> Verteilte Systeme Übung 10 Deadlocks, Fehler, Security Philipp Kegel Sommersemester 2012

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1 > Verteilte Systeme Übung 10 Deadlocks, Fehler, Security Philipp Kegel Sommersemester 2012 Gruppe PVS (Parallele und Verteilte Systeme) Institut für Informatik Westfälische Wilhelms-Universität Münster

2 10.1 Deadlocks 2 Nebenläufig ausgeführte Transaktionen müssen koordiniert werden Eine Möglichkeit: Pessimistische Sperrung Zur Erinnerung aus der VL: Zwei-Phasen-Sperren

3 10.1 Deadlocks 3 Pessimistisches (Striktes) Zwei-Phasen-Sperren kann zu Deadlocks führen, Beispiel: Transaktion U Transaktion V Transaktion W Operation Sperrt Operation Sperrt Operation Sperrt x.set(10) x y.set(15) y y.set(20) Wartet auf Vs Sperre von y z.set(5) z z.set(25) Wartet auf Ws Sperre von z x.set(30) Wartet auf Us Sperre von x Erkennen eines solchen Deadlocks in einem verteilten System durch globalenwait-for-graph

4 Wait-For-Graph 4 Das Warten auf ein von einer anderen Transaktion gesperrtes Objekt ist eine Relation, die in einen Graphen umgesetzt werden kann: x gesperrt von wartet auf U W U W y z V entspricht Dabei muss es noch gar nicht um den verteilten Fall gehen, auch zur Analyse von Wartebeziehungen in einem einzelnen Rechner ist der Graph hilfreich Erkennen eines Deadlocks: Zyklus im Wait-For-Graph Auflösen des Deadlocks: Zyklus durch Abbruch einer Transaktion durchbrechen V

5 Globaler Wait-For-Graph 5 In einem verteilten System muss zur Deadlock-Erkennung ein globaler Wait-For-Graph konstruiert werden Einfachste Lösung: Zentraler Koordinator Sammelt Informationen über Wartebeziehungen von allen Prozessen Konstruiert globalen Graphen und prüft auf Zyklen Wählt ggf. Transaktion für Abbruch aus Dezentraler Algorithmus: Edge Chasing Probenachrichten entlang von Wartekanten zur Zyklenerkennung senden

6 10.2 Übereinstimmung in fehlerhaften Systemen 6 Mit Fehlern in verteilten Systemen muss gerechnet werden fehlertolerante Systeme Mögliche Klassifikation: Fehlerhafte Prozesse, aber funktionierende Kanäle Klassisches Beispiel: Byzantinische Generäle (siehe VL) Funktionierende Prozesse, aber fehlerhafte Kanäle Klassisches Beispiel: 2-Armeen-Problem

7 Armeen-Problem 7 Die Armeen Blau 1 und Blau 2 sind der gegnerischen Armee Rot einzeln jeweils zahlenmäßig unterlegen gemeinsamer Angriff nötig Blau 1 Blau 2 Rot Kommandeure (Prozesse) von Blau 1 und 2 sind loyal, müssen sich aber durch Boten über gemeinsamen Angriffszeitpunkt abstimmen Boten müssen durch das von Rot besetzte Tal reiten und können gefangen genommen werden: Unsicherer Kommunikationskanal

8 Armeen-Problem 8 Blau 1 Blau 2 Rot Möglicher Kommunikationsablauf: 1 Kommandeur von Blau 1 schickt Boten mit Angriffszeitpunkt 2 Blau 2 erhält Nachricht und schickt Bestätigung: 2-Way Handshake 3 Blau 1 erhält Bestätigung und schickt Bestätigung: 3-Way Handshake 4 Blau 2 erhält Best. der Best schickt Bestätigung: 4-Way Handshake... Beobachtung: Jede Nachricht dieses Ablaufs ist wichtig, Verlust einer einzelnen Nachricht nicht tolerierbar Das 2-Armeen-Problem ist nicht lösbar, Blau 1 und 2 können zu keiner Übereinstimmung kommen

9 10.4 Unsicherheit in Verteilten Systemen In einem verteilten System kann man ohne weitere Maßnahmen nicht sicher sein, ob sich alle Komponenten wie erwartet verhalten werden oder kompromittiert sind: Kompromittierter Client: Client Server Kanal Mögliche Maßnahmen: Client-Eingaben nie vertrauen und stets prüfen Kompromittierter Server: Client Kanal Mögliche Maßnahmen: Serverdienst zertifizieren Kompromittierter Kommunikationskanal: Server Client Server Kanal Mögliche Maßnahmen: Verschlüsselung und Integritätsprüfung gegen Mitlesen und Veränderung 9

10 10.5 Sicherer Kommunikationskanal 10 Ein ungeschützter Kommunikationskanal kann an verschiedensten Stellen mitgelesen werden: Auf einem der beteiligten Hosts (durch Administrator) Auf jedem Host, der über denselben Hub angeschlossen ist Auf jedem Router Schutz vor Mitlesen oder Veränderung: Sicherer Kommunikationskanal Verschiedene Realisierungsmöglichkeiten: Absicherung direkt in der Anwendung Transparente Sicherung durch generisches Protokoll Immer bestehendes und geprüftes Verschlüsselungsverfahren verwenden, ungeprüfte Eigenerfindungen haben so gut wie immer Schwächen

11 10.6 SSL - Secure Sockets Layer 11 Das Secure Sockets Layer-Protokoll stellt einen sicheren Kommunikationskanal bereit, der Vertraulichkeit und Integrität der Daten durch symmetrische Verschlüsselung ermöglicht SSL ist bzgl. des TCP/IP-Stacks ein Anwendungsprotokoll und nutzt TCP Höherwertige Anwendungsprotokolle wie HTTP oder SMTP können über ein SSL-API implementiert werden 1994 von Netscape entwickelt, inzwischen verschiedene Implementierungen der Version 3.0 wie z. B. OpenSSL, Java Cryptography Extensions Erst mit der Version 3.0 wurde SSL von der IETF standardisiert und später mit kleinen Änderungen in TLS (Transport Layer Security) überführt

12 10.7 SSL - Funktionsweise 12 Symmetrische Ende-zu-Ende-Verschlüsselung, unterstützt verschiedene Algorithmen wie DES, Triple DES oder AES (Rijndael) Automatische Fragmentierung und optional Komprimierung der Daten Erfordert verlässliches Protokoll als Basis. Zumeist TCP, kann aber auch auf anderen Protokollstapeln laufen Der verwendete symmetrische Schlüssel wird zu Beginn während einer Handshake-Phase ausgetauscht. Unterstützt werden dafür u. a. der Diffie-Hellman Schlüsselaustausch oder asymmetrische RSA-Verschlüsselung Sicherung der Nachrichten-Integrität und Authentizität durch Anhängen eines kombinierten MD5 und SHA Hashwertes

13 10.8 SSL-Handshake 13 Client client hello: SSL Version, unterstützte Verschlüsselungen, Zufallsdaten Server Auth. des Zertifikats Verschlüsselung eines pre master secrets mit public key des Servers master secret, symmetrischer session key server hello: SSL Version, public key, Verschlüsselung, Zufallsdaten, Server Zertifikat (optional: Zertifikatanforderung) C(pre master secret), optional: Zertifikat optional: Auth. des Client Zertifikats Entschlüsselung des pre master secrets master secret, symm. session key Symmetrisch verschlüsselter Kanal

14 Angriffsszenario: Man in the Middle Angriff 14 client hello Client server hello Attacker server hello Server C(pre m secret) C(pre m secret) m secret, key key(daten) m secret, key m secret, key Bei einem Man in the Middle (MITM)-Angriff gibt sich ein bösartiger Prozess als Server aus, z. B. um ein Passwort abzufangen: 1 Der Angreifer muss den Datenverkehr zum Server auf sich umleiten (Routing auf Client ändern, Router übernehmen, ARP-Spoofing, etc.) 2 Angreifer speichert Inhalt der hellos und leitet sie angepasst weiter: Er ersetzt den public key im server hello durch seinen eigenen 3 Der Angreifer kann nun das pre master secret entschlüsseln und an den ursprünglichen Server weiterleiten (mit dessen key verschlüsselt) 4 Angreifer generiert master secret und den session key und kann die symmetrisch verschlüsselte Nutzdatenübertragung abhören

15 Authentifizierung durch Zertifikate 15 Zur Vermeidung eines MITM-Angriffes muss der Client die Manipulation des server hello erkennen server hello enthält ein Zertifikat (üblicherweise X.509) Zertifikate: Besitzen Angaben über Zertifizierten, Herausgeber, Zeitdauer Herausgeber hat das Zertifikat digital mit seinem private key signiert Überprüfung auf Echtheit unter Benutzung des public key aus dem Zertifikat des Herausgebers Verlagerung der Vertrauensfrage auf den Herausgeber Zertifikatsketten möglich, das Zertifikat des Zertifikatherausgebers kann wieder zertifiziert sein Im Internet: Spezielle Unternehmen wie Verisign oder Thawte stellen Zertifikate gegen Gebühr aus

16 Vermeidung eines MITM-Angriff durch Zertifikate 16 Der Angreifer muss das Server-Zertifikat ändern, um seinen eigenen public key einzuschreiben bzw ein gänzlich neues Zertifikat erstellen Verlust der Signierung Für den Client ist keine Manipulation erkennbar, nur, dass das Zertifikat nicht von einer anerkannten Institution signiert ist Im Internet: Webbrowser fragt beim Benutzer nach, ob er das Zertifikat akzeptiert und warnt bei nicht von anerkannten Institutionen signierten Zertifikaten

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