên nhân gây ra chậm trễ trong phát hiện node lỗi. Với các node trong tập lân cận, do

chúng không tham gia vào quá trình định tuyến nên cần kiểm tra chúng thường xuyên

theo chu kỳ.

Các node lỗi cần đưa ra khỏi bảng định tuyến để đảm bảo cho quá trình định tuyến

diễn ra một cách chính xác. Để thay thế node lỗi ở mục i hàng j của bảng định tuyến ( ta

kí hiệu là Rⁱ_j), node liên hệ với một node khác để tham khảo hàng i. Các mục trong hàng j

tương ứng của node từ xa được xem xét cho vị trí trong bảng định tuyến cần thay thế. Do

đó nó có thể sao chép mục Rⁱ_jcủa node từ xa cho bảng định tuyến của nó sau khi đã kiểm

tra sự tồn tại của node được dùng để thay thế. Trường hợp node trong mục định sao chép

cũng lỗi thì có thể thăm dò node khác trong hàng j để thay thế mục Rⁱ_j. Nếu không có

node nào còn sống có các số đầu trong nodeId phù hợp có thể dùng được bằng phương

pháp này, thì tiến hành mở rộng xem xét các node thông qua truy vấn các node trong hàng

R_j-1. Phương pháp thay thế này có xác suất thành công cao.

Khóa luận tốt nghiệp

15

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Node rời hệ thống

Pastry có thể duy trì trạng thái thông tin định tuyến khi xuất hiện node lỗi, việc xử lý

node rời hệ thống cũng được thực hiện tương tự như vậy, nhưng có thêm quá trình xử lý

dữ liệu liên quan đến node rời đi.

1.3.6. Thực hiện định tuyến

Pastry tối ưu hóa việc định tuyến và xác định vị trí node chịu trách nhiệm về khóa,

nó cố gắng đồng thời việc giảm số bước chuyển tiếp để tới được node đích và khai thác vị

trí mạng để làm giảm chi phí cho mỗi bước nhảy.

Độ dài định tuyến

Lược đồ định tuyến trong Pastry về cơ bản chia không gian định danh thành hai

miền với kích thước 2ⁿvới n là cấp số nhân của 2^b. Chỉ dẫn định tuyến từ miền bậc cao

tới miền bậc thấp, do đó làm giảm lượng không gian định danh phải tìm kiếm trong mỗi

bước. Số bước định tuyến trung bình sẽ là một hàm logarithm của kích thước hệ thống.

Nếu tất cả thông tin định tuyến của tất cả các node là chính xác và không có node lỗi

nào, sẽ có ba trường hợp trong sơ đồ định tuyến:

Trường hợp thứ nhất, các node chuyển tiếp truy vấn thông qua bảng định tuyến, truy

vấn được chuyển tiếp tới node có số chữ số đầu trong nodeID trùng với khóa truy vấn

nhiều hơn so với node hiện thời. Số node có nodeId như vậy sẽ được giảm theo với hệ số

thấp nhất là 2^btrong từng bước. Do đó thông điệp tới đích chỉ trong vòng log₂(N) bước.

n

Trường hợp thức hai, thông điệp truy vấn được chuyển tiếp qua tập lá. Nó làm tăng

số bước lên một.

Trường hợp thứ ba, khóa không nằm trong miền tập lá và cũng không có mục nào

trong bảng định tuyến phù hợp hơn node hiện thời. Do đó, truy vấn được chuyển tiếp cho

node có chung số chữ số đầu trong nodeId bằng với số chữ số đầu của nodeId hiện thời

chung với khóa, nhưng node được chọn để chuyển tiếp thông điệp đó có nodeId gần với

khóa hơn node hiện thời. Việc này sẽ làm tăng số bước định tuyến. Với tập lá có kích

thước vừa phải |L| = 2*2^b, xác suất trường hợp này xảy ra nhỏ hơn 0.6%.

Khóa luận tốt nghiệp

16

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

b

Mức độ phức tạp trung bình của phần định tuyến còn lại là O(log₂(N)), cao hơn giá

trị của b nhưng phải trả giá cho việc định tuyến nhanh hơn này đó là tăng các trạng thái

cần quản lý trong mỗi node. Do đó, với b thông thường bằng 4 nhưng hoạt động của

Pastry có thể lựa chọn sự đánh đổi thích hợp đối với từng ứng dụng.

Vị trí mạng

Bằng cách khai thác vị trí mạng, tối ưu định tuyến trong Pastry không chỉ hướng tới

việc làm giảm số bước mà còn giảm chi phí cho mỗi bước. Nhờ sử dụng bảng định tuyến

của node để gửi thông điệp, nó có thể chọn node có các số đầu trong định danh phù hợp

trong các mục của bảng định tuyến. Bằng việc lựa chọn các node gần theo tiêu chí vị trí

của mạng, độ dài của mỗi tuyến đường sẽ được giảm đến mức tối thiểu.

Khóa luận tốt nghiệp

17

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Chương 2. TẤN CÔNG TRONG MẠNG NGANG HÀNG

Mạng máy tính mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho con người, tuy nhiên nó cũng

luôn ẩn chứa những nguy hiểm cho máy tính và người sử dụng nó. Những nguy hiểm đó

đến từ những kẻ có mục đích xấu, chúng luôn muốn lợi dụng mạng máy tính để thực hiện

những hành vi phá hoại. Thật khó có thể tưởng tưởng nổi hậu quả của việc mất cắp thông

tin trong thời buổi phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ thông tin ngày nay. Kẻ xấu

có thể tấn công vào máy tính của bạn, phá hoạt hệ thống mạng hoặc máy tính bạn sử

dụng. Tài liệu cá nhân của bạn có thể bị đánh cắp, và chỉ một giây sau nó có thể được

công bố cho toàn bộ thế giới biết đến. Một công ty có thể bị phá sản nếu tài liệu mật về

sản phẩm mới hay kế hoạch kinh doanh bị đối thủ cạnh tranh nắm được. An ninh quốc gia

cũng bị ảnh hưởng lớn nếu thông tin bí mật quân sự bị kẻ xấu có được và đưa lên mạng

cho toàn thế giới biết đến…

Mạng máy tính càng phát triển thì nguy cơ bị tấn công cũng tăng cao. Không có gì

là hoàn hảo cả, do đó luôn có những lỗ hổng trong mạng để kẻ xấu lợi dụng vào những

hành động phá hoại. Trong mô hình giao tiếp thông thường giữa máy khách và máy chủ,

thì bên bị tấn công cao thường là máy chủ. Khi máy chủ bị tấn công, hệ thống bị tê liệt, kẻ

tấn công có thể thực hiện những hành vi đen tối của mình. Đố với mạng xếp chồng ngang

hàng, các máy tính tham gia có vai trò như nhau, vừa đóng vai trò máy khách vừa có vai

trò là máy chủ. Một đặc điểm quan trọng trong mạng xếp chồng ngang hàng đó là, một

node sử dụng các node khác trong mạng như một bộ định tuyến. Do đó dữ liệu và thông

tin truyền đi giữa hai node có sự tham gia của nhiều node khác. Sẽ rất nguy hiểm nếu một

trong các node tham gia định tuyến chuyển tiếp dữ liệu lại là một node gây hại. Sự bình

đẳng trong mạng ngang hàng giúp kẻ tấn công dễ dàng tham gia vào mạng và phá hoại sự

ổn định của mạng. Do đó việc nghiên cứu và tìm giải pháp chống lại những kẻ xấu muốn

tấn công mạng là một yêu cầu quan trọng và đang thu hút nhiều sự quan tâm của mọi

người. Mục tiêu của khóa luận này đó là tìm hiểu các phương pháp chống tấn công trong

mạng xếp chồng.

Có hai dạng tấn công chính thường được kẻ xấu sử dụng để tấn công mạng ngang

hàng đó là tấn công mạo nhận (Sybil attack) và tấn công che khuất (Eclipse attack). Nội

Khóa luận tốt nghiệp

18

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

dung mà khóa luận này đề cập đến đó là phương pháp chống tấn công che khuất, tuy

nhiên cũng cần phải nói qua về tấn công mạo nhận, bởi tấn công mạo nhận cũng có một

vài đặc điểm giống với tấn công che khuất.

2.1. Tấn công mạo nhận

Trước hết tôi xin đưa ra định nghĩa về tấn công mạo nhận [2] như sau:

Tấn công mạo nhận là dạng tấn công mà kẻ tấn công phá hoại hệ thống mạng

ngang hàng bằng cách tạo ra một lượng lớn các node ảo và sử dụng chúng để tạo ra ảnh

hưởng lớn trong mạng ngang hàng.

Hệ thống mạng ngang hàng có thể gặp nguy hiểm bởi quá trình khởi tạo định danh

cho mỗi node mới muốn gia nhập vào mạng. Mức độ nguy hiểm của mạng phụ thuộc và

mức độ cho phép các đối tượng mới không có một liên kết đáng tin cậy nào tham gia vào

mạng.

Tấn công mạo nhận lợi dụng đặc tính của mạng ngay hàng, đó là mỗi node cần duy

trì liên kết tới các node hàng xóm của nó, đặc tính này giúp cho mạng xếp chồng hình

thành và duy trì. Kiểu tấn công này sẽ rất nguy hiểm đối với hệ thống mạng ngang hàng

có cấu trúc sử dụng cơ chế bảng băm phân tán như mạng CAN, Chord, Pastry và

Tapestry. Bởi, trong cơ chế DHT mỗi node cần duy trì một tập các node hàng xóm mà nó

liên kết tới, và tập này được hình thành với những quy tắc riêng đối với mỗi loại mạng

dùng DHT. Kẻ tấn công có thể biết dễ dàng định danh của một node trong mạng, từ đó nó

có thể sinh ra các định danh ảo trong mạng để đưa các định danh ảo đó vào tập hàng xóm

của các node. Khi đạt được mục tiêu, tức trong mạng có rất nhiều định danh ảo do kẻ tấn

công sinh ra thì nó có thể kiểm soát lưu lượng, dữ liệu và các thông tin truyền trong

mạng. Bởi mỗi node trong mạng muốn truyền thông điệp hay dữ liệu thì các node mà nó

liên hệ để gửi dữ liệu đi đó là các node trong tập hàng xóm của nó, như vậy các node sẽ

gửi dữ liệu tới node tấn công mạng. Kẻ tấn công có quyền quyết định chuyển tiếp hay

không dữ liệu đó.

Sẽ rất nguy hiểm khi kẻ tấn công có thể nắm được một lượng lớn các định danh

trong mạng xếp chồng có cấu trúc. Nếu tỉ lệ node ảo mà nó sinh là vô hạn thì nó có thể

Khóa luận tốt nghiệp

19

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

chiếm tới gần như là 100% các node trong mạng, như vậy nó có thể che khuất các node

chuẩn khác trong mạng. Như vậy, chỉ cần một node gây hại có thể khống chế toàn bộ

mạng xếp chồng ngang hàng.

2.2. Tấn công che khuất

Tấn công che khuất là một dạng chung của tấn công trong mạng xếp chồng. Trong

tấn công che khuất, một kẻ tấn công điều khiển một lượng lớn các đối tượng là thành viên

trong tập hàng xóm của node chuẩn. Trong trường hợp này, một nhóm các node gây hại

liên kết với nhau để lừa các node chuẩn bằng cách đưa các node gây hại vào tập hàng

xóm của các node chuẩn. Bằng việc thực hiện tấn công che khuất, kẻ tấn công có thể điều

khiển một phần đáng kể của mạng xếp chồng. Hơn nữa, một lượng lớn các node gây hại

có thể che khuất nhiều node chuẩn để điều khiển toàn bộ mạng xếp chồng. Các node xếp

chồng không thể chuyển tiếp một cách chính xác các thông điệp và mạng sẽ không được

quản lý.

Hình 3: Các node gây hại chia mạng xếp chồng ra làm hai mạng con.

Tấn công che khuất lợi dụng tập hàng xóm của các node để tiến hành tấn công

mạng xếp chồng. Để có thể tấn công, kẻ tấn công nhắm tới tập hàng xóm của các node

chuẩn. Chúng tìm cách đưa các node gây hại vào tập trong các tập hàng xóm của các node

chuẩn, khi thành công các node chuẩn muốn gửi dữ liệu cũng như các thông điệp đều đi

Khóa luận tốt nghiệp

20

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

qua các node gây hại trước. Như vậy, các node gây hại có thể quyết định gửi hay không

gửi các dữ liệu và thông điệp đó tới node đích.

Các node gây hại có thể đưa các node gây hại khác vào trong tập hàng xóm của các

node chuẩn nhờ dựa vào quá trình xin tham gia vào mạng của các node mới. Nếu node

mới tham gia liên hệ đầu tiên với một node gây hại, thì tập hàng xóm mà nó có chính là

tập các node do node gây hại đó đưa cho và hiển nhiên tập này chứa các node gây hại có

thông đồng với node gây hại mà node mới liên hệ đầu tiên. Ngoài ra, node gây hại còn có

thể xâm nhập vào tập hàng xóm của các node trong quá trình duy trì liên kết mạng được

thực hiện theo chu kì. Quá trình này sẽ tìm và loại bỏ các node lỗi ra khỏi các tập hàng

xóm và thay thế vào đó là các node khác đang hoạt động. Các node gây hại lợi dụng quá

trình này để làm tăng số lượng các node gây hại trong các tập hàng xóm của các node

chuẩn.

Tấn công che khuất cần một lượng nhất định các node gây hại thông đồng với nhau

mới có thể thực hiện thành công. Chúng liên kết với nhau, “che khuất” mạng, làm cho các

node chuẩn chỉ biết đến chúng và mọi liên hệ tới các node chuẩn khác đều bị chi phối và

khống chế. Tấn công che khuất giống như dạng nâng cao của tấn công người ở giữa (Man

in the middle attack).

Nếu chỉ có một node gây hại thực hiện tấn công che khuất (điều này rất khó thực

hiện được), thì nó có thể thực hiện các hành động như:

• Node gây hại tấn công mặt phẳng điều khiển (control plane) bằng các vô hiệu

hóa việc định tuyến lại các thông điệp.

• Node gây hại có thể loại bỏ các thông điệp mà nó nhận được, nhằm mục đích

chia cắt mạng.

• Node gây hại có thể tấn công mặt phẳng dữ liệu (data plane) bằng cách tiêm

nhiễm file độc hoặc yêu cầu lại các file độc nhân danh một node vô hại, các

file đó sẽ được lưu vào bộ đệm hoặc sao chép nhiều lần.

Khóa luận tốt nghiệp

21

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Như vậy, chỉ với một kẻ thực hiện tấn công che khuất cũng có thể gây ảnh hưởng tới

hệ thống, tuy nhiên để cuộc tấn công đạt hiểu quả cao thì cần có nhiều node cùng tham

gia tấn công. Với chỉ một lượng nhỏ các node cũng có thể thực hiện tấn công che khuất.

2.3. So sánh tấn công mạo nhận và tấn công che khuất

Tấn công mạo nhận ở một mức độ nào đó cũng giống với tấn công che khuất. Cả hai

dạng tấn công đều hướng tới mục đích kiểm soát tập hàng xóm của các node chuẩn. Bởi

chỉ có như vậy, chúng mới có thể chi phối được quá trình giao tiếp của node chuẩn với

các node khác trong mạng, khống chế được lưu lượng trong mạng và điều khiển mạng

theo mưu đồ của mình.

Tuy nhiên, tấn công mạo nhận cần sinh ra các node ảo, càng nhiều node ảo thì khả

năng thành công của tấn công mạo nhận càng cao. Nhưng việc tạo các node ảo sẽ khó

thành công khi hệ thống mạng kiểm soát chặt chẽ việc cấp định danh cho các node mới

muốn tham gia vào mạng. Trong tấn công che khuất lại khác, nó dùng các node thực,

chính là các node gây hại. Thay vì đưa các node ảo vào trong tập hàng xóm của node

chuẩn, các node gây hại trong tấn công che khuất đưa các node gây hại khác vào.

Tấn công che khuất có thể thành công với lượng nhỏ các node gây hại trong mạng

cùng thông đồng với nhau. Trong tấn công mạo nhận, một node gây hại hoạt động đơn lẻ

để sinh ra rất nhiều node ảo để tấn công mạng.

Khóa luận tốt nghiệp

22

Mai Hữu Tiến

CHỐNG TẤN CÔNG CHE KHUẤT TRONG CÁC MẠNG NGANG HÀNG

Chương 3. CÁC CƠ CHẾ PHÒNG CHỐNG

TẤN CÔNG CHE KHUẤT

3.1. Một số phương pháp phòng chống tấn công che khuất

Ta có thể nhận thấy rằng phương pháp tấn công che khuất mạng xếp chồng đều tập

trung vào kiểm soát tập hàng xóm của các node. Do đó, để có thể phòng chống tấn công

hiệu quả cần tập chung quản lý tập hàng xóm, cần sinh ra một cơ chế để đảm bảo cho tập

hàng xóm luôn an toàn trước các node gây hại để chống lại các cuộc tấn công. Đã có các

biện pháp bảo vệ phi tập trung chống lại các cuộc tấn công che khuất được đưa ra, các

biện pháp này đòi hỏi phải bổ xung thêm các quy tắc lựa chọn tập hàng xóm. Các phương

pháp này đều hướng tới hai loại: ràng buộc cấu trúc và ràng buộc lân cận.

Ràng buộc cấu trúc chặt chẽ hơn – Stronger structural constraints

Các mạng chồng như CAN, Chord nguyên bản và Pastry với bảng định tuyến có

ràng buộc nhất định (Constraints routing table – CRT)[5] cải thiện mạnh mẽ ràng buộc

cấu trúc trong tập hàng xóm. Mỗi thành viên trong tập hàng xóm được xác định là một

node trong mạng xếp chồng có định danh gần nhất với một điểm riêng biệt trong không

gian định danh. Ràng buộc này đánh bại các cuộc tấn công che khuất với hai điều kiện

như sau:

Đầu tiên, mỗi điểm nút có một định danh duy nhất và không thể giả mạo được. Việc

này có thể được thực hiện được nhờ dựa vào một cơ quan ngoại tuyến đáng tin cậy đưa ra

bản mã hóa của định danh đã được ký, bằng cách này có thể chống được tấn công mạo

nhận.

Thứ hai, mạng xếp chồng cần có cơ chế tìm ra node đang sống trong mạng có định

danh gần nhất với một vị trí bất kỳ được yêu cầu trong không gian định danh. Cơ chế này

đảm bảo rằng một truy vấn đến một node có định danh được chọn ngẫu nhiên có khả

năng là node gây hại cũng bằng xác suất chọn ngẫu nhiên một node là node gây hại.

Phương pháp định tuyến cổ điển có thể đạt được điều này bằng cách kết hợp với việc xác

thực định danh tin cậy, kiểm tra mật độ định danh, nhận biết định tuyến dư thừa bằng

cách sử dụng bảng định tuyến. Điều trở ngại lớn nhất trong việc sử dụng ràng buộc cấu

Khóa luận tốt nghiệp

23

Mai Hữu Tiến