Segurança e Privacidade de Dados em Nuvens de Armazenamento. O Sistema VSKY VÍTOR HUGO PEDRO PEREIRA

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1 PROVAS DE DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM ENGENHARIA INFORMÁTICA DI/FCT/UNL VÍTOR HUGO PEDRO PEREIRA Segurança e Privacidade de Dados em Nuvens de Armazenamento O Sistema VSKY Orientação: Prof. Doutor Henrique Domingos DI- FCT- UNL 14/Julho/2014 1

2 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 2

3 Tópicos da apresentação Mo#vação, Enquadramento, Obje#vo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 3

4 MoHvação e Enquadramento Armazenamento pessoal: documentos, ficheiros Aplicações Armazenamento de dados em Infraestruturas Próprias de Organizações e Empresas McKinsey & Company 4

5 Armazenamento de dados Armazenamento local, Servidores dedicados, Centros de Dados Privados Aplicações Tecnologias de Armazenamento - SCSI, SAS, SATA, SSD - NAS, Disk Arrays, RAID Ambiente LAN: - Baixa latência - Controlo com Operação e Manutenção Co- Localizadas 5

6 Armazenamento de dados Armazenamento local, Servidores dedicados, Centros de Dados Privados Heterogeneidade Complexidade Custos operacionais TCO elevado 6

7 Tendência para Armazenamento de dados em Nuvens na Internet Tendência Adoção Crescente 7

8 Armazenamento de dados em Nuvens na Internet (Cloud Storage) Internet UHlização de Nuvens de Armazenamento, Provedores INTERNET Tendência Adoção Crescente: Cloud Storage 8

9 Moving to Clouds Armazenamento de dados em Nuvens na Internet (Cloud Storage) Data is moving to the cloud Servers Storage ServersInternet Cloud Mercado cada vez maior de Provedores de Serviços de Storage Nuvens para Gestão de Dados na Internet Diversos provedores em diferentes escalas: Nacional, Regional, Segmentos de Negócio e.g., Amazon S3 Main reason: costs (pay-per-use model) Global, Com Geo- Replicação dos Dados Armazenados 11 th, 2011 EuroSys

10 Moving to Clouds Data is moving to the cloud Cloud Storage em Crescimento ~ 2 mil milhões de objectos Servers ~ 0.2 a Storage 2 Exabytes ServersInternet Cloud Storage ~ 1,1 milhões de acessos por seg * EstaWs#cas Amazon S3 Tráfego de acesso a dados pessoais, SkyDrive,GoogleDrive, Dropbox, AmazonS3, Apple icloud Incremento: 2 a 20 Exabytes por ano *Projeções CISCO e.g., Amazon S3 Main reason: costs (pay-per-use model) 11 th, 2011 EuroSys

11 Vantagens do armazenamento em Nuvens Economia de Custos Modelo Pay per Use Elas#cidade Escalabilidade a pedido Disponibilidade com Ubiquidade de acesso fixo ou móvel Internet Banalização: múlhplos fornecedores e grande compehvidade Acesso global com o#mização de latência: Centros de Dados e Geo- Replicação 11

12 Vantagens vs. Problemas Economia de Custos Modelo Pay per Use Elas#cidade Escalabilidade a pedido Disponibilidade com Ubiquidade de acesso fixo ou móvel Banalização: múlhplos fornecedores e grande compehvidade Acesso global com o#mização de latência: Centros de Dados e Geo- Replicação Internet Problemas: Sem Auditabilidade ou verificação por parte dos uhlizadores Operação como BASES CONFIÁVEIS DE COMPUTAÇÃO (TCBs) 12

13 Moving to Clouds Data is moving to the cloud Problemas e preocupações Servers Preocupações: Storage Servers Cloud Internet Propriedades de segurança e Storage fiabilidade com controlo por parte dos u#lizadores Confidencialidade e Privacidade dos Dados Integridade e AutenHcidade e.g., Amazon S3 Main reason: costs (pay-per-use model) Disponibilidade e Fiabilidade il 11 th, 2011 EuroSys Independência dos UHlizadores Vendor Lock- In Nuvens não confiáveis: Armazenamento sem que as Nuvens de Suporte conshtuam Bases de Confiança das Aplicações 13

14 Moving to Clouds Data is moving to the cloud UHlização de MúlHplas Nuvens de Armazenamento, Não- Confiáveis Servers Storage Servers Cloud Solução possível Internet Storage Âmbito da Dissertação Replicar os dados em múlhplas Nuvens Nuvem de nuvens Disponibilidade e fiabilidade beneficiando da diversidade Problemas a resolver (entre outros): UHlização com integração transparente Custo vs. Segurança vs. Disponibilidade + e.g., Amazon S3 Main reason: vs Fiabilidade costs (pay-per-use model) com controlo do uhlizador ARMAZENAMENTO NÃO CONFIÁVEL il 11 th, 2011 Consistência Diferenciada EuroSys 2011 Modelo de Acesso Seguro e 2 Transparente aos Dados 14

15 ObjecHvos da dissertação App. Internet App. App. 15

16 ObjecHvos da dissertação API Transparência: - Nuvem (Virtual) Cloud- Cluster RAID RESTFul Services App. Internet App. Arquitetura Middleware App. WS / RESTFul (CLOUD based API) 16

17 Cenários Cloud of MulHple Diverse Clouds Um u#lizador Múl#plos U#lizadores Múl#plos U#lizadores vs. Múl#plas instâncias (réplicas) do MW Cenário de parhda (Dissertação) Cenário para abordagem e desenvolvimentos futuros 17

18 Contribuições Concepção do sistema, com arquitectura MW transparente e modular Nuvem de nuvens APIs (Externalização do Sistema) para integração uniforme e transparente Controlo de Indexação, Replicação e Gestão transparente dos dados Fragmentados e Distribuídos pelas nuvens Fiabilidade e Disponibilidade Controlada GaranHas de Privacidade e Segurança AutenHcidade, integridade e confidencialidade dos dados Implementação e avaliação 18

19 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 19

20 Modelo e Arquitectura do Sistema API Transparência: - Nuvem (Virtual) Cloud- Cluster RAID RESTFul Services App. Internet App. Arquitetura Middleware App. WS / RESTFul (CLOUD based API) 20

21 Modo de operação conceptual API Transparência: - Nuvem (Virtual) Middleware Local (Biblioteca RunHme ou Proxy Local) App. Arquitetura Middleware WS / RESTFul (CLOUD based API) Middleware Remoto (Proxy Remoto) 21

22 Caracterização do Sistema Sistema Middleware, com intermediação transparente entre aplicações e as múlhplas nuvens de armazenamento uhlizadas (por configuração) Núvens uhlizadas por configuração de conetores Cada nuvem (cada provedor) não é necessariamente confiável Distribuição da base de confiança pelas múlhplas nuvens uhlizadas, alavancando na diversidade e heterogeneidade das infra- estruturas Nuvens u#lizadas tal como são disponibilizadas (APIs de acesso, controlo de acesso, modelo de consistência e suporte de controlo de concorrência) Nuvens de armazenamento de Provedores Globais na Internet Encapsulamento de APIs de acesso Encapsulamento de autenhcação (Oauth) e Controlo de Acesso Armazenamento com replicação transparente Modelo RAID para replicação consistente de dados (ou fragmentos) manhdos sempre cifrados nas nuvens Com provas de confidencialidade, integridade e autenhcidade Com controlo de disponibilidade e fiabilidade 22

23 Modelo de dados e consistência Single- Writer, Mul8- Reader Mul8- Writer com Locking Explícito Modelo de consistência do sistema: Modelo de mínima consistência proporcional garanhda Determinada pela nuvem com consistência mais fraca Consistência eventual Read what you write Consistência regular 23

24 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 24

25 Modelo de Adversário Ataques internos nas nuvens Ataques à confidencialidade dos dados por administradores de sistemas (oponentes honestos mas curiosos) Ataques à disponibilidade, integridade ou autenhcidade dos dados por administradores de sistemas (oponentes maliciosos) Ataques externos por intrusão nas nuvens, com as mesmas consequências Ataques independentes (no collusion- acacks) O Sistema Middleware e sua operação (run8me) é uma base de computação de confiança (TCB) Atacantes não atacam a infra- estrutura de computação das núvens (Hypervisors, Máquinas Virtuais e SW PaaS), nem atacam fisicamente a infraestrutura Em par#cular, não alteram a correção da semân#ca do modelo de consistência de escritas ou leituras 25

26 Modelo de Falhas As nuvens podem falhar Falhas por omissão por indisponibilidade do serviço (escritas e leituras) Falhas bizan#nas de operações de leitura Falhas bizanhnas de escrita com verificação de leitura após escrita (no caso de modelo de consistência regular ou semânhca read what you write ) Sistema Middleware sem tolerância a falhas quando usado sem replicação do estado 26

27 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de Somware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 27

28 Arquitectura e Componentes Principais Conectors API Security Module Storage Module Index. Module Arquitetura Middleware API API API Core Middleware API 28

29 Serviços do Módulo de Segurança Início Thread (disp.) Compressão Cifra Fragmentação Integridade e Assinaturas Put (Obj) 29

30 Serviços do Módulo de Segurança Início Thread (disp.) Validação de Integridade e Asinaturas Assemblagem Decifra Descompressão Get (Obj) 30

31 Segurança Parametrizável Suporte Parametrizável Início Compressão Java GZIP - - Compressão/Dscompressão Algoritmo: ZIP Cifra/Decifra com Métodos Criptográficos Simétricos: Início Validação de Integridade e Asinaturas Cifra ALG CIFRA / MODO / Padding ex: AES / CBC / PKCS#5 Assemblagem Fragmentação Java JCE - Fragmentação em registos de tamanho parametrizável Decifra Integridade e Assinaturas - Métodos Assimétricos: HMAC: Método/HASH Assinatura: Alg/Modo ex: HMAC: RFC2108 Descompressão 31

32 Módulo de Armazenamento Security Module Conectors API Storage Module Index. Module API API API Core Middleware API 32

33 Componentes do Módulo de Armazenamento Conetores: Implementação de Operações de acordo com APIs de cada Núvem uhlizada Integração com base numa Fábrica de Conectores (Parametrizável) Gestor Armazenamento Simples com apenas um Conector Com lógica de redundancia RAID- 5 33

34 Conectores Interfaces diferentes para cada Nuvem API Modelo de consistência Ponto comum entre as Nuvens GET PUT DELETE 34

35 Módulo Armazenamento RAID Cada disco passa a ser um conector. Paridade é rotahva Existe sempre 1 disco de paridade a cada stripe Tolera a falha de um conector, e consegue devolver sempre os dados nesta situação. Número mínimo de Nuvens : 3 35

36 Módulo de Indexação Security Module Conectors API Storage Module Index. Module API API API Core Middleware API 36

37 Módulo de Indexação Índice: Duas Variantes na Implementação: - Implementação local - Dois HashMaps serializados - Um para objetos locais - Outro para metadados - Implementação distribuída - Com recurso a Cassandra 37

38 Módulo de Indexação Cassandra Exemplo de conteúdo de índice Sobre Cassandra file size folder keysalt iv ciphersize /Path/File1.txt FALSE 92dbeb5 d418a size folder keysalt iv ciphersize metadata /Path/tumour.png FALSE 47da341 cc93410a map:{ {"photo":"disease"}, {"disease":"cancer"}} size folder /Path/ 0 TRUE folder metadata file /Path/ file /Path/File1.txt photo /Path/tumour.png file /Path/ /Path/tumour.png file disease /Path/tumour.png file cancer /Path/tumour.png fragments file fragid storage tumour.png /Path/File1.txt /Path/tumour.png frag1 Disk1Stripe1 file fragid storage file1.txt /Path/tumour.png /Path/File1.txt frag2 Disk2Stripe1 fragid storage /Path/tumour.png frag3 Disk3Stripe1 Cassandra é uma base de dados NO- SQL Oferece garanhas como: Tolerância a falhas (com replicação) Escalabilidade (linear) 38

39 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 39

40 Implementação Implementação em JAVA (JDK/JSE 1.5) Amazon S3 Google AppEng Dropbox Conectores: Amazon S3 Google App Engine Dropbox Local FS Indexação HashMap Serializado Cassandra Security Module Java JCE API Conectors API Storage Module API Core Middleware API Index. Module Cassandra API Protó#po em: hsp://asc.di.fct.unl.pt/tsky/vsky 40

41 Métricas da implementação Security Module Conectors API Storage Module Index. Module API API API Core Middleware API 76 Classes Java 7000 linhas de código 41

42 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 42

43 Banco de Ensaio PortáHl Asus K55VM Intel I5-3210M, 2.5GHz (Ivy Bridge) 8GB Ram DD3 1600MHz Ligação Internet MEO Fibra DomésHca Download 30Mb Upload 3Mb 43

44 Testes efectuados Latência do módulo de Segurança Para obter uma métrica inicial sobre o impacto da criptografia Latência das operações sobre o middleware com uma Nuvem Com e sem Módulo de Segurança Com índice local Para inferir o impacto da criptografia sobre o armazenamento. Latência do middleware nas versões com replicação de armazenamento RAID- 5 Com índice local e com índice Cassandra 44

45 Latência Operações Criptográficas Operações de Cifra Fragmento JPG 100KB PDF 823KB ZIP 4635KB FLV 23MB 100 KB ms ms ms ms 256 KB ms ms ms ms 512 KB ms ms ms ms Operações de Decifra Fragmento JPG 100KB PDF 823KB ZIP 4635KB FLV 23MB 100 KB ms ms ms ms 256 KB ms ms ms ms 512 KB ms ms ms ms O tempo das operações varia pouco conforme o tamanho dos blocos. A operação de decifra é mais pesada É dicil optar por um tamanho de blocos com base apenas nestes resultados No entanto blocos maiores é mais rápido pelos testes às Nuvens 45

46 Latência Operações Criptográficas sobre Armazenamento Simples com Fragmentos 512KB, Ficheiro ZIP 4635KB σ 17% σ 11% σ 9% σ 4% σ 5% σ 6% GET PUT 30% 32% 20% 13% 13% 12% Impacto da Cifra é aceitável face ao tempo total. Esta aproximadamente ao dobro da proporção do desvio padrão da latência no acesso as Nuvens! 46

47 Latência Middleware Completo com Fragmentos 512KB, Ficheiro ZIP 4635KB Apagar é rápido Cassandra aparenta ser mais rápido, mas apenas porque apenas tem uma instância! Será que é mais lento o Middleware com este modelo, comparado aos testes directos sem segurança? 47

48 Latência Middleware Completo com Fragmentos 512KB, Ficheiro ZIP 4635KB 26% 58% - 91% A implementação completa não é mais lenta que o Dropbox no GET. Porque as outras nuvens uhlizadas são mais rápidas, sendo visível o ganho de performance. O PUT é mais lento com o Middleware. O GET é mais lento no geral. Nota- se o peso incuhdo pelos módulos do Middleware face ao armazenamento directo O DELETE é muito rápido. (Não apaga realmente os ficheiros das Nuvens) 48

49 Tópicos da apresentação MoHvação, Enquadramento, ObjeHvo e Contribuições da dissertação Sistema Middleware para UHlização Segura e Confiável de Nuvens de Armazenamento de Dados na Internet Modelo e arquitectura do sistema Modelo de adversário e modelo de falhas Arquitectura de SoYware Componentes do sistema Processamento de operações Implementação do sistema Avaliação Conclusões 49

50 Conclusões Concepção, implementação e avaliação do Middleware que oferece: A delegação do controlo do armazenamento em Nuvem para uma TCB auditável pelo uhlizador. Gestão dos dados com garanha de confidencialidade, autenhcidade e integridade. Fiabilidade e tolerância a falhas ao nível das Nuvens. Solução para problemas de dependência externa do serviço ou Vendor Lock In. Implementação Portável em Java. As vantagens do sistema induzem overhead aceitável quando comparado com a uhlização directa das Nuvens. Em média 28% nos GETs, 58% nos PUTs. Existem diversas ophmizações que podem melhorar largamente estes resultados. 50

51 Questões 51

52 MoHvação In almost every job now, people use so=ware and work with to enable their to operate more Bill Gates BBC News, 2007 McKinsey & Company 52

53 Arquitectura e Componentes Principais API Transparência: - Nuvem (Virtual) Cloud- Cluster RAID RESTFul Services Internet App. Arquitetura Middleware WS / RESTFul (CLOUD based API) > Put(), Get(), List() Delete () over HTTP or HTTPS 53

54 Arquitectura e Componentes Principais API Transparência: - Nuvem (Virtual) Cloud- Cluster RAID RESTFul Services Internet App. Arquitetura Middleware WS / RESTFul (CLOUD based API) > Put(), Get(), List() Delete () over HTTP or HTTPS 54

55 Latência Operações nas Nuvens GET PUT DELETE As nuvens tem tempos muito diferentes entre si A operação de GET sofre maior variação que as outras. O tempo das operações não é directamente proporcional ao tamanho dos fragmentos carregados. 55

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