Nghiên cứu và thử nghiệm triển khai bài toán thám mã khối trên môi trường tính toán lưới

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH HỆ THỐNG THÔNG TIN TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ THỬ NGHIỆM TRIỂN KHAI BÀI TOÁN THÁM MÃ KHỐI TRÊN MƠI TRƯỜNG TÍNH TỐN LƯỚI Sinh viên thực : Hoàng Thanh Tùng Lớp HTTT B – K49 Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hữu Đức Hà Nội – 2009 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên Họ tên sinh viên: Hoàng Thanh Tùng Điện thoại liên lạc: 0948233463 Email: tunght@aic.com.vn Lớp: Hệ thống thông tin Hệ đào tạo: Đại học Đồ án tốt nghiệp thực tại: Trung tâm phần mềm AIC Software, thuộc Công Ty Tư Vấn Đầu Tư Phát Triển Công Nghệ - AIC (BQP) Thời gian làm ĐATN: Từ ngày 23/02/2009 đến 30/05/2009 Mục đích nội dung ĐATN Tìm hiểu triển khai thử nghiệm tốn thám mã khối mơi trường tính tốn lưới Các nhiệm vụ cụ thể ĐATN Giới thiệu tổng quan tính tốn lưới (Grid Computing) Giới thiệu tổng quan toán thám mã khối Giới thiệu công cụ Globus Toolkit Xây dựng giải thuật thám mã khối song song để ứng dụng mơi trường tính tốn lưới Cách xây đựng lưới tính tốn đơn giản Thiết kế triển khai toán thám mã khối lưới Lời cam đoan sinh viên: Tơi – Hồng Thanh Tùng - cam kết ĐATN cơng trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Đức Các kết nêu ĐATN trung thực, khơng phải chép tồn văn cơng trình khác Hà Nội, ngày 28 tháng năm2009 Tác giả ĐATN Hoàng Thanh Tùng Xác nhận giáo viên hướng dẫn mức độ hoàn thành ĐATN cho phép bảo vệ: Hà Nội, ngày tháng năm2009 Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Đức Sinh viên thực hiện: Hoàng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thơng tin LỜI CẢM ƠN Để đồ án tốt nghiệp hoàn thành, ngồi nỗ lực thân q trình học tập, tìm tịi nghiên cứu, cịn có hướng dẫn, giúp đỡ, động viên thầy cô, bạn bè gia đình Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Hữu Đức nhiệt tình dẫn động viên suốt q trình làm đồ án Tơi xin tỏ lịng biết ơn đến TS Hoàng Minh Tuấn người đóng góp nhiều ý kiến q báu bổ ích q trình hồn thành đồ án Cho phép gửi lời cám ơn chân thành đến Thủ trưởng, đồng nghiệp trung tâm phần mềm công ty AIC tạo điều kiện phương tiện, cơng cụ thuận lợi để tơi hồn thành đồ án Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành tới thầy cô môn Hệ Thống Thơng Tin nói riêng tồn thể thầy cô khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung Các thầy tận tâm với công tác giảng dạy, với hướng dẫn, bảo chuyên môn vô quý báu giành cho sinh viên suốt năm học tập trường Sinh viên thực hiện: Hoàng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thơng tin MỤC LỤC MỞ ĐẦU .14 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THÁM MÃ KHỐI 20 1.1 Tầm quan trọng mật mã khối 20 1.2 Các phương pháp thám mã khối .23 1.2.1 Các phương pháp thám mã truyền thống 23 1.2.2 Thám mã khối theo phương pháp hộp đen 25 1.2.3 Một số giải pháp thám mã khối điển hình 27 1.3 Đánh giá độ phức tạp toán thám mã khối 30 1.4 Các tảng tính tốn phục vụ thám mã khối .34 1.4.1 Mạng máy tính Máy tính song song .34 1.4.2 Tính toán lưới .35 1.4.3 Sử dụng phần cứng chuyên dụng 36 1.5 Kết luận đề xuất số vấn đề nghiên cứu 37 CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ TÍNH TỐN LƯỚI 39 2.1 Lịch sử đời .39 2.2 Khái niệm tính tốn lưới 40 2.3 Lợi ích tính tốn lưới 41 2.3.1 Khai thác, tận dụng nguồn tài nguyên nhàn rỗi 41 2.3.2 Khả tính tốn song song .42 2.3.3 Tài nguyên ảo tổ chức ảo việc phối hợp 43 2.3.4 Khả truy cập tài nguyên bổ sung 44 2.3.5 Khả cân tài nguyên 45 2.3.6 Tính tin cậy 45 2.3.7 Tăng khả quản trị hệ thống 46 2.4 Phân loại lưới 47 2.4.1 Lưới tính toán (Grid Computing) 47 2.4.2 Lưới liệu (Data Grid) 47 2.4.3 Scavenging Grid 48 Sinh viên thực hiện: Hồng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thông tin 2.5 Quy mô lưới tính tốn 48 2.6 Các thách thức, yêu cầu công nghệ Grid 50 2.6.1 Quản lý tài nguyên .50 2.6.1.1 Tài nguyên thuộc nhiều vùng quản trị khác 51 2.6.1.2 Tài nguyên đa dạng, hỗn tạp 51 2.6.1.3 Việc tồn tài nguyên Grid thây đổi theo thời gian 52 2.6.1.4 Vấn đề phối hợp cấp phát tài nguyên 52 2.6.1.5 Vấn đề điều khiển trực tuyến, theo thời gian thực (online) .52 2.6.2 Bảo mật (Security) 52 2.6.2.1 Đăng nhập lần (Single sign-on) 52 2.6.2.2 Cho phép ủy quyền 52 2.6.2.3 Có khả tích hợp với sách bảo mật cục 53 2.6.2.4 Sử dụng quan hệ tin cậy lẫn dựa theo người dùng 53 2.6.2.5 Hỗ trợ bảo mật liên lạc nhóm 53 2.6.2.6 Đảm bảo tính riêng tư 53 2.6.2.7 Cho phép có nhiều cài đặt khác 53 2.6.3 Quản lý thông tin 53 2.6.4 Quản lý liệu .54 2.6.5 Phát triển ứng dụng .55 2.7 Các thành phần hệ thống sở hạ tầng Grid .55 2.7.1 Portal/ Giao diện người dùng 55 2.7.2 Bảo mật 56 2.7.3 Broker 56 2.7.4 Bộ lập lịch (Scheduler) 56 2.7.5 Thành phần quản lý liệu (Data management) 56 2.7.6 Thành phần quản lý công việc tài nguyên (Job and resource management) 57 2.7.7 Các thành phần khác 57 2.8 Giới thiệu dự án Grid middleware 57 2.8.1 UNICORE .57 2.8.2 Globus 59 2.8.3 Legion 59 Sinh viên thực hiện: Hồng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thông tin 2.8.4 GridBus 59 2.9 Kết luận .60 CHƯƠNG III GLOBUS TOOLKIT 4.0 61 3.1 Lịch sử phát triển .61 3.2 Các chuẩn liên quan đến lưới 62 3.2.1 Open Grid Service Infrastructure 62 3.2.2 Web Services Resource Framework 64 3.2.3 Open Grid Service Architecture 67 3.3 Kiến trúc Globus toolkit 69 3.3.1 Giới thiệu kiến trúc Globus toolkit 69 3.3.2 Các dịch vụ định nghĩa GT4 70 3.3.3 Môi trường thực thi dịch vụ thành phần GT4 71 3.3.4 Module quản lý thực thi công việc (Excution Management) GT4 72 3.3.4.1 Hoạt động WS-GRAM .73 3.3.4.2 Chương trình dịng lệnh “Globusrun-ws” .74 3.3.5 Giải pháp an ninh cho mơi trường tính tốn lưới Globus Toolkit 74 3.3.5.1 Hạ tầng an ninh lưới (Grid Security Infrastructure –GSI) .75 3.3.5.2 Các kỹ thuật liên quan 76 3.3.5.3 Hiện thực GSI 77 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG GIẢI THUẬT SONG SONG CHO BÀI TOÁN THÁM MÃ KHỐI 79 4.1 Phân tích mơ hình phân rã song song 79 4.1.1 Lựa chọn mơ hình phân rã song song 79 4.1.2 Xác định loại tiến trình thực thi tốn thám mã 81 4.1.3 Xác định vai trò chức nhiệm vụ tiến trình .82 4.1.4 Kiểm tra xác định khả node phân tải 85 4.1.5 Sơ đồ vận hành tiến trình .86 4.2 Phương thức cấp phát sử dụng khóa 89 Sinh viên thực hiện: Hồng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thông tin 4.2.1 Giả thuyết phương pháp cấp khóa 89 4.2.2 Lựa chọn phương thức cấp phát khóa 92 4.2.2.1 Phương pháp cấp phát khóa theo dạng xâu bits 93 4.2.2.2 Phương pháp cấp phát khóa thơng qua số dạng bytes .94 4.2.2.3 Các lợi ích khác từ việc cấp phát khóa thơng qua số dạng bytes 96 4.3 Tổng kết giải thuật thám mã mơi trường tính tốn lưới 98 CHƯƠNG V XÂY DỰNG LƯỚI TÍNH TỐN AIC-GRID VỚI GLOBUS TOOLKIT 99 5.1 Môi trường Grid 99 5.2 Cài đặt môi trường 100 5.2.1 Các phần mềm cần thiết .100 5.2.2 Cài đặt GT từ source .101 5.2.3 Tiến hành cài đặt CA chủ máy Host A 102 5.2.4 Thiết lập bảo mật cho nút lưới 102 5.2.5 Xin giấy phép SimpleCa 103 5.2.6 Thiết lập thành phần GridFTP 104 5.2.7 Thiết lập dịch vụ truyền file tin cậy (Reliable File Transfer – RFT) .105 5.2.8 Khởi động webservices container 106 5.2.9 Thiết lập dịch vụ WS GRAM .107 CHƯƠNG VI THIẾT KẾ TRIỂN KHAI THỬ NGHIỆM BÀI TOÁN THÁM MÃ KHỐI TRÊN LƯỚI AIC-GRID 109 6.1 Phân tích tốn 109 6.2 Chương trình CryptoMain 111 6.2.1 Giao diện người dùng 111 6.2.2 Quy trình hoạt động 112 6.2.2.1 Tìm kiếm node Grid 112 6.2.2.2 Chuẩn bị liệu thám mã .112 6.2.2.3 Quá trình thám mã 113 6.3 Chương trình thám mã 114 Sinh viên thực hiện: Hồng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thông tin KẾT QUẢ CỦA ĐỒ ÁN 115 (1) Các kết đạt .115 (2) Hướng nghiên cứu 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 Sinh viên thực hiện: Hồng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thông tin CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ AES Advanced Encryption Standard – Chuẩn mã hóa tiên tiến AES128 Chuẩn mã hóa AES phiên khóa 128 bits AES192 Chuẩn mã hóa AES phiên khóa 192 bits AES256 Chuẩn mã hóa AES phiên khóa 256 bits API Application Program Interface : Một API định nghĩa giao diện chuẩn để triệu gọi tập chức ASCII American Standard Code for Information Interchange - Chuẩn mã trao đổi thông tin Hoa Kỳ ATM Automated teller machine – Máy rút tiền tự động Cluster Các máy tính kết nối với nhằm cung cấp số dịch vụ Thường phạm vi kết nối phòng CMEA Cellular Message Encryption Algorithm – Giải thuật mã hóa thơng điệp tế bào CNTT Cơng nghệ thơng tin DES Data Encryption Standard – Chuẩn mã hóa liệu DES ECB Electronic Codebook – Chế độ mã hóa EFF Electronic Frontier Foundation – Tổ chức phi lợi nhuận ngành điện tử FEAL Fast Data Encipherment Algorithm – Giải thuật mã hóa liệu nhanh FPGA Field Programmable Gate Arrays – Các mảng cổng có khả lập trình GC Grid Computing – Tính tốn lưới GOST Gossudarstwennyj Standart – Chuẩn mã hóa Liên bang Xô-viết (Tiếng Nga : ГОСТ - Государственный стандарт) GT4 Globus Toolkit HTTP HyperText Transfer Protocol IDDES Chỉ số khóa chuẩn DES khơng gian khóa tổng thể (hoặc không gian người dùng định nghĩa) IDEA International Data Encryption Algorithm – Giải thuật mã hóa liệu Quốc tế IDIDEA Chỉ số khóa chuẩn IDEA khơng gian khóa tổng thể (hoặc khơng gian người dùng định nghĩa) Sinh viên thực hiện: Hoàng Thanh Tùng – Khóa 49 – Lớp Hệ thống thơng tin 10