IV. Шифрование.

Шифрование — это краеугольный камень всех служб информационной безопасности, будь то система аутентификации или авторизации, средства создания защищенного канала или способ безопасного хранения данных.

Любая процедура шифрования, превращающая информацию из обычного «понятного» вида в «нечитабельный» зашифрованный вид, естественно, должна быть дополнена процедурой дешифрирования, которая, будучи примененной к зашифрованному тексту, снова приводит его в понятный вид. Пара процедур — шифрование и дешифрирование — называется криптосистемой.

Информацию, над которой выполняются функции шифрования и дешифрирования, будем условно называть «текст», учитывая, что это может быть также числовой массив или графические данные.

В современных алгоритмах шифрования предусматривается Наличие параметра — секретного ключа. В криптографии принято правило Керкхоффа: «Стойкость шифра должна определяться только секретностью ключа». Так, все стандартные алгоритмы шифрования (например, DES, PGP) широко известны, их детальное описание содержится в легко доступных документах, но от этого их эффективность не снижается. Злоумышленнику может быть все известно об алгоритме шифрования, кроме секретного ключа (следует отметить, однако, что существует немало фирменных алгоритмов, описание которых не публикуется).

Алгоритм шифрования считается раскрытым, если найдена процедура, позволяющая подобрать ключ за реальное время. Сложность алгоритма раскрытия является одной из важных характеристик криптосистемы и называется криптостойкостъю.

Существуют два класса криптосистем — симметричные и асимметричные. В симметричных схемах шифрования (классическая криптография) секретный ключ зашифровки совпадает с секретным ключом расшифровки. В асимметричных схемах шифрования (криптография с открытым ключом) открытый ключ зашифровки не совпадает с секретным ключом расшифровки.

22. Отказоустойчивость файловых и дисковых систем.

I.Отказоустойчивость файловых и дисковых систем.

Протоколирование транзакций

Проблемы, связанные с восстановлением файловой системы, могут быть решены при помощи техники протоколирования транзакций, которая сводится к следую­щему. В системе должны быть определены транзакции (transactions) — недели­мые работы, которые не могут быть выполнены частично. Они либо выполняют­ся полностью, либо вообще не выполняются.

Модель неделимой транзакции пришла из бизнеса. Пусть, например, идет пере­говорный процесс двух фирм о покупке-продаже некоторого товара. В процессе переговоров условия договора могут многократно меняться, уточняться. Пока до­говор еще не подписан обеими сторонами, каждая из них может от него отказать­ся. Но после подписания контракта сделка (транзакция) должна быть выполнена от начала и до конца. Если же контракт не подписан, то любые действия, кото­рые были уже проделаны, отменяются или объявляются недействительными.

В файловых системах такими транзакциями являются операции ввода-вывода, изменяющие содержимое файлов, каталогов или других системных структур файловой системы (например, индексных дескрипторов ufs или элементов FAT). Пусть к файловой системе поступает запрос на выполнение той или иной опера­ции ввода-вывода. Эта операция включает несколько шагов, связанных с созда­нием, уничтожением и модификацией объектов файловой системы. Если все подоперации были благополучно завершены, то транзакция считается выполнен­ной. Это действие называется фиксацией (committing) транзакции. Если же одна или более подопераций не успели выполниться из-за сбоя питания или краха ОС, тогда для обеспечения целостности файловой системы все измененные в рамках транзакции данные файловой системы должны быть возвращены точно в то состояние, в котором они находились до начала выполнения транзакции.

Так, например, транзакцией может быть представлена операция удаления файла. Действительно, для целостности файловой системы необходимо, чтобы все тре­буемые при выполнении данной операции изменения каталога и таблицы рас­пределения дисковой памяти были сделаны в полном объеме. Либо, если во вре­мя операции произошел сбой, каталог и таблица распределения памяти должны быть приведены в исходное состояние.

С другой стороны, в файловой системе существуют операции, которые не изме­няют состояния файловой системы и которые вследствие этого нет необходимо­сти рассматривать как транзакции. Примерами таких операций являются чтение файла, поиск файла на диске, просмотр атрибутов файла.

Незавершенная операция с диском несет угрозу целостности файловой системы. Каким же образом файловая система может реализовать свойство транзакций «все или ничего»? Очевидно, что решение в этом случае может быть одно — не­обходимо протоколировать (запоминать) все изменения, происходящие в рам­ках транзакции, чтобы на основе этой информации в случае прерывания тран­закции можно было отменить все уже выполненные подоперации, то есть сделать так называемый откат транзакции.

В файловых системах с кэшированием диска для восстановления системы после сбоя кроме отката незавершенных транзакций необходимо выполнить дополни­тельное действие — повторение зафиксированных транзакций. Когда происхо­дит сбой по питанию или крах ОС, все данные, находящиеся в оперативной памяти, теряются, в том числе и модифицированные блоки данных, которые ме­неджер дискового кэша не успел вытолкнуть на диск. Единственный способ вос­становить утерянные изменения данных — это повторить все завершенные тран­закции, которые участвовали в модификации этих блоков. Чтобы обеспечить возможность повторения транзакций, система должна включать в протокол не только данные, которые могут быть использованы для отката транзакции, но и данные, которые позволят в случае необходимости повторить всю транзакцию.

///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

При восстановлении часто возникают ситуации, когда система пытается отменить тран­закцию, которая уже была отменена или вообще не выполнялась. Аналогично при повто­рении некоторой транзакции может оказаться, что она уже была выполнена. Учитывая это, необходимо так определить подоперации транзакции, чтобы многократное выполне­ние каждой из этих подопераций не имело никакого добавочного эффекта по сравнению с первым выполнением этой подоперации. Такое свойство операции называется идемпо­тентностью (idempotency). Примером идемпотентной операции может служить, напри­мер, многократное присвоение переменной некоторого значения (сравните с операциями инкремента и декремента).

Для восстановления файловой системы используется упреждающее протоколи­рование транзакций. Оно заключается в том, что перед изменением какого-либо блока данных на диске или в дисковом кэше производится запись в специаль­ный системный файл — журнал транзакций (log file), где отмечается, какая тран­закция делает изменения, какой файл и блок изменяются и каковы старое и новое значения изменяемого блока. Только после успешной регистрации всех подопера­ций в журнале делаются изменения в исходных блоках. Если транзакция преры­вается, то информация журнала регистрации используется для приведения фай­лов, каталогов и служебных данных файловой системы в исходное состояние, то есть производится откат. Если транзакция фиксируется, то и об этом делается запись в журнал регистрации, но новые значения измененных данных сохраня­ются в журнале еще некоторое время, чтобы сделать возможным повторение тран­закции, если это потребуется.

Избыточные дисковые подсистемы RAID

В основе средств обеспечения отказоустойчивости дисковой памяти лежит об­щий для всех отказоустойчивых систем принцип избыточности, и дисковые под­системы RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks, дословно — «избыточный массив недорогих дисков») являются примером реализации этого принципа. Идея технологии RAID-массивов состоит в том, что для хранения данных использует­ся несколько дисков, даже в тех случаях, когда для таких данных хватило бы места на одном диске. Организация совместной работы нескольких централизо­ванно управляемых дисков позволяет придать их совокупности новые свойства, отсутствовавшие у каждого диска в отдельности.

RAID-массив может быть создан на базе нескольких обычных дисковых уст­ройств, управляемых обычными контроллерами, в этом случае для организации управления всей совокупностью дисков в операционной системе должен быть установлен специальный драйвер. В Windows NT, например, таким драйвером является FtDisk — драйвер отказоустойчивой дисковой подсистемы. Сущест­вуют также различные модели дисковых систем, в которых технология RAID реализуется полностью аппаратными средствами, в этом случае массив дисков управляется общим специальным контроллером.

Дисковый массив RAID представляется для пользователей и прикладных про­грамм единым логическим диском. Такое логическое устройство может обладать различными качествами в зависимости от стратегии, заложенной в алгоритмы работы средств централизованного управления и размещения информации на всей совокупности дисков. Это логическое устройство может, например, обладать по­вышенной отказоустойчивостью или иметь производительность, значительно боль­шую, чем у отдельно взятого диска, либо обладать обоими этими свойствами. Различают несколько вариантов RAID-массивов, называемых также уровнями: RAID-0, RAID-1, RAID-2, RAID-3, RAID-4, RAID-5 и некоторые другие. При оценке эффективности RAID-массивов чаще всего используются следую­щие критерии:

Q степень избыточности хранимой информации (или тесно связанная с этим критерием стоимость хранения единицы информации);

Q производительность операций чтения и записи; Q степень отказоустойчивости.

В логическом устройстве RAID-0 (рис. 8.12) общий для дискового массива кон­троллер при выполнении операции записи расщепляет данные на блоки и пере­дает их параллельно на все диски, при этом первый блок данных записывается на первый диск, второй — на второй и т. д. Различные варианты реализации тех­нологии RAID-0 могут отличаться размерами блоков данных, например в набо­рах с чередованием, представляющих собой программную реализацию RAID-0 в Windows NT, на диски поочередно записываются полосы данных (strips) по 64 Кбайт. При чтении контроллер мультиплексирует блоки данных, поступаю­щие со всех дисков, и передает их источнику запроса.