Luận văn Bảo mật trong môi trường lưới với tiếp cận hướng tác từ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BẢO MẬT TRONG MÔI TRƯỜNG LƯỚI VỚI TIẾP CẬN HƯỚNG TÁC TỬ LÊ HUY CƯỜNG HÀ NỘI 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ------------------------------------- LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC BẢO MẬT TRONG MÔI TRƯỜNG LƯỚI VỚI TIẾP CẬN HƯỚNG TÁC TỬ NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ: LÊ HUY CƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THANH THỦY HÀ NỘI 2006 MỤC LỤC MỤC LỤC......................................................................................................... 1 LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 3 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT............................................. 5 DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................... 6 Chương 1. Tổng quan tính toán lưới, bảo mật trên môi trường lưới ................ 8 1.1. Tính toán lưới ......................................................................................... 8 1.1.1. Giới thiệu về tính toán lưới ............................................................. 8 1.1.2. Lợi ích của tính toán lưới .............................................................. 10 1.1.3. Các vấn đề cơ bản của một lưới .................................................... 12 1.1.4. Kiến trúc lưới ................................................................................ 14 1.2. Các khái niệm cơ bản về bảo mật ........................................................ 15 1.2.1. Một số thuật ngữ cơ bản................................................................ 15 1.2.2. Mã hóa thông tin sử dụng khóa..................................................... 16 1.2.3. Mã hóa đối xứng ........................................................................... 17 1.2.4. Mã hóa công khai .......................................................................... 18 1.2.5. Chữ ký điện tử............................................................................... 19 1.2.6. Giấy chứng nhận điện tử và Nhà chứng nhận thẩm quyền........... 21 1.3. Cơ chế bảo mật trong môi trường lưới................................................. 25 1.4. Các chính sách bảo mật trong môi trường lưới.................................... 28 1.5. Giới thiệu về hạ tầng bảo mật lưới GSI ............................................... 30 1.5.1. Cơ sở hạ tầng khóa công khai ....................................................... 30 1.5.2. Bảo mật mức thông điệp và mức giao vận.................................... 31 1.5.3. So sánh hiệu năng của bảo mật mức thông điệp với mức giao vận ................................................................................................................. 32 1.5.4. Giấy ủy nhiệm............................................................................... 34 1.5.5. Sự ủy quyền................................................................................... 35 1.5.6. Chứng thực.................................................................................... 35 1.5.7. Ứng dụng của GSI......................................................................... 36 Chương 2. An toàn bảo mật trong Globus Toolkit 4 ...................................... 37 2.1. Giới thiệu về GT4 ................................................................................ 37 2.1.1. GT4, OGSA và WSRF.................................................................. 37 2.1.2. Giới thiệu chung về dịch vụ web .................................................. 40 2.1.3. WSRF - nền tảng tài nguyên dịch vụ web .................................... 48 2.1.4. Kiến trúc Globus Toolkit 4 ........................................................... 53 2.2. Các thành phần bảo mật trong GT4 ..................................................... 55 2.3. Ví dụ minh họa: cài đặt bảo mật trong GRAM.................................... 57 Chương 3. Ứng dụng công nghệ tác tử trong tính toán lưới ........................... 61 2 3.1. Tác tử.................................................................................................... 61 3.1.1. Khái niệm tác tử ............................................................................ 61 3.1.2. Hệ đa tác tử ................................................................................... 66 3.1.3. Truyền thông giữa các tác tử......................................................... 73 3.2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ tác tử trong lưới................................ 76 3.3. Các hướng tiếp cận tích hợp công nghệ tác tử trong lưới.................... 77 3.4. Hướng triển khai công nghệ tác tử trong hệ thống BKGrid2006 ........ 79 3.4.1. Kiến trúc hệ thống BKGrid2006................................................... 79 3.4.2. Xây dựng các tác tử giúp đơn giản hóa việc thương lượng sử dụng dịch vụ ..................................................................................................... 81 Chương 4. Xây dựng môđun bảo mật trong BKGrid 2006 ............................ 84 4.1. Yêu cầu cần thiết xây dựng môđun quản trị người dùng..................... 84 4.2. Kiến trúc môđun quản trị người dùng.................................................. 86 4.3. Thiết kế chi tiết..................................................................................... 89 4.3.1. Nhà chứng nhận thẩm quyền ........................................................ 89 4.3.2. Thành phần Quản lý giấy ủy nhiệm.............................................. 91 4.3.3. Thành phần Quản lý ánh xạ người dùng....................................... 91 4.3.4. Tích hợp với các chức năng quản lý người dùng cơ bản.............. 92 4.3.5. Đảm bảo an toàn cho môđun quản trị người dùng........................ 93 4.4. Tích hợp vào hệ thống BKGrid 2006................................................... 94 4.5. Hướng dẫn sử dụng .............................................................................. 95 4.6. Triển khai thử nghiệm.......................................................................... 97 4.6.1. Cấu hình triển khai ........................................................................ 97 4.6.2. Kết quả triển khai .......................................................................... 99 Chương 5. Kết luận ....................................................................................... 102 5.1. Kết quả đạt được ................................................................................ 102 5.2. Hướng phát triển ................................................................................ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................. 104 3 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ tính toán lưới đã và đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Tuy nhiên, hiện tại ở Việt Nam công nghệ này vẫn còn khá mới mẻ. Để bắt kịp với xu thế chung của thế giới, Trung tâm Tính toán hiệu năng cao, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã triển khai đề tài Tính toán lưới nhằm mục đích tìm hiểu làm chủ công nghệ và ứng dụng vào thực tiễn. Lưới tính toán là một tập bao gồm nhiều tài nguyên phân tán và không đồng nhất, các tài nguyên này thuộc về nhiều tổ chức khác nhau. Do vậy, trong hệ thống lưới, vấn đề an ninh và bảo mật luôn được đặt lên hàng đầu. Để trở thành người dùng của lưới, người dùng phải đáp ứng các yêu cầu phức tạp về bảo mật như: có giấy chứng nhận, được người quản trị cấp phép truy cập, mỗi lần truy cập vào tài nguyên phải tạo giấy ủy nhiệm để tương tác với các tài nguyên. Điều đó làm khó khăn cho người sử dụng, nhất là người sử dụng không có hiểu biết về bảo mật lưới. Nhiệm vụ của luận văn "Bảo mật trong môi trường lưới với tiếp cận hướng tác tử " là nghiên cứu các cơ sở hạ tầng bảo mật lưới và ứng dụng của công nghệ tác tử trong tính toán lưới, áp dụng vào xây dựng môđun quản trị người dùng trong hệ thống lưới BKGrid 2006. Mục đích của môđun quản trị người dùng là làm cho các yêu cầu về bảo mật trở nên trong suốt đối với người dùng. Cấu trúc của luận văn được chia thành 5 chương: ¾ Chương 1: Tổng quan về tính toán lưới, bảo mật trong môi trường lưới ¾ Chương 2: An toàn bảo mật trong Globus Toolkit 4.03 ¾ Chương 3: Ứng dụng công nghệ tác tử trong tính toán lưới ¾ Chương 4: Kiến trúc hệ thống BKGrid 2006 và mô đun bảo mật ¾ Chương 5: Kết quả đạt được và hướng phát triển 4 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự hỗ trợ rất quý báu từ các thầy cô giáo, các cán bộ và các thành viên khác của Trung tâm Tính toán hiệu năng cao và của Trung tâm máy tính Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Thanh Thủy, Giám đốc Trung tâm Tính toán hiệu năng cao, người đã tận tình chỉ bảo, cung cấp cơ sở vật chất và các điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em xin chân thành cảm ơn TS. Lê Đăng Hưng, thầy đã đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn ThS. Đinh Hùng, thầy đã động viên và tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các bạn sinh viên của cả 2 nhóm GCK46 và HPCK46. Các bạn đã giúp tôi rất nhiều trong việc tìm hiểu và triển khai hệ thống lưới tính toán trên Trung tâm máy tính. Hà Nội, ngày 20 tháng 10 năm 2006 Học viên thực hiện Lê Huy Cường 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Thuật ngữ Giải thích 1 ACL Agent Communication Language 2 AID Agent Identification 3 AMS Agent management System 4 AP Agent Platform 5 DF Directory Facilitator 6 GSI Grid Security Infrastructure 7 GT Globus Toolkit 8 HAP Home Agent Platform 9 KQML Knowledge Query and Manipulation Language 10 MAS MultiAgent System 11 MTS Message Transport Service 12 OGSA Open Grid Services Architecture 13 PKI Public Key Infrastructure 14 SSL/TLS Secure Socket Layer/Transport Layer Security 15 UDDI Universal Description Discovery and Integration 16 WSRF Web Services Resource Framework 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Tính toán lưới với tài nguyên phân tán ............................................. 8 Hình 1.2. Công việc được chuyển sang các nút ít bận hơn............................. 12 Hình 1.3. Kiến trúc phân tầng của lưới ........................................................... 15 Hình 1.4. Mã hóa bản tin sử dụng khóa .......................................................... 16 Hình 1.5. Giải mã thông điệp sử dụng khóa giải ............................................ 17 Hình 1.6. Mã đối xứng .................................................................................... 17 Hình 1.7. Giải thuật mã hóa không đối xứng.................................................. 18 Hình 1.8. Chữ ký điện tử và mã hóa công khai .............................................. 19 Hình 1.9. Giấy chứng nhận ............................................................................. 21 Hình 1.10. Giấy chứng nhận theo chuẩn X509............................................... 22 Hình 1.11. Cấu trúc phân cấp Nhà chứng nhận thẩm quyền .......................... 24 Hình 1.12. Tổ chức ảo..................................................................................... 26 Hình 1.13. Đưa các miền chính sách phân tán vào trong một miền tin tưởng chung trong tổ chức ảo .................................................................................... 27 Hình 1.14. Bảo mật mức giao vận................................................................... 32 Hình 1.15. Bảo mật mức thông điệp ............................................................... 32 Hình 2.1. Quan hệ giữa OGSA, GT4, WSRF và các dịch vụ web ................. 39 Hình 2.2. Các dịch vụ web .............................................................................. 40 Hình 2.3. Một triệu gọi dịch vụ web điển hình............................................... 42 Hình 2.4. Kiến trúc dịch vụ web ..................................................................... 43 Hình 2.5. Client và server stub được sinh ra từ file WSDL............................ 44 Hình 2.6. Chi tiết một triệu gọi dịch vụ web điển hình .................................. 45 Hình 2.7. Kiến trúc phía server của một ứng dụng dịch vụ web .................... 47 Hình 2.8. Một triệu gọi dịch vụ web phi trạng thái......................................... 49 Hình 2.9. Một triệu gọi dịch vụ web có trạng thái .......................................... 49 Hình 2.10. Cách tiếp cận tài nguyên cho vấn đề trạng thái của dịch vụ web . 50 Hình 2.11. Một dịch vụ web với nhiều tài nguyên, mỗi tài nguyên biểu diễn một file ............................................................................................................ 51 Hình 2.12. Dịch vụ web – tài nguyên ............................................................. 52 Hình 2.13. Kiến trúc Globus Toolkit 4 ........................................................... 54 Hình 2.14. Ví dụ về việc sử dụng một dịch vụ bởi một dịch vụ khác ............ 56 Hình 2.15. Cơ chế thực hiện của GRAM........................................................ 58 Hình 3.1. Sự phụ thuộc các hành động giữa các tác tử................................... 72 Hình 3.2. Truyền thông giữa các tác tử........................................................... 73 Hình 3.3. Kiến trúc BKGrid 2006................................................................... 79 Hình 3.4. Tác tử hỗ trợ thương lượng sử dụng dịch vụ lưới........................... 83 Hình 4.1. Minh hoạ về giấy chứng nhận, giấy uỷ nhiệm................................ 84 7 Hình 4.2. Kiến trúc môđun quản trị người dùng............................................. 87 Hình 4.3. Kiến trúc Nhà chứng nhận thẩm quyền .......................................... 89 Hình 4.4. Sơ đồ lớp Nhà chứng nhận thẩm quyền.......................................... 90 Hình 4.5. Sơ đồ lớp thành phần Quản lý giấy ủy nhiệm................................. 91 Hình 4.6. Sơ đồ lớp MapService..................................................................... 92 Hình 4.7. Lưu đồ tạo người dùng.................................................................... 93 Hình 4.8. Tương tác giữa môđun đệ trình công việc với môđun quản trị người dùng................................................................................................................. 95 Hình 4.9. Sơ đồ triển khai thử nghiệm............................................................ 97 Hình 4.10. Xem thông tin về giấy ủy nhiệm................................................... 99 Hình 4.11. Tạo mới giấy ủy nhiệm ............................................................... 100 Hình 4.12. Dịch vụ MathService .................................................................. 101 8 Chương 1. Tổng quan tính toán lưới, bảo mật trên môi trường lưới 1.1. Tính toán lưới 1.1.1. Giới thiệu về tính toán lưới Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật và công nghệ, đã xuất hiện những bài toán trong nhiều lĩnh vực đòi hỏi sức mạnh tính toán mà một máy tính riêng lẻ không thể làm được. Ngoài ra, nhìn chung mọi người đều muốn có được khả năng chia sẻ tài nguyên trên phạm vi toàn cầu, khả năng tận dụng các phần mềm cũng như tài nguyên vật lý phân tán cả về mặt địa lý. Tính toán lưới ra đời nhằm giải quyết các yêu cầu trên. Hình 1.1. Tính toán lưới với tài nguyên phân tán Tính toán lưới tuy không còn là một khái niệm quá mới mẻ (được đưa ra lần đầu tiên vào năm 1998 bởi I. Forster và C. Kesselman [3]), nhưng hiện tại vẫn phát triển rất mạnh mẽ và còn rất nhiều vấn đề cần giải quyết. Một trong 9 những vấn đề đó là việc đưa ra được một định nghĩa hoàn chỉnh và chuẩn về lưới. Từ trước đến nay, mỗi tổ chức, cá nhân tùy theo cách quan niệm và thực tế xây dựng hệ thống của mình mà đưa ra những định nghĩa khác nhau về lưới. Chẳng hạn như: - Định nghĩa 1: Một lưới tính toán là một cơ sở hạ tầng phần cứng và phần mềm cung cấp khả năng truy nhập nhất quán, tin cậy, qui mô và rẻ tới các tài nguyên tính toán mạnh. I. Foster, C. Kesselman (1999) - Định nghĩa 2: Tính toán lưới liên quan tới việc chia sẻ, điều phối tài nguyên và giải quyết vấn đề trong phạm vi các tổ chức ảo. I. Foster, C. Kesselman, S. Tuecke, “Anatomy of the Grid“ (2000) - Định nghĩa 3: Một lưới là một hệ thống có các đặc trưng: • Tài nguyên được điều phối một cách phi tập trung • Sử dụng các giao thức chuẩn, mở và đa năng • Cung cấp chất lượng dịch vụ không tầm thường I. Foster‘s Three-Point Checklist (HPCWIRE - 22.07.2002) Mỗi tác giả khi đưa ra định nghĩa đều đứng trên một số quan niệm nhất định. Chẳng hạn định nghĩa 1 bị ảnh hưởng một cách sâu sắc bởi các dự án siêu tính toán (meta-computing) trước đó. Định nghĩa 2 tập trung vào sự quan trọng của các giao thức như là phương tiện để tương tác giữa các thành phần, còn định nghĩa 3 “có thể sẽ thích hợp hơn cho các nghiên cứu về lưới có qui mô rất lớn trong tương lai. Định nghĩa này đã bỏ qua nhiều đóng góp từ các tổ chức công nghiệp, do đó có lẽ là không xác đáng” (W. Gentzsch, HPCWIRE 05.08.2002). 10 Vì vậy, để có được một cái nhìn toàn diện về lưới, luận văn không đưa ra một định nghĩa cụ thể nào. Thay vào đó, chúng ta xem xét khái niệm lưới trên cơ sở các đặc trưng sau: - Kích thước lớn: theo nghĩa số lượng các tài nguyên tiềm tàng và khoảng cách về mặt địa lý giữa chúng. - Phân tán: có độ trễ đáng kể trong truyền dữ liệu và điều này có thể ảnh hưởng lớn đến ứng dụng. - Động: các tài nguyên có thể thay đổi khi ứng dụng đang được thực hiện - Hỗn tạp: kiến trúc và tính chất của các nút lưới có thể là hoàn toàn khác nhau - Vượt qua phạm vi một tổ chức: có nhiều trạm và các chính sách truy nhập có thể khác nhau trên các trạm. Có thể hình dung đơn giản một lưới bao gồm một tập các tài nguyên đa dạng (còn gọi là các nút lưới - có thể là PC, cluster, hệ thống lưu trữ, …) thuộc về nhiều tổ chức nhằm giải quyết một bài toán nào đó 1.1.2. Lợi ích của tính toán lưới Các lợi ích mà tính toán lưới mang lại bao gồm: - Khai thác các tài nguyên nhàn rỗi: một trong những lợi ích cơ bản của tính toán lưới là khả năng chạy ứng dụng trên một tài nguyên khác. Thống kê cho thấy, đối với các máy tính để bàn, trong một ngày làm việc thì chỉ có khoảng 5% thời gian là bận, còn lại là rỗi [4]. Việc tận dụng khoảng thời gian rỗi này để chạy các ứng dụng khác là một việc làm rất hiệu quả và kinh tế. - Cung cấp khả năng xử lý song song: khả năng chạy ứng dụng song song là tính năng thú vị nhất mà tính toán lưới mang lại. Lúc này, một 11 công việc được chia thành nhiều công việc con, các công việc con này được thực hiện đồng thời trên các tài nguyên khác nhau của lưới. Do đó, thời gian chạy ứng dụng sẽ được rút ngắn nhiều lần. Tuy nhiên, vấn đề là không phải ứng dụng nào cũng có thể triển khai theo cách này được. Cần xem xét các yếu tố như khả năng song song hóa, sự trao đổi giữa các công việc con khi chạy để đánh giá xem một ứng dụng có thực sự hiệu quả khi được triển khai trên lưới hay không. - Giúp truy nhập các tài nguyên khác: ngoài tài nguyên tính toán và lưu trữ, lưới còn cung cấp các loại tài nguyên khác, chẳng hạn đường truyền mạng, các phần mềm đắt tiền. Ví dụ như nếu một người dùng muốn tăng thông lượng kết nối tới Internet để thực hiện khai phá dữ liệu, anh ta có thể tận dụng các kết nối Internet riêng biệt của các nút lưới khác để chạy bài toán trên. - Giúp cân bằng trong sử dụng tài nguyên: lưới cung cấp khả năng lập lịch, giúp phân bổ các công việc lên các nút một cách hợp lý, tránh tình trạng bị quá tải ở bất kì một nút nào. - Giúp hợp tác giữa các tổ chức: sự hợp tác được thể hiện thông qua khái niệm tổ chức ảo - sự kết hợp nhiều tổ chức thực cùng mục tiêu. Thông qua mô hình tổ chức ảo, các tổ chức thực có thể chia sẻ tài nguyên như dữ liệu, các thiết bị đặc biệt. 12 Hình 1.2. Công việc được chuyển sang các nút ít bận hơn - Mang lại độ tin cậy: khái niệm tin cậy trong tính toán lưới được thể hiện ở các khía cạnh sau: một là, trong lưới có những tài nguyên tính toán đắt tiền, cung cấp độ tin cậy cao cho những bài toán được thực hiện trên chúng. Hai là, lưới cung cấp khả năng lập lịch lại, phân bổ lại công việc nếu có lỗi xảy ra. Ba là, nếu cần, một công việc có thể được chạy đồng thời trên nhiều nút, cho nên việc xảy ra lỗi ở một nút sẽ không làm ảnh hưởng đến kết quả của công việc đó. 1.1.3. Các vấn đề cơ bản của một lưới Có 4 vấn đề cơ bản được quan tâm và xem xét khi đề cập đến tính toán lưới [5], đó là: 13 - An toàn và bảo mật (Security): Một nền tảng bảo mật vững chắc sẽ quyết định sự phát triển của môi trường tính toán lưới. Với tính chất quy mô lớn, quan hệ chia sẻ tài nguyên giữa nhiều tổ chức, an toàn và bảo mật luôn phải được coi là một trong những yếu tố hàng đầu trong lưới. Hai vấn đề quan trọng trong an toàn bảo mật phải xem xét trong tính toán lưới là: o Chứng thực người dùng (Authentication) o Xác thực thẩm quyền (Authorization). - Lập lịch và quản lý tài nguyên (Resource Management and Scheduling): Các tài nguyên lưới thường phân tán và không đồng nhất. Do đó, việc tích hợp, đồng bộ hóa và biểu diễn chúng dưới một dạng thống nhất là một yêu cầu tất yếu. Trong môi trường tính toán lưới, tại một thời điểm có thể có rất nhiều ứng dụng cùng truy cập chia sẻ một hoặc nhiều tài nguyên khác nhau, do vậy cần có một bộ lập lịch nhằm tối ưu hóa các công việc. Bộ lập lịch phải dựa vào các thông tin trên toàn bộ lưới để quyết định thứ tự đệ trình công việc. - Dịch vụ thông tin (Information Service): Đối với một môi trường động và không đồng nhất như tính toán lưới thì các thông tin về các thành phần trong lưới sẽ thay đổi liên tục. Chính vì vậy, dịch vụ thông tin cần cung cấp cơ chế tự động cập nhật và đăng ký các thông tin về toàn hệ thống như kiến trúc các tài nguyên, các dịch vụ có thể cung cấp trên lưới, trạng thái của toàn bộ môi trường lưới. - Quản lý dữ liệu (Data Management): Việc truy cập các nguồn dữ liệu trên lưới đòi hỏi một khả năng trao đổi, tương tác với các dữ liệu có thể lên đến giga bytes hoặc hơn thế nữa. Điều này đòi hỏi tính toán lưới 14 phải có các chiến lược lưu trữ cũng như tối ưu hóa các hệ thống lưu trữ. 1.1.4. Kiến trúc lưới Theo [6], một lưới bao gồm các thành phần sau (hình 1.3): - Tầng nền (Fabric): bao gồm các tài nguyên phân tán, các tài nguyên này có thể có kiến trúc và tính chất rất khác nhau. - Tầng trung gian lưới (Core Middleware): cung cấp các dịch vụ cơ bản của lưới như quản lý truy nhập từ xa, định vị tài nguyên, đăng ký và khám phá tài nguyên, bảo mật. - Tầng trung gian phía người dùng (User level middleware): bao gồm môi trường phát triển ứng dụng, các công cụ lập trình và các bộ môi giới tài nguyên nhằm lựa chọn các tài nguyên phù hợp và thực hiện công việc trên các tài nguyên đó. - Các ứng dụng lưới và portal: tầng trên cùng là các ứng dụng lưới được phát triển bởi các công cụ hỗ trợ. Grid Portal cung cấp giao diện Web cho các ứng dụng lưới, giúp người dùng có thể đệ trình công việc và tập hợp kết quả thông qua Web. 15 Hình 1.3. Kiến trúc phân tầng của lưới 1.2. Các khái niệm cơ bản về bảo mật 1.2.1. Một số thuật ngữ cơ bản Chủ thể: là một thành viên của các hoạt động bảo mật. Đối với môi trường lưới, chủ thể thường là người dùng, tài nguyên hay các tiến trình thay mặt cho các tài nguyên đó. Giấy ủy nhiệm: là thông tin dùng để cung cấp định danh cho chủ thể để xác định tên và vai trò của chủ thể đó. Chứng thực: là tiến trình để chủ thể chứng minh định danh của mình cho đối tượng được yêu cầu. Chứng thực hai bên (bên yêu cầu và bên được yêu 16 cầu) là quá trình hai bên chứng thực lẫn nhau, còn gọi là chứng thực đa phương. Đối tượng: là các tài nguyên được bảo vệ bởi một chính sách bảo mật địa phương cụ thể. Xác thực thẩm quyền: là tiến trình mà thông qua đó, ta xác định được một chủ thể có được phép truy nhập và sử dụng tài nguyên hay không. Miền tin tưởng: là cấu trúc quản lý mức logic, do một chính sách bảo mật ổn định, đơn lẻ mức địa phương nắm giữ, hay nói cách khác, nó là một tập các chủ thể và đối tượng được quản lý bởi đơn miền quản trị và chính sách bảo mật cục bộ. 1.2.2. Mã hóa thông tin sử dụng khóa Để truyền tin an toàn, thông tin gửi đi sẽ được người gửi mã hóa bằng khóa mã và người nhận để đọc được thông tin đã được mã hóa này anh(chị) ta sẽ phải sử dụng khóa giải để giải mã. Người gửi mã hóa thông tin bằng khóa mã và gửi cho người nhận: Hình 1.4. Mã hóa bản tin sử dụng khóa Người nhận sử dụng khóa giải để giải mã thông tin. 17 Hình 1.5. Giải mã thông điệp sử dụng khóa giải Sau đây, ta sẽ xem xét hai phương pháp mã hóa thông dụng là mã đối xứng và mã công khai. 1.2.3. Mã hóa đối xứng Mã hóa đối xứng sử dụng cùng một khóa cho quá trình mã hóa và giải mã. Trong đó, hàm giải mã là hàm ngược của hàm mã hóa. Hình 1.6. Mã đối xứng Mặc dù các phương pháp mã hóa đối xứng thường có tốc độ cao và dễ cài đặt, nhưng chúng lại có nhiều yếu điểm. Một nhược điểm chính đó là vì cả người gửi và người nhận đều sử dụng cùng một khóa mã do đó cần phải có sự trao đổi thông tin thống nhất khóa thông qua một kênh mật. Đây là một vấn đề lớn trong an toàn và bảo mật. 18 Các hệ thống bảo mật ngày nay thường sử dụng các thuật toán mã hóa bất đối xứng (các khóa mã và khóa giải khác nhau). Mã hóa công khai là một giải pháp được sử dụng phổ biến ngày nay. 1.2.4. Mã hóa công khai Hình 1.7. Giải thuật mã hóa không đối xứng Nền tảng của mã hóa công khai là khóa mã và khóa giải là khác nhau. Các khóa này được xây dựng bằng cách chỉ ra một hàm bẫy sập một chiều. Đồng thời, cũng chỉ ra một cửa bẫy (Trap-door). Trong hai khóa đó, một khóa được chọn làm khóa bí mật và khóa còn lại được chọn làm khóa công khai. Khóa bí mật chỉ có một người là chủ nhân của nó nắm giữ. Khóa công khai được công bố rộng rãi cho bất cứ ai muốn trao đổi thông tin mật với người sở hữu khóa. Khóa công khai được sử dụng để mã hóa thông tin và khóa bí mật được sử dụng để giải mã. Đối với hệ thống mã hóa công khai, độ phức tạp giải mã thường là hàm mũ trong khi độ phức tạp giải mã của hệ thống mã đối xứng thường chỉ là tuyến tính. Quá trình giao tiếp giữa hai đối tượng A và B có thể được mô tả như sau: B sinh ra một cặp khóa bí mật và công khai, khóa bí mật được cất 19 giữ một cách an toàn và được bảo vệ bằng một mật mã còn khóa công khai được cung cấp rộng rãi. A có thể sử dụng khóa công khai (được phát hành bởi B) để mã hóa thông tin và gửi cho B. Lúc này, chỉ duy nhất B, người sở hữu khóa bí mật, có thể giải mã thông tin được bằng khóa công khai. Ngoài ra, mã công khai còn đảm bảo được tính toàn vẹn của thông tin được mã hóa và còn được dùng trong các cơ chế xác thực. Tuy nhiên, một nhược điểm lớn duy nhất của hệ mã hóa công khai này là quá trình giải mã cũng như mã hóa mất nhiều thời gian. 1.2.5. Chữ ký điện tử Chữ ký được dùng để xác định tính hợp thức của những văn bản trong các quá trình giao dịch. Do đó, chữ ký là đặc trưng cho từng cá nhân. Chữ ký điện tử là một hàm phụ thuộc vào thông tin mà nó ký. Trong giao dịch, chữ ký điện tử được coi là một thông tin gắn liền với giao dịch. Hình 1.8. Chữ ký điện tử và mã hóa công khai 20 Chữ ký điện tử cho một thông điệp được sản sinh theo 2 bước: 1. Bản tin đầu tiên được băm sử dụng một hàm băm thích hợp để đảm bảo tính toàn vẹn của thông tin ban đầu gọi là thông điệp băm. Hàm băm có chức năng biến đổi các xâu vào có độ dài thay đổi thành những xâu có độ dài cố định và ngắn hơn các xâu vào rất nhiều. 2. Tiếp đó, bản tin đã được băm này được mã hóa sử dụng khóa bí mật của người gửi. Kết quả ta thu được một chữ ký điện tử. Chữ ký điện tử này được gửi kèm với bản tin tới người nhận. Người nhận sẽ phải thực hiện các công việc sau: 1. Sử dụng khóa công khai của người gửi giải mã chữ ký điện tử để thu được thông điệp băm của người gửi. 2. Sử dụng thuật toán băm đã được người gửi sử dụng để băm bản tin nhận được thành một thông điệp băm. 3. So sánh thông điệp băm sau khi băm với thông điệp băm của người gửi. Nếu chúng khác nhau chứng tỏ nội dung của bản tin nhận được đã bị thay đổi so với bản tin ban đầu của người gửi. Đồng thời, ta cũng có thể khẳng định đây là chữ ký điện tử của người gửi bởi vì chữ ký điện tử được mã hóa bằng khóa bí mật của người gửi và do đó, chỉ khóa công khai của người gửi mới có thể giải mã được chữ ký điện tử tương ứng. Việc kết hợp mã hóa công khai với chữ ký điện tử cho phép ta xác định được tính toàn vẹn của bản tin. Quá trình mô tả như trên chi tập trung vào xác định tính toàn vẹn của bản tin bởi vì bản tin khi gửi đi không được mã hóa. Điều này phù hợp với thực tế có những thông tin không cần che giấu nội dung mà chỉ cần bảo vệ tính toàn vẹn của nội dung (đảm bảo nội dung không bị thay đổi). Khi cần bảo mật nội dung bản tin, ta chỉ việc mã hóa nội dung của bản tin. 21 Tuy nhiên, với quá trình như trên không có gì đảm bảo rằng khóa công khai có đích thực là của người gửi hay không, có thể có một đối tượng khác giả danh, đánh tráo khoá công khai của người gửi. Chính vì vậy, cần có một cơ chế để đảm bảo xác nhận được khóa công khai mà ta đang sử dụng đích thực là của người mà ta cần giao tiếp. Giấy chứng nhận điện tử cho phép ta giải quyết vấn đề này. 1.2.6. Giấy chứng nhận điện tử và Nhà chứng nhận thẩm quyền Hình 1.9. Giấy chứng nhận Một giấy chứng nhận điện tử (gọi tắt là giấy chứng nhận) là một văn bản điện tử xác nhận một khoá công khai được sở hữu bởi một người cụ thể. Một giấy chứng nhận được cấp bởi một cơ quan có thẩm quyền gọi là Nhà chứng nhận thẩm quyền. Những người tham gia giao dịch cần có một kênh liên lạc bí mật với Nhà chứng nhận thẩm quyền. Một ví dụ về giao dịch điện tử giữa hai chủ thể A và B, thông qua một Nhà chứng nhận thẩm quyền S như sau: Bước 1. Xin các giấy chứng nhận: A trước khi giao dịch gửi khoá công khai cho S và S sẽ cấp một giấy chứng nhận CA. Thông tin từ A có thể gồm M = [ZA, Tên, Chu kỳ sử dụng, ...] trong đó có ZA là khoá công khai của A. Giấy 22 chứng nhận CA được S mã hoá sử dụng khoá bí mật của mình EZs(M)). Tương tự B cũng sẽ được S cấp cho một giấy chứng nhận CB. Bước 2. Giao dịch điện tử: A tìm giấy chứng nhận CB của B, kiểm định chữ ký điện tử của S đã kí lên CB. Nếu giấy chứng nhận CB đúng do S phát hành, A tách khoá công khai của B để mã hoá thông tin của mình và gửi cho B. Với việc sử dụng giấy chứng nhận, quá trình chứng thực có sự liên quan của ba bên A, B, S. Quá trình kiểm chứng rất nghiêm ngặt, S phải chứng minh là người phát hành các giấy chứng nhận, các thông tin mà A gửi cho B cũng bảo đảm bí mật, bởi vì nó đã được mã hóa bằng khóa công khai của B, chỉ có B mới có khóa bí mật để giải mã thông tin từ A. Chuẩn giấy chứng nhận X509 Đây là khuyến nghị về định dạng của giấy chứng nhận theo chuẩn X509. Một giấy chứng nhận chuẩn X509 là một văn bản chứa các thông tin theo định dạng sau: Hình 1.10. Giấy chứng nhận theo chuẩn X509 23 Subject: đây là tên của đối tượng xin cấp. Nó được mã hoá theo định dạng tên định danh (Distinguished Name) của đối tượng. Subject’s public key: bao gồm các thông tin về khoá và thuật toán sử dụng để sinh ra khoá công khai đó. Issuer’s Subject: tên định danh của Nhà chứng nhận thẩm quyền. Digital signature: chữ ký điện tử sinh ra bởi khoá bí mật của Nhà chứng nhận thẩm quyền. Chữ ký này có thể được kiểm định bằng khoá công khai của Nhà chứng nhận thẩm quyền. Tên định danh (Distinguished Name - DN): là tên gồm các cặp giá trị cách nhau bằng dấu phẩy. Ví dụ: "O=University of Technology, OU=Faculty of Information Technology, CN=HPC". Một tên định danh có nhiều trường, trong đó, có một số trường thông dụng là: - O: tên tổ chức (Organization). - OU: tên của đơn vị trong tổ chức đó (Organization Unit). - CN: tên đối tượng, thông thường là tên của người dùng (Common Name). - C: đất nước (Country). Tên định danh cho phép ta xác định được định danh duy nhất của một đối tượng trong tổ chức. Cấu trúc phân cấp Nhà chứng nhận thẩm quyền Mỗi đối tượng tham gia giao tiếp có thể tin tưởng các Nhà chứng nhận thẩm quyền khác nhau. Trong trường hợp này, cấu trúc phân cấp Nhà chứng nhận thẩm quyền sẽ cho phép các bên tham gia tin tưởng các Nhà chứng nhận thẩm quyền khác nhau vẫn có thể thiết lập các mối quan hệ tin cậy trong giao tiếp. 24 Trong hình 1.9, giấy chứng nhận của Borja được ký bởi Nhà chứng nhận thẩm quyền FOO. Ngược lại, giấy chứng nhận của Nhà chứng nhận thẩm quyền FOO được ký bởi Nhà chứng nhận thẩm quyền BAR. Cuối cùng giấy chứng nhận của BAR được ký bởi chính nó. Nếu chúng ta nhận được giấy chứng nhận của Borja mà không hoàn toàn tin tưởng Nhà chứng nhận thẩm quyền FOO, như vậy có nghĩa là giấy chứng nhận của Borja sẽ không được tin tưởng ngay. Chúng ta có thể kiểm tra xem giấy chứng nhận của Nhà chứng nhận thẩm quyền FOO có được cấp bởi một Nhà chứng nhận thẩm quyền mà ta tin tưởng hay không. Nếu Nhà chứng nhận thẩm quyền BAR nằm trong danh sách tin tưởng của ta, khi đó giấy chứng nhận của Borja được tin tưởng. Hình 1.11. Cấu trúc phân cấp Nhà chứng nhận thẩm quyền 25 Tuy nhiên, chú ý rằng Nhà chứng nhận thẩm quyền cấp cao tự ký giấy chứng nhận của mình. Điều này không hiếm thấy. Giấy chứng nhận này được gọi là giấy chứng nhận tự ký. Một Nhà chứng nhận thẩm quyền với một giấy chứng nhận tự ký được gọi là Nhà chứng nhận thẩm quyền gốc, bởi không có Nhà chứng nhận thẩm quyền nào ở trên nó. Để tin tưởng giấy chứng nhận được ký bởi một Nhà chứng nhận thẩm quyền, Nhà chứng nhận thẩm quyền gốc tương ứng phải nằm trong danh sách Nhà chứng nhận thẩm quyền được tin tưởng. 1.3. Cơ chế bảo mật trong môi trường lưới Khái niệm tổ chức ảo là một khái niệm rất quan trọng trong tính toán lưới. Tổ chức ảo là một tổ chức được lập ra động để giải quyết một vấn đề nào đó. Thành phần của tổ chức ảo bao gồm rất nhiều tài nguyên thuộc về nhiều tổ chức thực khác nhau trong môi trường lưới và cùng hoạt động vì một mục tiêu chung. Tùy theo mức độ của vấn đề cần giải quyết mà các tổ chức ảo có thể rất khác nhau về quy mô, phạm vi hoạt động, thời gian sống. Hình 1.12 minh họa về tổ chức ảo. Có một người dùng cần giải một bài toán lớn về dự báo thời tiết, anh ta thành lập một tổ chức ảo bằng cách thuê một số nguồn tài nguyên khác nhau từ một vài tổ chức thực khác nhau. Tương tự như vậy, một người dùng cần giải một bài toán về dự báo tài chính, anh ta cũng thành lập một tổ chức ảo để giải quyết bài toán này. 26 Hình 1.12. Tổ chức ảo Các yêu cầu bảo mật trên môi trường lưới được định hướng để cung cấp các tổ chức ảo phân tán, rộng lớn để chia sẻ và sử dụng các nguồn tài nguyên đa dạng trong một mô hình thống nhất. Tuy nhiên, về khía cạnh bảo mật, các tài nguyên cũng như các thành phần khác tham gia lưới lại bị quản lý bởi các nội quy và các chính sách của tổ chức thực mà chúng là thành viên. Do vậy, để các tổ chức ảo truy nhập vào các tài nguyên trong các tổ chức thực, chúng phải được thiết lập và cộng tác qua mối quan hệ tin tưởng hai bên, tồn tại giữa người dùng với các tổ chức thực của họ và mối quan hệ giữa người dùng với các tổ chức ảo. Chúng ta không thể thiết lập quan hệ tin tưởng trực tiếp giữa các tổ chức thực với tổ chức ảo hay các thành viên mở rộng của nó. Cơ chế bảo mật lưới giải quyết các trở ngại này bằng cách cho phép có một tổ chức ảo thống nhất chung một phần chính sách của các tổ chức thực. Cơ chế được thể hiện như hình vẽ: 27 Hình 1.13. Đưa các miền chính sách phân tán vào trong một miền tin tưởng chung trong tổ chức ảo Các tài nguyên và các tổ chức đưa ra các điều khiển chính sách mở rộng cho một bên thứ ba, các tổ chức ảo, phối hợp các chính sách mở rộng trong một miền tin tưởng ổn định lâu dài, để cho phép chia sẻ tài nguyên và sử dụng. Giải pháp tải chồng các chính sách dẫn tới các chức năng chủ yếu sau mà bảo mật lưới phải thực hiện: - Hỗ trợ nhiều cơ chế bảo mật khác nhau: Các miền tài nguyên hay các tổ chức ảo thường đã có sự đầu tư đáng kể trong các cơ chế bảo mật và cơ sở hạ tầng bảo mật của địa phương họ. Do vậy khó khăn lớn nhất chính là phải liên kết các công nghệ bảo mật trên các địa phương hơn là thay thế toàn bộ nó, như thế sẽ rất tốn kém và không có tính kế thừa. - Khởi tạo động các dịch vụ: Người dùng có thể khởi tạo ra các dịch vụ mới mà không cần có sự can thiệp của nhà quản trị, ngoài ra các dịch 28 vụ này còn có thể tương tác với nhau. Như vậy là phải có cơ chế định danh các thực thể lưới, cấp quyền cho các dịch vụ mà không ảnh hưởng tới các cơ chế bảo mật địa phương. Một ví dụ trong cơ sở hạ tầng bảo mật lưới, khi một dịch vụ lưới cung cấp cho người dùng, các định danh về người dùng sử dụng dịch vụ, định danh của dịch vụ, định danh của hệ thống mà dịch vụ đăng ký trên đó đều được xác định rõ ràng. - Thiết lập động các miền chứng thực tin tưởng: Việc chứng thực không chỉ được thiết lập giữa người dùng và tài nguyên trong một tổ chức ảo mà còn mở rộng giữa các tổ chức ảo với nhau. Như vậy đòi hỏi phải có một mô hình bảo mật hướng người dùng, cho phép người dùng tạo ra các thực thể và các miền chính sách để liên kết tài nguyên trong các tổ chức ảo. 1.4. Các chính sách bảo mật trong môi trường lưới Sau đây là các chính sách bảo mật giải quyết các yêu cầu trình bày ở phần trên. 1. Môi trường lưới bảo mật đa miền: Do lưới là một tập hợp không đồng nhất của các người dùng và tài nguyên cục bộ, cho nên các chính sách bảo mật cục bộ dành cho các tài nguyên và người dùng cũng khác nhau, chính sách bảo mật lưới phải đảm bảo tích hợp được tất cả các tập hợp không đồng nhất này. Nói chung, môi trường lưới không hạn chế hay không ảnh hưởng tới các chính sách bảo mật địa phương, nhiệm vụ của chính sách bảo mật lưới là phải tập trung điều khiển các tương tác liên miền, ánh xạ các hoạt động liên miền vào trong các chính sách bảo mật địa phương. Ví dụ trong cơ sở hạ tầng lưới, các hoạt động liên miền được thực hiện bởi các chủ thể sở hữu một giấy chứng nhận lưới theo chuẩn X509. Trong từng miền cụ thể, các giấy chứng nhận này sẽ được 29 ánh xạ tương ứng với một người dùng cục bộ nào đó thông qua một file ánh xạ (grid-mapfile), là một bản ghi chứa tên người dùng cục bộ và định danh của giấy chứng nhận đó. 2. Hoạt động lưới hạn chế trong đơn miền quản trị: Mặc dù lưới là một tập đa miền quản trị, tuy nhiên các hoạt động đa miền lại phải tuân theo các chính sách bảo mật địa phương trên đơn miền quản trị. Nói cách khác, không có hoạt động bảo mật hay dịch vụ lưới nào được đưa vào các hoạt động địa phương thông qua các chính sách bảo mật của lưới. 3. Các chủ thể toàn cục và cục bộ đều tồn tại: Tại mỗi đơn miền quản trị đều tồn tại hai chủ thể trên, và chính sách để ánh xạ từ một phần tử toàn cục vào phần tử cục bộ. Ví dụ, mỗi người dùng đều có hai tên, một tên toàn cục để hoạt động trên tất cả các tài nguyên, và một tên cục bộ trên mỗi tài nguyên. Ánh xạ tên toàn cục vào tên cục bộ tạo khả năng đăng nhập một lần (single-sign-on) trên môi trường lưới. Trong cơ sở hạ tầng lưới GSI, tên toàn cục chính là tên định danh của giấy chứng nhận X509, và tên cục bộ là tên người dùng trong hệ điều hành. 4. Chứng thực đa phương: Hoạt động giữa các thực thể định vị trong các miền tin tưởng khác nhau đòi hỏi chứng thực đa phương, bảo đảm cho sự an toàn và bí mật của các hoạt động. Ví dụ như trong dịch vụ truyền file GridFTP, cả client và server đều phải chứng minh định danh của mình trong lưới, client đòi hỏi server có định danh như mình mong muốn không, còn server sẽ kiểm tra danh sách các định danh client, xem client có quyền đăng nhập vào server để sử dụng dịch vụ truyền file không. 5. Mỗi đối tượng toàn cục được ánh xạ vào đối tượng cục bộ được coi như chúng đã qua chứng thực địa phương trên đối tượng cục bộ đó. 30 6. Tất cả các quyết định điều khiển được đưa ra đều là cục bộ hay dựa trên cơ sở của đối tượng cục bộ, hay không có một quyết định điều khiển nào là toàn cục, áp dụng cho tất cả các tài nguyên cục bộ. Ví dụ, một người dùng lưới có thể sử dụng dịch vụ truyền file GridFTP tại một tài nguyên này, nhưng tại các tài nguyên khác trong lưới, anh ta sẽ không có quyền truy nhập. Anh ta không thể ra lệnh truyền file cho toàn bộ các tài nguyên trong lưới. 7. Có thể dùng chung tập giấy chứng nhận với các chương trình thay mặt cho cùng một tiến trình, chạy trên cùng một chủ thể trong cùng một miền tin tưởng. Như đã biết, tính toán lưới liên quan tới hàng trăm tiến trình chạy trên một tài nguyên đơn. Chính sách này cho phép mở rộng cho các ứng dụng song song có kích thước lớn, bằng cách tránh các yêu cầu phải tạo một giấy chứng nhận duy nhất cho mỗi tiến trình, mà cho phép các tiến trình song song này dùng chung một tập các giấy chứng nhận. 1.5. Giới thiệu về hạ tầng bảo mật lưới GSI An toàn bảo mật là một trong những nền tảng quan trọng nhất trong hệ thống lưới. Hạ tầng bảo mật lưới GSI được đưa ra để giải quyết những vấn đề bảo mật còn tồn tại trong tính toán lưới, mà nền tảng chính là những kiến thức cơ sở về mã mật và bảo mật mà nêu ra ở phần trên. Trong phần này đưa ra một số đặc điểm của GSI và các cài đặt ứng dụng của nó. 1.5.1. Cơ sở hạ tầng khóa công khai GSI được xây dựng dựa trên cơ sở hạ tầng khóa công khai PKI. PKI là tập các thực thể (người dùng và tài nguyên), được phân biệt bởi tên duy nhất gọi là tên định danh. Chứng thực trong GSI nghĩa là cho mỗi thực thể người dùng hoặc tài nguyên một tên định danh duy nhất. 31 Để mỗi một thực thể có một định danh duy nhất, GSI đưa ra khái niệm giấy ủy nhiệm lưới, là một cặp gồm giấy chứng nhận và một khóa mã hóa còn gọi là khóa bí mật. Một điều quan trọng trong môi trường PKI, mỗi thực thể phải trao quyền sở hữu khóa bí mật của mình để bảo đảm sự toàn vẹn của hệ thống. Để bảo đảm khóa bí mật không bị đánh cắp, có thể sử dụng một số phương pháp: - Lưu trữ khóa trong một file có quyền truy nhập hạn chế. - Lưu trữ khóa trong một file đã mã hóa mà khóa mã chỉ được biết bởi người sử hữu nó. - Lưu trữ khóa bí mật bằng các thiết bị phần cứng có mật khẩu. Giải pháp phần cứng cho ta tính bảo mật cao nhất, nhưng nó lại ít được sử dụng bởi thiếu sự phát triển của phần cứng. - Sử dụng giấy ủy nhiệm trong một khoảng thời gian sống nhất định thì nó sẽ không còn hợp lệ nữa. Điều này đòi hỏi thường xuyên phải có tập mới các giấy ủy nhiệm, bảo vệ khóa bí mật bằng cách hạn chế sự lộ diện của nó. 1.5.2. Bảo mật mức thông điệp và mức giao vận GSI cho phép chúng ta thực hiện bảo mật ở hai mức: mức giao vận và mức thông điệp. Để thấy điểm khác nhau giữa hai mức này, hãy giả sử rằng chúng ta muốn truyền thông của mình là bí mật. Nếu chúng ta sử dụng bảo mật mức giao vận, như trên hình 1.14 (bảo mật mức giao vận), toàn bộ truyền thông được mã hóa. Nếu sử dụng bảo mật mức thông điệp, như trên hình 1.15 (bảo mật mức thông điệp), khi đó chỉ có nội dung của thông điệp SOAP được mã hóa. 32 Hình 1.14. Bảo mật mức giao vận Hình 1.15. Bảo mật mức thông điệp Cả hai mức bảo mật giao vận và thông điệp trong GSI đều dựa trên mật mã khóa công khai, và do đó có thể đảm bảo tính toàn vẹn, riêng tư và khả năng chứng thực. Tuy nhiên, không phải tất cả truyền thông cần có cả ba đặc tính này. Nói chung, hội thoại an toàn phải đảm bảo tối thiểu khả năng chứng thực. Toàn vẹn thường rất cần thiết, nhưng có thể bỏ qua. Mã hóa có thể được kích hoạt để đảm bảo tính riêng tư. Khi lập trình dịch vụ bảo mật, chúng ta sẽ thấy các đặc tính này có thể sử dụng một cách dễ dàng như thêm một vài dòng mã ở phía client xác định rằng chúng ta muốn toàn vẹn nhưng không mã hóa trong quá trình truyền thông. 1.5.3. So sánh hiệu năng của bảo mật mức thông điệp với mức giao vận Bảo mật mức giao vận đã phát triển trong một thời gian dài. Thực tế, rất có thể chúng ta đã sử dụng mức bảo mật này khi duyệt web, các website an toàn thường trả lời trên bảo mật mức giao vận. Bảo mật mức thông điệp trong dịch vụ web tương đối mới, và mặc dù nó cung cấp nhiều đặc tính hơn so với bảo mật mức giao vận (chẳng hạn như tích hợp với chuẩn dịch vụ Web), hiệu năng của nó là một vấn đề phải bàn. Do đó mặc dù bảo mật mức thông điệp có rất nhiều ưu việt, nhiều khi vẫn phải xem 33 xét tới việc sử dụng bảo mật mức giao vận nếu hiệu năng là một vấn đề quan trọng. GSI cung cấp hai lược đồ bảo mật mức thông điệp, và một lược đồ mức giao vận. Sự khác nhau giữa ba lược đồ này được trình bày trong bảng 1.1. - Thông điệp an toàn: cung cấp bảo mật mức thông điệp và dựa trên chuẩn bảo mật dịch vụ web (Web Service- WS) đã đề xuất. - Hội thoại an toàn: cung cấp bảo mật mức thông điệp và dựa trên đặc tả hội thoại an toàn WS. Khi phương pháp này được chọn, đầu tiên một ngữ cảnh bảo mật phải được thiết lập giữa client và server. Sau khi một trao đổi khởi tạo của thông điệp đươc thiết lập trong ngữ cảnh, tất cả các thông điệp có thể sử dụng lại ngữ cảnh này, kết quả là hiệu năng cao hơn so với thông điệp an toàn (nếu phần khởi tạo thiết lập ngữ cảnh được chấp nhận). Hơn nữa, hội thoại an toàn chỉ là một lược đồ hỗ trợ ủy quyền. - Bảo mật mức giao vận: cung cấp bảo mật mức giao vận bằng cách sử dụng công nghệ TLS (thường được gọi là SSL). Nó cung cấp hiệu năng tốt nhất. Các lược đồ này không loại trừ lẫn nhau. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng hội thoại an toàn với các ứng dụng cần ủy nhiệm, và sau đó thêm giao vận an toàn do chúng ta muốn mã hóa toàn bộ quá trình truyền thông (không chỉ một phần của thông điệp SOAP). Việc này không dẫn tới bất kỳ dư thừa nào. Bảng 1.1. So sánh bảo mật mức giao vận và mức thông điệp Hội thoại an toàn Thông điệp an toàn Bảo mật tầng giao vận Công nghệ WS-SecureConversation WS-Security TLS Rêng tư (mã hóa) Có Có Có 34 Hội thoại an toàn Thông điệp an toàn Bảo mật tầng giao vận Toàn vẹn (ký) Có Có Có Thẩm quyền nặc danh Có Không Không Ủy quyền Có Không Không Hiệu năng Tốt nếu gửi nhiều thông điệp Tốt nếu gửi ít thông điệp Tốt nhất 1.5.4. Giấy ủy nhiệm Trong môi trường lưới, người sử dụng cần được chứng thực nhiều lần trong khoảng thời gian tương đối ngắn, ví dụ với nhiều tài nguyên lưới cùng cộng tác với nhau. Đòi hỏi người sử dụng phải gõ mật khẩu nhiều lần trong chứng thực đa phương là một điều không thuận tiện, đồng thời nó cũng bất lợi cho vấn đề bảo mật, bởi mỗi lần đó, khóa bí mật sẽ được giải mã, rất dễ bị kẻ địch đánh cắp. Một cách khác là sử dụng phần mềm, không chỉ nhắc người sử dụng gõ mật khẩu một lần, mà còn lưu giữ mật khẩu hay khóa bí mật chưa giải mã cho nhiều mục đích sử dụng khác. Tuy nó rất thuận tiện cho người dùng, nó lại bất lợi trên quan điểm về bảo mật, khi mà nó để lộ khóa bí mật trong một khoảng thời gian dài. GSI giải quyết vấn đề này với khái niệm giấy ủy nhiệm. Mỗi giấy ủy nhiệm sẽ hoạt động thay mặt người dùng trong một khoảng thời gian ủy quyền ngắn hạn. Nói cách khác, việc sử dụng giấy ủy nhiệm ngắn hạn thay thế cho các giấy chứng nhận dài hạn khi chứng thực người dùng. Giấy ủy nhiệm có giấy chứng nhận và khóa bí mật riêng của nó, được tạo ra bằng cách kí lên giấy chứng nhận dài hạn của người dùng. Giấy ủy nhiệm, theo một cách khác, là sự liên kết ngắn hạn giữa tên định danh của người dùng với một khóa bí mật khác. Giấy chứng nhận thường được lưu trữ sử dụng mã hóa trong hệ thống file địa phương, thường được bảo vệ bởi 35 quyền truy cập file trong hệ thống, có thể được sử dụng nhiều lần mà không có sự bất tiện nào. Còn giấy ủy nhiệm dễ bị tổn thương, nó có thời gian sống ngắn hạn hơn nhiều so với các giấy chứng nhận dài hạn của người dùng, thông thường là vài giờ. 1.5.5. Sự ủy quyền Điều này là rất quan trọng trong các ứng dụng phân tán, các ứng dụng của người dùng có thể thay mặt họ trong môi trường lưới. Một ví dụ, trong một tính toán phức tạp và kéo dài liên quan tới nhiều tiến trình khác nhau, người dùng không phải lúc nào cũng có mặt để chứng thực cho mỗi tiến trình. GSI giải quyết vấn đề này bằng cách cho phép người dùng ủy quyền giấy ủy nhiệm của mình cho giao dịch các máy từ xa. Sự ủy quyền cũng tương tự như việc tạo ra các giấy ủy nhiệm, một tập các giấy chứng nhận dài hạn sẽ được dùng để tạo ra tập các giấy ủy nhiệm mới, có thời gian sống ngắn hơn. Sự khác nhau là việc tạo ra các giấy ủy nhiệm xảy ra trong các phiên kết nối đòi hỏi chứng thực GSI, khi các tiến trình từ xa đòi hỏi giấy ủy nhiệm của người dùng cho chứng thực. Một điều đáng chú ý nữa là sự ủy quyền có thể là một chuỗi, một người có thể ủy quyền cho một host A, sau đó tiến trình sử dụng trên host A có thể ủy quyền cho host B và cứ tiếp tục như vậy. 1.5.6. Chứng thực GSI hỗ trợ cơ chế cho phép chuyển các tên định danh GSI của người dùng (ví dụ tên định danh từ giấy chứng nhận của người dùng) vào trong các định danh địa phương (tài khoản của một người dùng Unix cục bộ). Việc chứng thực các định danh GSI sẽ chuyển về chứng thực các định danh địa phương, cùng với việc đó, các chính sách đưa ra cũng nằm trong phạm vi cục bộ như: quyền truy nhập file, dung lượng đĩa, tốc độ CPU, ... 36 1.5.7. Ứng dụng của GSI GSI cho phép người dùng và các ứng dụng lưới truy nhập vào các tài nguyên một cách an toàn. Một số khả năng bảo mật được GSI tập trung hỗ trợ: cơ chế uỷ quyền và đăng nhập một lần, thẩm quyền và chứng thực đa phương, các giấy ủy nhiệm thay mặc người dùng trong thời gian ngắn hạn, ... GSI cũng là thành phần thiết yếu cho một số công cụ như grid-proxy-init để tạo ra giấy ủy nhiệm từ các giấy chứng nhận, các dịch vụ truyền file GridFTP và máy chủ thông tin LDAP, đệ trình các ứng dụng từ xa Globus Toolkit Gram hay Secure Shell (SSH) để kết nối tới các máy từ xa. Ngoài ra, tập các thư viện bảo mật GSI trong Java Cog Kit tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển các ứng dụng lưới có hỗ trợ bảo mật. 37 Chương 2. An toàn bảo mật trong Globus Toolkit 4 Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về tính toán lưới, các yêu cầu về bảo mật trong môi trường lưới và cơ sở hạ tầng bảo mật lưới GSI. Globus Toolkit (GT) đã cài đặt cơ sở hạ tầng lưới GSI trong mô hình bảo mật của mình, tích hợp GSI với OGSA (Open Grid Service Architecture), cho phép tận dụng được các kỹ thuật và cơ chế bảo mật sẵn có của các dịch vụ Web. GT sử dụng các cơ chế bảo mật sau của OGSA và dịch vụ Web: - Sắp đặt các chức năng bảo mật tương tự như các dịch vụ khác của OGSA. Do đó, chúng có thể được phân bố và sử dụng bất cứ khi nào ứng dụng yêu cầu. - Thiết lập các môi trường trình chủ an toàn. - Cung cấp các chính sách bảo mật để các client (có thể là người dùng hoặc ứng dụng) có thể dễ dàng tham gia lưới. - Xác định các tiêu chuẩn trao đổi các mã bảo mật để có thể cung cấp khả năng liên tác. Tính đến thời điểm hiện tại, Globus Toolkit 4.03 là phiên bản ổn định mới nhất của bộ công cụ Globus Toolkit. So với các thế hệ trước, phiên bản này có nhiều cải tiến quan trọng về mặt kiến trúc và công nghệ. 2.1. Giới thiệu về GT4 2.1.1. GT4, OGSA và WSRF 2.1.1.1. Globus Toolkit 4 Globus Toolkit là một bộ công cụ được phát triển bởi Globus Alliance [12], nó được sử dụng để phát triển các ứng dụng lưới. Bộ công cụ bao gồm một số các dịch vụ ở mức cao để giúp việc phát triển các ứng dụng lưới, 38 chẳng hạn bảo mật, khai phá tài nguyên, … Phiên bản mới nhất GT4 hiện tại triển khai các thành phần cốt lõi dựa trên OGSA. 2.1.1.2. Kiến trúc dịch vụ lưới mở (Open Grid Services Architecture- OGSA) Một ứng dụng lưới thường gồm nhiều thành phần, dịch vụ khác nhau, như dịch vụ quản lý tổ chức ảo, dịch vụ quản lý và khám phá tài nguyên, dịch vụ quản lý công việc… Ngoài ra, các dịch vụ lưới lại thường xuyên tương tác với nhau. Càng nhiều dịch vụ, số tương tác giữa chúng càng tăng và sẽ rất dễ dẫn đến tình trạng hỗn loạn. Nếu mỗi dịch vụ có các cách thức khác nhau để tương tác với các dịch vụ khác thì vấn đề giao tiếp giữa các dịch vụ lưới trong một hệ thống sẽ rất phức tạp. Do đó, điều cần thiết là phải có chuẩn chung định nghĩa giao diện chung cho mỗi loại dịch vụ. OGSA được phát triển bởi Global Grid Forum[13] nhằm đạt mục tiêu trên. Nó tiêu chuẩn hóa tất cả các dịch vụ thường có trong một ứng dụng lưới bằng các qui định các giao diện chuẩn cho các dịch vụ này. OGSA cần “dịch vụ có trạng thái (stateful service)”: Khi đưa ra một kiến trúc phân tán mới, ta cần lựa chọn một số phần mềm trung gian phân tán làm nền tảng trên kiến trúc. Trên lý thuyết, có thể lựa chọn bất cứ phần mềm trung gian phân tán nào, chẳng hạn RMI, CORBA hay RPC. Tuy nhiên, công nghệ dịch vụ web đã được lựa chọn do những ưu điểm của nó. 2.1.1.3. Nền tảng dữ liệu dịch vụ web (Web Services Resource Framework - WSRF) Mặc dù kiến trúc dịch vụ web là sự lựa chọn tốt nhất, nó vẫn có một điểm quan trọng không tương thích với các yêu cầu của OGSA – đó là tính "phi trạng thái", nghĩa là nó không lưu lại kết quả của các lần triệu gọi trước. 39 WSRF được phát triển bởi OASIS [14]. Nó định nghĩa cách mà ta có thể làm cho dịch vụ web trở nên “có trạng thái", ngoài ra còn bổ sung rất nhiều tính năng hữu ích [7]. Như thể hiện trên hình 2.1, WSRF được phát triển dựa trên kiến trúc dịch vụ web nhằm tạo ra một tiếng nói chung lẫn nhau giữa cộng đồng dịch vụ lưới và cộng đồng dịch vụ web. Quan hệ giữa OGSA và WSRF rất đơn giản: WSRF cung cấp các dịch vụ có trạng thái mà OGSA cần. Trong hình 2.1, WSRF xác định các dịch vụ có trạng thái. Nói cách khác, OGSA là "đặc tả của ngôi nhà", còn WSRF xác định "bản thiết kế của ngôi nhà đó". Hình vẽ sau thể hiện quan hệ giữa OGSA, GT4, WSRF và dịch vụ web. Hình 2.1. Quan hệ giữa OGSA, GT4, WSRF và các dịch vụ web 40 2.1.2. Giới thiệu chung về dịch vụ web Trước khi xem xét kỹ về WSRF chúng ta phải nắm được những kiến thức cơ bản về dịch vụ web. Dịch vụ web hiểu một cách đơn giản là một công nghệ tính toán phân tán (tương tự CORBA, RMI, EJB...), cho phép ta phát triển các ứng dụng theo kiến trúc client/server. Hình 2.2. Các dịch vụ web Trong hình vẽ 2.2, client (chương trình muốn truy nhập các thông tin về thời tiết) sẽ giao tiếp với một dịch vụ web (trên server), và gửi "service request" để yêu cầu các thông tin về thời tiết, server sẽ trả lời bằng "service response". Tất nhiên, đây mới chỉ là một ví dụ rất đơn giản về dịch vụ Web. Chúng ta sẽ xem xét một cách chi tiết hơn ở phần sau. Các ưu điểm của dịch vụ web so với các công nghệ tính toán phân tán truyền thống (RMI, CORBA, EJBs,…) bao gồm: - Dịch vụ web là độc lập về nền hệ điều hành và ngôn ngữ, bởi vì ta sử dụng ngôn ngữ XML chuẩn. Điều này có nghĩa là chương trình khách có thể được lập trình bằng C++ và chạy trên nền hệ điều hành Windows, trong khi dịch vụ web được lập trình bằng Java và chạy trên nền hệ điều hành Linux. - Hầu hết các dịch vụ web sử dụng HTTP cho truyền thông điệp, điều này là một thuận lợi lớn khi ta phát triển các ứng dụng trên Internet, bởi vì các tường lửa và proxy trên Internet không làm đảo lộn các truyền 41 thông của HTTP (không giống như CORBA gặp phiền toái với vấn đề tường lửa). Tuy nhiên, dịch vụ web có một số nhược điểm, đó là: - Trước hết, việc truyền toàn bộ dữ liệu bằng XML rõ ràng là không hiệu quả bằng việc sử dụng mã nhị phân. Để có được tính khả chuyển, nó đã phải đánh đổi bằng tính hiệu quả. - Thiếu tính linh động: Hiện tại dịch vụ web là không linh động, khi chúng chỉ cho phép một số dạng triệu gọi dịch vụ cơ bản. CORBA có thể cho phép lập trình viên nhiều cách cung cấp dịch vụ hơn như là dịch vụ vĩnh viễn (persistency), thông báo (notifications), quản lý vòng đời (lifecycle management). Ở phần sau, ta sẽ thấy cách mà dịch vụ lưới bổ sung các nhược điểm trên của dịch vụ web. Tuy nhiên, có một đặc điểm quan trọng để phân biệt dịch vụ web với các công nghệ tính toán phân tán khác. Trong khi các công nghệ như CORBA, EJBs hướng vào các hệ thống tính toán phân tán phụ thuộc chặt (highly-coupled distributed systems), khi mà client và server phải phụ thuộc vào nhau, dịch vụ web lại thích hợp cho các hệ thống phân tán không phụ thuộc (losely- coupled systems), khi mà client có thể không biết gì về dịch vụ web cho tới khi nó triệu gọi các dịch vụ Web. Các hệ thống phân tán phụ thuộc là lý tưởng cho các ứng dụng Intranet, nhưng lại có hiệu suất thấp trên môi trường Internet. Điều này giải thích tại sao dịch vụ web thích hợp hơn đối với các ứng dụng trên Internet nói chung và các ứng dụng trên môi trường lưới nói riêng. 2.1.2.1. Một triệu gọi dịch vụ web điển hình Để hiểu rõ hơn về hoạt động của dịch vụ web, hãy theo dõi các bước để triệu gọi một dịch vụ web. 42 Hình 2.3. Một triệu gọi dịch vụ web điển hình 1. Như đã đề cập trước đó, một client có thể không biết gì về dịch vụ web mà nó định triệu gọi. Bởi vậy, bước đầu tiên là tìm một dịch vụ web đáp ứng các đòi hỏi của nó. Ví dụ, nếu quan tâm tới một dịch vụ web cung cấp thông tin về thời tiết của các thành phố của Mỹ, ta có thể tìm nó qua bộ đăng ký và khai phá dịch vụ UDDI. 2. Bộ đăng ký UDDI sẽ trả lời cho chúng ta biết server nào cung cấp dịch vụ mà ta yêu cầu. 3. Khi đã biết về vị trí của dịch vụ web, nhưng vẫn chưa biết triệu gọi dịch vụ đó như thế nào. Chúng ta phải yêu cầu dịch vụ web mô tả thông tin về chính nó để biết chính xác phương thức nào cần triệu gọi. 4. Dịch vụ web sẽ trả lời bằng một ngôn ngữ gọi là WSDL. 5. Cuối cùng, chúng ta đã biết dịch vụ web nằm ở đâu và triệu gọi nó như thế nào. Quá trình triệu gọi được thực hiện bởi một ngôn ngữ gọi là 43 SOAP. Do đó, trước tiên ta phải gửi một yêu cầu SOAP (SOAP request) để lấy thông tin về thời tiết. 6. Dịch vụ Web sẽ trả lời với một đáp ứng SOAP (SOAP response) chứa thông tin về thời tiết mà ta yêu cầu. Nó có thể là một thông báo lỗi nếu yêu cầu SOAP của chúng ta không đúng. 2.1.2.2. Kiến trúc dịch vụ web: Hình 2.4. Kiến trúc dịch vụ web - Tầng xử lý dịch vụ (Process): tầng này có thể bao gồm nhiều dịch vụ web. Ví dụ. khả năng khám phá dịch vụ (thuộc về tầng này của kiến trúc) cho phép tìm một dịch vụ web cụ thể từ một tập các dịch vụ web. - Tầng mô tả dịch vụ (Description): một trong những đặc điểm thú vị của dịch vụ web là nó có khả năng tự mô tả về mình, về những thao tác mà nó có thể cung cấp, tham số vào ra,… Điều này được thực hiện bằng ngôn ngữ mô tả dịch vụ web (Web Service Description Language – WSDL). - Tầng triệu gọi dịch vụ (Invocation): tầng này chịu trách nhiệm gọi dịch vụ web giữa client và server sau khi đã nắm được vị trí và phương thức triệu gọi. SOAP (Simple Object Access Protocol) sẽ được sử dụng để thông báo cho phía client biết quy cách đưa một yêu cầu đến server và quy cách của kết quả trả về. Khai phá, kết hợp, … WSDL Web Services Description Language Giao thức triệu gọi phổ biến là SOAP nhưng về lý thuyết có thể sử dụng các giao thức khác Giao thức truyền thông phổ biến là HTTP, nhưng về lý thuyết có thể sử dụng các giao thức khác 44 - Tầng vận chuyển (Transport): tầng này trực tiếp gửi các gói tin giữa 2 phía server và client. Giao thức được sử dụng là HTTP (HyperText Transfer Protocol). 2.1.2.3. Địa chỉ của dịch vụ web Các dịch vụ web được xác định bằng các định danh tài nguyên thống nhất URIs (Uniform Resource Identifiers) tương tự như URL (Uniform Resource Locator). Chẳng hạn dịch vụ cung cấp thông tin dự báo thời tiết có địa chỉ URI như sau: Địa chỉ này giống như một trang web. Tuy nhiên, dịch vụ web được sử dụng bởi các phần mềm. Nếu người dùng gõ một địa chỉ dịch vụ web URI vào trong trình duyệt, ta sẽ nhận được một thông báo lỗi. Thực tế, hầu hết các chương trình ta viết sẽ nhận về URI của dịch vụ web như một tham số dòng lệnh. 2.1.2.4. Một ứng dụng dịch vụ web Việc triệu gọi dịch vụ web được thực hiện qua client stub. Vì vậy, trong lược đồ triệu gọi ở phần trước (hình 2.4), client thường không phải thực hiện tất cả các bước trong một triệu gọi đơn. Hơn thế nữa, client stub còn có thể được sinh tự động dựa trên mô tả WSDL của dịch vụ web. Hình 2.5. Client và server stub được sinh ra từ file WSDL 45 Như vậy thứ tự các sự kiện bên phía client liên quan đến sử dụng dịch vụ web là như sau: - Xác định một dịch vụ web đáp ứng các yêu cầu thông qua UDDI. - Thiết lập mô tả WSDL của dịch vụ web. - Phát sinh stubs ngay sau đó, cho chúng vào ứng dụng của chúng ta. - Ứng dụng sẽ sử dụng stubs tại mỗi thời điểm nó triệu gọi dịch vụ web. Mô hình lập trình phía server cũng rất đơn giản, ta không cần phải viết một chương trình server phức tạp, tự động thông dịch các yêu cầu SOAP và đưa ra các đáp ứng SOAP. Chúng ta đơn giản chỉ cài đặt tất cả các chức năng cho dịch vụ web của chúng ta, sau đó sinh ra một server stub (hay còn được gọi là skeleton). Server stub sẽ chịu trách nhiệm thông dịch các yêu cầu, đưa chúng tới cho dịch vụ thực thi. Nó cũng có thể tự động sinh ra mô tả WSDL, hay các ngôn ngữ mô tả khác (IDL trên CORBA). Việc thực thi phía server và server stubs được quản lý thông qua một thành phần gọi là trình chứa dịch vụ web (Web Service container), bảo đảm các yêu cầu HTTP cho dịch vụ web được trực tiếp tới server stub. Giả sử rằng chúng ta đã định vị được dịch vụ web, và phát sinh client stubs từ mô tả WSDL. Ngoài ra, các lập trình viên phía server cũng phải phát sinh server stubs. Các bước liên quan tới triệu gọi một dịch vụ web được mô tả như hình 2.6. Hình 2.6. Chi tiết một triệu gọi dịch vụ web điển hình 46 1. Bất cứ khi nào ứng dụng client cần triệu gọi dịch vụ web, nó sẽ gọi client stub. Client stub sẽ chuyển triệu gọi địa phương ('local invocation') vào trong một yêu cầu SOAP phù hợp. Quá trình này được gọi là marshaling hay serializing. 2. Yêu cầu SOAP được gửi qua mạng thông qua giao thức HTTP. Trình chứa dịch vụ nhận được các yêu cầu SOAP, và chuyển nó tới server stub. Server stub sẽ biến đổi các yêu cầu SOAP thành dạng phù hợp để chương trình thực thi phía server có thể hiểu được (quá trình này được gọi là unmarshaling hay deserializing). 3. Thực thi dịch vụ sẽ nhận các yêu cầu từ service stub, và tiến hành công việc mà nó được yêu cầu. 4. Kết quả của các toán tử được yêu cầu được chuyển tới server stub, và stub sẽ chuyển nó thành các đáp ứng SOAP. 5. Đáp ứng SOAP được gửi qua mạng thông qua giao thức HTTP. Client stub nhận được các đáp ứng SOAP và chuyển nó về dạng phù hợp để các ứng dụng client có thể hiểu được. 6. Cuối cùng, ứng dụng nhận được kết quả của triệu gọi dịch vụ web và sử dụng nó. 2.1.2.5. Dịch vụ web – phía server Cuối cùng chúng ta cùng xem xét kiến trúc phía server của một ứng dụng dịch vụ web. 47 Hình 2.7. Kiến trúc phía server của một ứng dụng dịch vụ web - Dịch vụ web: Như đã đề cập ở trên, dịch vụ web chỉ là một phần mềm nhỏ để thực hiện một chức năng nào đó, nó có thể được viết bằng một ngôn ngữ lập trình nào đó, chẳng hạn Java. Tuy nhiên, dịch vụ web lại không thể hiểu được các thông điệp SOAP và càng không thể tạo ra được các thông điệp SOAP trả lời, do đó ta cần SOAP engine. - SOAP engine đơn giản là một phần mềm để xử lý các yêu cầu SOAP và sinh ra các thông điệp trả lời. Thực tế, người ta thường dùng một SOAP engine thay vì thực sự sinh ra các server stubs cho mỗi dịch vụ web riêng lẻ (chú ý rằng, ta vẫn cần các client stubs cho client). Ví dụ cho một SOAP engine là Apache Axis (thực tế SOAP engin này được sử dụng trong Globus Toolkit). Tuy nhiên, chức năng của SOAP engine thường chỉ giới hạn trong việc thao tác SOAP. Để có một chức năng thực sự như một server có thể nhận các yêu cầu từ các client khác nhau, ta nhúng SOAP engine trong trong Server ứng dụng. 48 - Server ứng dụng (application server) là phần mềm cung cấp "không gian sống" cho các ứng dụng có thể truy nhập từ các client khác nhau. SOAP engine chạy như một ứng dụng trong server ứng dụng này. Ví dụ cho server ứng dụng là Jakarta Tomcat, một trình chứa JSP và Java Servlet thường dùng trong Apache Axis của Globus Toolkit. Nhiều server ứng dụng đã bao gồm các chức năng HTTP, cho nên ta có thể cài đặt và chạy các dịch vụ web bằng cách cài đặt một SOAP engine cùng một server ứng dụng. Tuy nhiên, khi một server ứng dụng thiếu các tính năng HTTP, chúng ta cần có thêm server HTTP. - Server HTTP: thường được gọi là web server. Nó là một phần mềm biết cách để xử lý các thông điệp HTTP. Ví dụ: Apache HTTP Server là một trong những web server thông dụng nhất trên Internet. 2.1.3. WSRF - nền tảng tài nguyên dịch vụ web Như đã đề cập trong phần trước, dịch vụ web là công nghệ được lựa chọn bởi các ứng dụng trên Internet với sự ràng buộc "lỏng lẻo" giữa client và server. Điều này làm cho nó trở thành sự lựa chọn đầu tiên để xây dựng các ứng dụng lưới. Tuy nhiên dịch vụ web lại có một số nhược điểm nhất định. Trên thực tế, dịch vụ web thuần túy (được xây dựng bới W3C) không phù hợp cho việc phát triển các ứng dụng lưới. WSRF, khắc phục các điểm không phù hợp của dịch vụ web, làm cho nó thích hợp với việc phát triển các ứng dụng lưới hơn. 2.1.3.1. WSRF - tất cả đều là trạng thái Các dịch vụ web thuần túy thường là “phi trạng thái”, nghĩa là nó không thể nhớ các kết quả từ một lần triệu gọi từ các lần triệu gọi khác. Điều này được minh họa bằng ví dụ trong hình sau. Trong ví dụ này, kết quả của phép cộng không được lưu lại sau mỗi lần thực hiện. 49 Hình 2.8. Một triệu gọi dịch vụ web phi trạng thái Tuy nhiên, khả năng “nhớ trạng thái” là một tính chất rất quan trọng đối với ứng dụng lưới. Ví dụ sau thể hiện một dịch vụ web “có trạng thái”. Hình 2.9. Một triệu gọi dịch vụ web có trạng thái 50 Giải pháp được đề nghị thực tế lại rất đơn giản: chỉ cần giữ cho dịch vụ web và thông tin về trạng thái của nó riêng rẽ nhau. Thay vì đặt trạng thái vào trong dịch vụ web, ta sẽ lưu nó vào trong một thực thể riêng gọi là tài nguyên, cái mà sẽ lưu giữ tất cả các thông tin về trạng thái. Mỗi tài nguyên sẽ có một khóa duy nhất, do đó bất cứ khi nào ta muốn một tương tác liên quan đến trạng thái với một dịch vụ web, chỉ cần chỉ thị cho dịch vụ web sử dụng tài nguyên cụ thể đó. Ví dụ với dịch vụ web thực hiện phép cộng ở trên. Hình vẽ dưới đây thể hiện dịch vụ web này có thể có 3 tài nguyên khác nhau (A, B, C) để lựa chọn. Nếu ta muốn một giá trị nguyên được “nhớ” từ một lần triệu gọi đến một lần triệu gọi khác, client chỉ cần chỉ ra nó muốn triệu gọi phương thức với tài nguyên nào. Hình 2.10. Cách tiếp cận tài nguyên cho vấn đề trạng thái của dịch vụ web Trong hình 2.10, ta có thể thấy client muốn thực hiện phép toán cộng với tài nguyên C. Khi dịch vụ web nhận được yêu cầu thực hiện phép tóan cộng, nó sẽ đảm bảo việc nhận tài nguyên C để phép cộng được thực hiện thực sự trên tài nguyên đó. Các tài nguyên tự chúng có thể lưu trong bộ nhớ trong, bộ nhớ ngoài hay ngay cả trong CSDL. Ngoài ra, cũng cần chú ý cách mà một 51 dịch vụ web có thể truy nhập nhiều tài nguyên. Tất nhiên là các tài nguyên có thể có kích thước và cấu trúc khác nhau. Một tài nguyên có thể lưu giữ nhiều giá trị (không chỉ là một số nguyên đơn thuần như ví dụ trên). Chẳng hạn, các tài nguyên có thể biểu diễn các file: Hình 2.11. Một dịch vụ web với nhiều tài nguyên, mỗi tài nguyên biểu diễn một file Client chỉ ra chính xác dịch vụ web bằng địa chỉ URI, còn để chỉ ra tài nguyên – cách thường dùng là dùng một kỹ thuật mới gọi là ánh xạ dịch vụ web (một kỹ thuật linh hoạt để chỉ ra địa chỉ của dịch vụ web hơn là địa chỉ URI thông thường). Chú ý rằng, một cặp dịch vụ web với tài nguyên được gọi là dịch vụ web – tài nguyên. Địa chỉ của một dịch vụ web – tài nguyên cụ thể được gọi là một endpoint reference (đây là một thuật ngữ trong ánh xạ dịch vụ web). 52 Hình 2.12. Dịch vụ web – tài nguyên 2.1.3.2. Đặc tả WSRF WSRF là một tập hợp của 4 đặc tả khác nhau liên quan đến quản lý dịch vụ web – tài nguyên: Các thuộc tính của dịch vụ web – tài nguyên (WS- ResourceProperties): Một tài nguyên gồm 0 hoặc nhiều thuộc tính tài nguyên. Ví dụ, trong hình vẽ trên, mỗi tài nguyên có 3 thuộc tính tài nguyên là: Filename, Size và Desriptors. WS - ResourceProperties xác định cách các thuộc tính tài nguyên được định nghĩa và truy nhập. Các thuộc tính nằy được định nghĩa bằng ngôn ngữ mô tả giao diện dịch vụ web WSDL. Vòng đời của dịch vụ web – tài nguyên (WS-ResourceLifetime): Các tài nguyên có vòng đời không tầm thường. Nói cách khác, chúng không phải là những thực thể tĩnh, được khởi tạo khi server khởi động và bị hủy khi server tắt. Các tài nguyên có thể được khởi tạo và hủy tại bất kì thời điểm nào. WS-ResourceLifetime cung cấp các cơ chế cơ bản để quản lý vòng đời tài nguyên. 53 Nhóm dịch vụ web (WS-ServiceGroup): WS-ServiceGroup chỉ ra một cách chính xác cách nhóm các dịch vụ web hoặc dịch vụ web - tài nguyên. Mặc dầu khả năng được cung cấp mới chỉ ở mức cơ bản, tuy nhiên nó là nền tảng cho những dịch vụ mạnh hơn (chẳng hạn IndexService) cho phép nhóm các dịch vụ khác nhau và truy nhập chúng thông qua một “lối vào” duy nhất. Các lỗi cơ bản của dịch vụ web (WS-BaseFaults): đặc tả này cung cấp một cách thức chuẩn để thông báo lỗi khi có vấn đề xảy ra trong quá trình triệu gọi dịch vụ web. 2.1.4. Kiến trúc Globus Toolkit 4 Như đã trình bày, WSRF là cơ sở hạ tầng của GT4. Ngoài triển khai WSRF, GT4 còn bao gồm rất nhiều các thành phần khác mà ta có thể sử dụng để viết các ứng dụng lưới. Như trong hình 2.13, các thành phần này được chia thành 5 loại: bảo mật, quản lý dữ liệu, quản lý việc thực hiện công việc, các dịch vụ thông tin và môi trường chạy ứng dụng. Chú ý rằng, mặc dù GT4 tập trung vào dịch vụ web nhưng nó vẫn chứa các thành phần không được triển khai trên nền dịch vụ web, chẳng hạn GridFTP. Trong hình 2.13, nửa trên thể hiện các thành phần được phát triển dựa trên kiến trúc dịch vụ web; còn nửa dưới là các thành phần không dựa trên kiến trúc dịch vụ web. 54 Hình 2.13. Kiến trúc Globus Toolkit 4 - Thành phần bảo mật (Security): sử dụng các thành phần bảo mật, dựa trên cở sở hạ tầng bảo mật lưới, chúng ta có thể đảm bảo việc truyền thông sẽ được an toàn. - Thành phần quản lý dữ liệu (Data Management): các thành phần này cho phép chúng ta quản trị một tập dữ liệu lớn trong các tổ chức ảo. Các thành phần cốt lõi của Globus Toolkit, sẽ không thay đối trong tương lai Các thành phần tạm thời, có thể sẽ còn thay đổi trong tương lai Các thành phần sẽ được bỏ đi trong tương lai 55 - Thành phần quản lý thực thi (Excution Management): các thành phần quản lý thực hiện công việc phụ trách việc khởi tạo, theo dõi, quản lý, lập lịch và tương tác giữa các chương trình trong lưới. - Thành phần dịch vụ thông tin (Information Services): các dịch vụ thông tin, thường chỉ các dịch vụ khám phá và theo dõi (Monitoring and Discovery Services - MDS) bao gồm một tập các thành phần dùng để tìm và theo dõi tài nguyên trong một tổ chức ảo. Phiên bản non-WS của MDS là MDS2 vẫn được GT4 hỗ trợ, tuy nhiên nó sẽ bị bỏ đi trong các phiên bản sau. - Thành phần Common Runtime: cung cấp tập các thư viện cơ sở và các công cụ để xây dựng các dịch vụ WS lẫn non-WS 2.2. Các thành phần bảo mật trong GT4 Bảo mật là một trong những vấn đề quan trọng nhất được đặt ra trong môi trường lưới vì vậy Globus Toolkit 4 chứa đựng nhiều loại thành phần bảo mật [4]: - Thành phần xác thực và cấp phép dịch vụ web (WS authentication and authorization). Globus Toolkit 4 cho phép bảo mật mức thông điệp và mức giao vận cho các truyền thông SOAP của các dịch vụ Web. Đồng thời, nó cung cấp một cơ cấu cấp phép cho việc cấp phép mức container. - Pre-WS authentication and authorization. Nó bao gồm các API và các công cụ cho việc xác thực, cấp phép và quản lý giấy chứng nhận. - Dịch vụ cấp phép cộng đồng (Community Authorization Service - CAS). CAS cung cấp điều khiển truy xuất tới các tổ chức ảo. Máy chủ CAS cấp các giấy phép theo các tập con tài nguyên cho thành viên của 56 cộng đồng. Việc cấp phép CAS hiện tại chưa có trong các dịch vụ web, tuy nhiên nó hỗ trợ cho GridFTP server. - Dịch vụ ủy quyền (Delegation service). Dịch vụ này cho phép ủy thác giấy ủy quyền giữa các dịch vụ trên một máy. Dịch vụ ủy quyền cho phép một giấy ủy quyền được sử dụng bởi nhiều dịch vụ. Đồng thời, dịch vụ này cũng cung cấp giao diện thay mới giấy ủy quyền và qua đó có thể gia hạn cho các giấy ủy quyền. Hình 2.14. Ví dụ về việc sử dụng một dịch vụ bởi một dịch vụ khác - SimpleCA, đây là một Nhà chứng nhận thẩm quyền đơn giản. Thành phần này có đầy đủ các chức năng của một môi trường khóa công khai. Tuy nhiên, thành phần này chủ yếu được sử dụng với mục đích kiểm thử và minh họa. 57 - MyProxy, thành phần này có nhiệm vụ lưu trữ các giấy ủy quyền X.509, bảo vệ chúng và cung cấp giao diện cho việc lấy lại các giấy ủy quyền. MyProxy thực hiện vai trò của một kho chứa các giấy ủy quyền và nó thường được sử dụng bởi các ứng dụng Web portal. - GSI-OpenSSH, đây là một phiên bản đã được hiệu chỉnh cho máy chủ và máy trạm OpenSSH, với việc thêm vào hỗ trợ cho sự xác thực GSI. GSI-OpenSSH có thể được sử dụng để tạo từ xa một shell trên một hệ thống ở xa để thực thi các kịch bản vỏ (shell script) hoặc để đưa ra các lệnh shell một cách tương tác và nó cũng cho phép truyền các file giữa các hệ thống mà không đòi hỏi về mật khẩu cũng như ID của người dùng. Tuy nhiên, một sự ủy nhiệm hợp lệ phải được tạo bằng cách sử dụng lệnh grid-proxy-init. 2.3. Ví dụ minh họa: cài đặt bảo mật trong GRAM GRAM (Globus Resource Allocation Management) là dịch vụ của GT cho phép client có thể khởi tạo, quản lý, theo dõi một cách an toàn các nhiệm vụ tính toán trên các máy ở xa. Việc tiến hành bảo mật đối với GRAM là một trong những công việc phức tạp nhất bởi vì nó liên quan nhiều đến cả cơ chế bảo mật địa phương và các client từ xa. Phần này sẽ trình bày việc cài đặt bảo mật trong GRAM để minh họa cho việc cài đặt bảo mật cho các dịch vụ. 58 Hình 2.15. Cơ chế thực hiện của GRAM Để có thể thực hiện công việc nhờ GRAM, một client phải mô tả công việc, chỉ rõ những chi tiết về thư mục thực thi, nơi lưu trữ các đầu ra và đầu vào… Những mô tả này được gửi tới tài nguyên và kết quả là một thực thể của dịch vụ quản lý công việc (Managed Job Service - MJS). Một MJS là một dịch vụ của lưới cho phép khởi tạo công việc, điều khiển, theo dõi công việc. MJS được tạo bởi một MJS factory service. Về lý thuyết thì ta sẽ có tương ứng với mỗi tài khoản người dùng một MJS factory service, tuy nhiên trong thực tế để tránh lãng phí, GT thực thi một dịch vụ là Master Managed Job Factory Service (MMJFS). Mỗi MMJFS chạy trên mỗi tài nguyên và triệu gọi Local Managed Job Factory Services (LMJFS) cho mỗi tài khoản người dùng khi cần thiết. Một dịch vụ là Proxy Router dẫn những yêu cầu từ người dùng tới LMJFS nếu có hoặc MMJFS nếu LMJFS của người dùng đó không 59 tồn tại. Với MJS factory thì có thể có một hay nhiều thể hiện của MJS chạy cùng một lúc trên trình chứa. Như minh họa trên hình 2.15, để thực hiện công việc trên GRAM phải trải qua 7 bước: 1. Requestor tạo một bản mô tả công việc và ký lên nó với một giấy ủy nhiệm thích hợp. Yêu cầu này sau đó được gửi tới target resource. 2. Proxy Router service nhận yêu cầu và gửi tới LMJFS nếu có (nhảy tới bước 6) hoặc gửi tới MMJFS (thực hiện tiếp bước 3). 3. MMJFS xác nhận chữ ký trên yêu cầu sau đó xác định tài khoản cục bộ mà job sẽ chạy dựa trên tài khoản đó sử dụng grid-mapfile, một file nằm trên máy cục bộ chứa đựng những thông tin ánh xạ từ GSI vào tài khoản cục bộ. 4. MMJFS triệu gọi quá trình Setuid Starter để khởi tạo LMJFS. Setuid Starter là một chương trình có đặc quyền (ví dụ như setuid-root) mà chức năng duy nhất của nó là khởi tạo một LMJFS đã được cấu hình sẵn cho một người dùng. 5. Khi LMJFS đã được tạo, nó cần nhận được giấy ủy nhiệm và phải tự đăng ký với Proxy Router để nó thể nhận được các yêu cầu khác trong tương lai. LMJFS triệu gọi Grid Resource Identity Mapper (GRIM) để nhận được giấy ủy nhiệm. GRIM là một chương trình có đặc quyền truy cập và sinh ra các giấy ủy nhiệm cho LMJFS. Giấy ủy nhiệm này chứa trong nó định danh người dùng lưới, tên người dùng cục bộ … để giúp cho requestor có thể đảm bảo đây đúng là LMJFS cần thiết. 6. LMJFS nhận được yêu cầu công việc, LMJFS kiểm định chữ ký trên yêu cầu để đảm bảo là nó không bị giả mạo và kiểm tra xem requestor có được quyền truy cập tài khoản người dùng cục bộ mà LMJFS đang 60 chạy. LMJFS khởi tạo một MJS và trả lại tham chiếu dịch vụ đến người dùng. 7. Requestor kết nối tới MJS để bắt đầu công việc. Requestor và MJS kiểm chứng lẫn nhau trước khi tiến hành quá trình giao dịch. MJS kiểm định xem requestor có đủ thẩm quyền để thực thi trong tài khoản cục bộ hay không còn requestor kiểm định xem MJS có giấy ủy nhiệm (GRIM credential) hợp lý từ máy chủ hay không, điều này cho phép client không chỉ xác định được là MJS chạy trên đúng máy chủ mà còn chạy trên đúng tài khoản. 61 Chương 3. Ứng dụng công nghệ tác tử trong tính toán lưới 3.1. Tác tử 3.1.1. Khái niệm tác tử 3.1.1.1. Tác tử Tác tử “là một phần mềm máy tính hoạt động trong một môi trường nào đó, có khả năng linh hoạt, thực hiện các hoạt động tự trị trong môi trường đó để đạt được các mục tiêu thiết kế” [8]. Chi tiết hơn [9], tác tử: - Là thực thể giải quyết vấn đề được xác định một cụ thể với các ranh giới và giao diện được định nghĩa rõ ràng. - Hoạt động trong một môi trường cụ thể, nhận các đầu vào liên quan đến sự thay đổi trạng thái của môi trường thông qua các cảm biến và thực hiện các hành vi phản ứng lại các thay đổi đó. - Được thiết kế để hoàn thành một vai trò cụ thể, có các mục tiêu xác định cần đạt được và các khả năng giải quyết vấn đề nhằm đạt mục tiêu. - Có khả năng tự trị, có thể điều khiển cả trạng thái bên trong lẫn các hành vi bên ngoài. - Hoạt động hướng mục tiêu, có các hành vi linh hoạt để theo đuổi mục tiêu cần đạt được. Có thể là phản ứng lại các tác động hoặc chủ động thực hiện các hành vi. 3.1.1.2. Các đặc trưng của tác tử - Tính tự trị: Một tác tử có thể hoạt động mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người hoặc các thành phần khác. Điều này đòi hỏi trong các phần mềm tác tử phải cài đặt các hoạt động có chu kì để tạo ra khả năng thực thi tự phát, trong đó tác tử phải có khả năng thực hiện các 62 hành động có mức ưu tiên khác nhau và cuối cùng đem lại kết quả mong muốn cho con người. - Khả năng phản ứng: Các tác tử có thể nhận thức được môi trường xung quanh chúng và phản ứng lại sự thay đổi xảy ra trong môi trường đó. Các hành động của chúng được thực hiện như là kết quả của việc kích hoạt các luật hoặc của các hoạt động lặp đi lặp lại, chẳng hạn như cập nhật cơ sở tri thức của tác tử, gửi thông điệp tới các tác tử khác trong môi trường. - Khả năng cộng tác: Mỗi tác tử có thể tương tác với các tác tử khác và/hoặc con người. Đối với hình thức tương tác giữa tác tử và con người, người sử dụng chỉ rõ những hành động nào sẽ được thực hiện và tác tử chỉ rõ nó có thể làm cái gì và cung cấp cho người dùng kết quả như thế nào. Còn sự hợp tác giữa các tác tử là cơ chế mà thông qua đó các tác tử trao đổi tri thức, các kế hoạch cộng tác giữa chúng để giải quyết những vấn đề lớn hơn khả năng của mỗi tác tử. - Khả năng di trú: Các tác tử có thể di chuyển đến các môi trường khác, tìm kiếm thông tin cần thiết và trả lại kết quả mà người dùng mong muốn. 3.1.1.3. Phân loại tác tử Dựa trên các thuộc tính được trình bày ở trên, có thể chia tác tử thành các loại sau: - Tác tử tự trị: Các tác tử loại này thường được ứng dụng trong môi trường phức tạp, không ổn định. Chúng cảm nhận và hành động một cách tự động nhờ việc nhận thức các mục đích và tác vụ. 63 - Tác tử giải trí: Các tác tử loại này dùng để mô phỏng thế giới thực, cung cấp các dịch vụ giải trí cho người sử dụng, chẳng hạn trò chơi, các sản phẩm phim/video. - Tác tử ủy quyền: Các tác tử loại này thực hiện một tập thao tác đại diện cho một người sử dụng hoặc các chương trình khác một cách độc lập. - Tác tử giao diện: Tác tử giao diện hoạt động như một người phụ tá, cùng cộng tác với người sử dụng trong một môi trường. Tác tử loại này quan sát, giám sát các hành động của người sử dụng trên giao diện, “học” điều đó và đưa ra cách tốt hơn để thực hiện các tác vụ. Tác tử giao diện học để trợ giúp cho người sử dụng theo bốn cách khác nhau: o Quan sát và bắt chước người sử dụng (học từ người sử dụng). o Thông qua các phản hồi tích cực và tiêu cực nhận được từ người sử dụng (học từ người sử dụng). o Bằng việc nhận được những lời hướng dẫn rõ ràng từ phía người sử dụng (học từ người sử dụng). o Bằng việc hỏi lời khuyên từ các tác tử khác. Sự hợp tác giữa tác tử giao diện với các tác tử khác chỉ giới hạn trong việc hỏi các thông tin. - Tác tử cộng tác: Đối với các tác tử loại này, tính tự trị và sự cộng tác với các tác tử khác được nhấn mạnh. Để có được sự cộng tác với các tác tử khác, các tác tử này phải thực hiện đàm phán để đạt sự thoả thuận về cơ chế cộng tác. - Tác tử động: Tác tử động là phần mềm tính toán có khả năng “di chuyển” trên các mạng diện rộng như Internet, tương tác với các máy chủ phân tán, thu thập thông tin và quay về sau khi đã thực hiện các công việc cho người sử dụng. Khả năng động này đưa đến khái niệm 64 lập trình từ xa (remote programming), trong đó các tác tử tham gia tương tác đảm nhân cả hai vai trò: cung cấp dịch vụ (server) và khai thác dịch vụ (client). - Tác tử phản ứng: Các tác tử phản ứng không xử lý mô hình bên trong đặc trưng của môi trường, thay vào đó chúng phản ứng lại với sự kích thích đối với trạng thái hiện tại của môi trường mà chúng hoạt động. Kiến trúc của các tác tử phản ứng và sự giao tiếp giữa chúng nhìn chung rất đơn giản. Tuy nhiên, khi xem xét tổng quát hệ thống tác tử, có thể thấy được sự tương tác phức tạp giữa chúng. Ba nguyên tắc cơ bản đối với các tác tử phản ứng là: o Tương tác động giữa các tác tử không thông minh có thể dẫn tới sự phức tạp. o Mỗi tác tử phản ứng thường được xem như là một tập hợp các đối tượng hoạt động một cách độc lập và thực hiện các tác vụ cụ thể, chẳng hạn cảm biến, mô tơ điều khiển. Giao tiếp giữa các đối tượng này thường ở mức thấp. o Một tác tử phản ứng thường làm với biểu diễn dữ liệu cảm biến mức thô, ngược lại với biểu diễn dữ liệu mức cao thường được sử dụng bởi các loại tác tử khác. 3.1.1.4. Ứng dụng của tác tử Tác tử được ứng dụng trên phạm vi rộng lớn trong nhiều lĩnh vực như sản xuất, giải trí, thương mại điện tử. Đơn cử như: - Các ứng dụng trợ giúp người sử dụng. Các ứng dụng loại này làm việc với người sử dụng cuối để nâng cao hiệu suất và giúp người sử dụng vận hành các hệ thống tính toán phức tạp dễ dàng hơn. Nhìn chung, chúng giao tiếp với người sử dụng để giúp họ quản lý lịch làm việc, thư 65 điện tử. Chúng có thể giao tiếp với các tác tử khác để thu thập thông tin. Các ứng dụng trợ giúp khác với các giao diện người sử dụng chuẩn việc được trao quyền để hành động ít nhất là bán tự động và chúng không chỉ là một công cụ để con người sử dụng và điều khiển. Có thể kể đến một vài ứng dụng trợ giúp sau: o Hệ thống học về hiện trạng của người sử dụng. o Hệ thống giao diện đa hình thái. o Các ứng dụng số cá nhân hoặc các ứng dụng giao tiếp thông minh cá nhân, chẳng hạn thư ký điện thoại số. - Các ứng dụng phục hồi thông tin. Các hệ thống loại này giúp người sử dụng tìm kiếm các thông tin mà họ yêu cầu một cách nhanh chóng và dễ dàng. Điều đó có thể thực hiện được bởi một tập các tác tử với các chức năng: o Quản lý đăng ký các dịch vụ. o Quản lý cơ sở dữ liệu. o Môi giới thông tin. o Chỉ dẫn truyền thông. - Các ứng dụng quản lý dịch vụ. Ví dụ như: o Các dịch vụ đa phương tiện. o Các dịch vụ mua/bán, chẳng hạn thông tin, nguyên liệu của hàng hoá. o Các dịch vụ quản lý mạng thông minh. - Các ứng dụng quản lý kinh doanh. Bao gồm: o Các dịch vụ tài chính. o Thương mại điện tử. 66 o Quản lý luồng công việc. o Tự động hoá văn phòng. Tác tử cũng rất phát triển trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp như điều khiển rô-bốt hay tương tác người máy. 3.1.2. Hệ đa tác tử Hệ đa tác tử (Multi Agent System - MAS) được định nghĩa như là một môi trường bao gồm nhiều tác tử, mà về bản chất là độc lập với nhau, phân tán và có thể không đồng nhất, cùng nhau giải quyết các công việc vượt quá khả năng của từng tác tử riêng rẽ. Nghiên cứu trong hệ đa tác tử chủ yếu đề cập đến cách kết hợp thông minh giữa các tác tử, cách chúng kết hợp về tri thức, mục đích, kỹ năng và kế hoạch hoạt động cùng nhau để giải quyết các vấn đề. 3.1.2.1. Mô hình Trong một hệ đa tác tử điển hình, ngoài các tác tử thông thường còn có các tác tử đặc biệt sau: Tác tử quản lý đăng ký dịch vụ (Directory Facilitator – DF) DF cung cấp khả năng quản lý đăng ký cho các tác tử tồn tại trong môi trường. Nó có nhiệm vụ duy trì, cập nhật thông tin về các tác tử, đóng vai trò cung cấp thông tin về các tác tử trong môi trường đó. Mỗi tác tử muốn quảng bá dịch vụ của nó cho những tác tử khác thì đầu tiên nó phải tìm được DF thích hợp, yêu cầu đăng ký với DF đó, sau đó gửi những thông tin mô tả dịch vụ của mình tới DF. Mỗi dịch vụ được đăng ký với DF có những tham số bắt buộc mô tả về dịch vụ như kiểu dịch vụ, tên dịch vụ, địa chỉ dịch vụ, các thuộc tính của dịch vụ. Khi không còn cung cấp dịch vụ đó nữa, tác tử sẽ gửi yêu cầu hủy đăng 67 ký dịch vụ tới cho DF, hoặc có thể yêu cầu DF chỉnh sửa thông tin dịch vụ đã đăng ký. Mỗi tác tử khi muốn tìm kiếm một dịch vụ nào đó sẽ gửi thông tin tìm kiếm tới DF. DF không bảo đảm thông tin nó cung cấp là chính xác, vì nó không có một hạn chế nào đối với những thông tin do các tác tử đăng ký với nó. Tuy nhiên, DF có quyền giới hạn truy nhập vào thư mục mô tả thông tin riêng của các tác tử và kiểm tra tất cả các quyền truy nhập của tác tử nhằm cập nhật thông tin về trạng thái tác tử. Mỗi DF có khả năng thực hiện một số chức năng sau: o Nhận đăng ký dịch vụ của một tác tử. o Hủy đăng ký dịch vụ đối với một tác tử o Sửa thông tin về dịch vụ của một tác tử o Tìm kiếm dịch vụ của tác tử Trong mỗi DF có một cơ chế tìm kiếm. Đầu tiên, DF ưu tiên tìm kiếm cục bộ trong cơ sở dữ liệu của nó, sau đó sẽ mở rộng phạm vi tìm kiếm đến những DF khác nếu cần thiết và được phép. Cơ chế tìm kiếm được thực hiện theo giải thuật tìm kiếm sâu. Khi một DF nhận một yêu cầu tìm kiếm, nó có thể gọi đến những DF khác đã đăng ký với nó để nhờ tìm kiếm giúp. Thông điệp yêu cầu tìm kiếm thông tin sẽ được gửi tiếp đi nếu tham số độ sâu tìm kiếm (max-depth) còn lớn hơn 1 và không có yêu cầu tìm kiếm khác cùng search-id có độ ưu tiên cao hơn. Nếu yêu cầu tìm kiếm được chuyển tiếp thì nó sẽ không thay đổi giá trị của tham số search-id khi nhân rộng phạm vi tìm kiếm. Trước mỗi lần nhân rộng phạm vi tìm kiếm, max-depth sẽ bị trừ đi một đơn vị. Tác tử quản lý môi trường (Agent Management System - AMS) 68 AMS là thành phần bắt buộc của mỗi môi trường tác tử, nó tồn tại duy nhất trong mỗi môi trường và chịu trách nhiệm quản lý hoạt động của môi trường đó, chẳng hạn như tạo các tác tử, xoá các tác tử, theo dõi sự di trú của các tác tử trong trường hợp đó là các tác tử động. AMS có thể yêu cầu một tác tử thực hiện một chức năng nào đó, nó có quyền “bắt buộc” nếu tác tử từ chối yêu cầu. AMS quản lý danh sách tất cả các tác tử hiện tại trong môi trường. Nó có những chức năng cơ bản sau: o Cho phép một tác tử đăng ký vào môi trường. o Cho phép một tác tử rời khỏi môi trường. o Thay đổi thông tin của một tác tử. o Tìm kiếm thông tin về một tác tử. o Lấy thông tin về một tác tử. Ngoài ra, “quyền lực” của AMS trong hệ thống đối với tác tử thể hiện qua những quyền sau: o Tạm dừng hoạt động của một tác tử. o Dừng hẳn một tác tử. o Tạo tác tử. o Phục hồi tác tử. o Yêu cầu tác tử thực hiện một tác vụ. o Quản lý tài nguyên của môi trường tác tử. 3.1.2.2. Môi trường hoạt động cho hệ đa tác tử (Agent Platform - AP) Môi trường hoạt động cho hệ đa tác tử là một cơ sở hạ tầng vật lý phục vụ cho tác tử. AP gồm hệ điều hành, những tiến trình, những phần mềm hỗ 69 trợ tác tử, những thành phần trong một hệ đa tác tử như DF, AMS và các tác tử. Cần chú ý rằng những tác tử nằm trong một AP không có nghĩa là tác tử đó nằm trong hệ thống vật lý đó mà có thể nằm ở vùng khác nhưng đăng ký với AMS. 3.1.2.3. Việc định danh tác tử (Agent Identification - AID) Mỗi tác tử trong môi trường có một định danh riêng biệt. Mỗi tác tử trong hệ thống được xác định bằng một định danh, đó là một tập các tham số, bao gồm: - Tên: là một tên đi liền với tác tử, là duy nhất và có thể được sử dụng để tham chiếu đến tác tử thay cho địa chỉ. Một mẫu tên thường gặp là kiểu: tên_tác_tử@tên_môi_trường - Địa chỉ: là một tập những địa chỉ mà các thông điệp có thể được gửi tới. Địa chỉ ở đây là địa chỉ vật lý. - Tên chú giải: là tham số chứa tập những địa chỉ dịch vụ chú giải. Địa chỉ dịch vụ chú giải là một dịch vụ được cung cấp bởi AMS, thông qua chức năng tìm kiếm. Tham số tên chú giải chứa một dãy những địa chỉ của các AID khác mà thông qua chúng thông điệp có thể đến địa chỉ của các tác tử đó. 3.1.2.4. Việc đăng ký tác tử Các trường hợp một tác tử phải đăng ký với AMS bao gồm: o Tác tử được tạo ra trong AP. o Tác tử di trú đến AP (đối với các AP hỗ trợ tác tử động). Một tác tử bắt buộc phải đăng ký với AP, giả sử rằng AP này hỗ trợ việc đăng ký động và sẵn sàng nhận đăng ký của một tác tử mới. Việc đăng ký 70 động là khi một tác tử đã có một môi trường chính (Home Agent Platform - HAP) nhưng vẫn muốn đăng ký đến một AP khác như một tác tử địa phương. Việc đăng ký tác tử liên quan đến đăng ký một AID với AMS. Khi một tác tử được tạo ra hoặc đăng ký động với một AP, tác tử đó phải đăng ký với AMS, khi đó nó sẽ sử dụng chức năng đăng ký. 3.1.2.5. Điều phối hoạt động trong hệ đa tác tử Trong một hệ đa tác tử chia sẻ chung một môi trường hoạt động, tương tác giữa các tác tử sẽ tăng lên khi số tác tử tăng lên. Một tác tử có thể làm thay đổi một số đặc tính của môi trường, thay đổi này tác động đến các tác tử khác, chẳng hạn nó chiếm quyền sử dụng một tài nguyên làm cho các tác tử khác không truy nhập được tài nguyên này. Khi quyết định của một tác tử làm ảnh hưởng đến hoạt động của các tác tử khác, sự điều phối giữa các tác tử là rất cần thiết. Trước hết, ta sẽ điểm qua một vài định nghĩa về điều phối để hiểu được khái niệm này. + Định nghĩa 1: Điều phối là một cơ chế đảm bảo các tác tử duy trì mối liên hệ giữa các hoạt động của nó, chẳng hạn như trình tự thực thi. Điều khiển các thông tin điều phối phải được thực hiện bởi một tác tử thông minh. Mức độ điều khiển là từ 0 (zero) đến tuyệt đối (total). Đối với tác tử, không điều khiển tương ứng với tự chủ tuyệt đối, ngược lại điều khiển tuyệt đối tương ứng với không có tính tự chủ. + Định nghĩa 2: Trong hệ đa tác tử, điều phối là quá trình mà trong đó mỗi tác tử học về các hành động của nó và đoán trước các hành động của các tác tử khác để cố gắng đảm bảo các hành động liên lạc với nhau trong một 71 mối liên kết thống nhất. Có nghĩa là các hoạt động của mỗi tác tử đều được thực hiện tốt và không xung đột với các tác tử khác. Điều phối nhằm mục đích: - Tránh sự hỗn loạn: Trong các hệ thống tác tử, sự hỗn loạn rất dễ xảy ra. Không một tác tử nào có thể bao quát hết được môi trường, hệ thống mà nó thuộc vào do cộng đồng tác tử rất phức tạp. Mỗi tác tử chỉ có khung nhìn cục bộ, do đó mục đích và kiến thức của chúng có thể xung đột nhau. Giống như bất kỳ một xã hội phức tạp nào, từng nhóm tác tử phải được điều phối để đạt được mục đích chung. - Thỏa mãn những ràng buộc chung: Thông thường mỗi nhóm tác tử phải thỏa mãn một số ràng buộc chung nếu muốn công việc thành công. Ví dụ như một hệ thống đa tác tử đang được xây dựng phải thoả mãn ràng buộc là nằm trong ngân sách định trước. Các tác tử quản lý hệ thống mạng phải đáp ứng yêu cầu về thời gian, xử lý lỗi trong vòng vài giây hay xử lý một số vấn đề khác trong vòng vài giờ. Do đó các tác tử cần điều phối hành vi của chúng để thoả mãn các điều kiện ràng buộc chung. - Chia sẻ kinh nghiệm, nguồn tài nguyên và thông tin: Trong hệ đa tác tử, các tác tử có những khả năng và kiến thức khác nhau. Chúng có các nguồn thông tin, tài nguyên, mức độ tin cậy, khả năng đáp ứng, các dịch vụ khác nhau. Trong trường hợp này các tác tử phải được điều phối, cũng giống như trường hợp các chuyên gia về y học như bác sĩ gây mê, bác sĩ phẫu thuật, bác sĩ cấp cứu, y tá cùng làm việc với nhau để cứu chữa cho bệnh nhân. Trong ví dụ này, mỗi chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực của mình, họ chia sẻ thông tin chung về tình trạng của bệnh nhân, chia sẻ về nguồn tài nguyên dụng cụ y tế. 72 - Độc lập giữa những hành động của các tác tử: Mục đích của các tác tử thường hay phụ thuộc lẫn nhau. Xét ví dụ hai tác tử phải giải quyết các khối công việc sau: Hình 3.1. Sự phụ thuộc các hành động giữa các tác tử Có hai tác tử: tác tử 1 có hai khối công việc là A và B, tác tử 2 có khối công việc là C. Mục đích của chúng là thực hiện một công việc có kết quả theo thứ tự A, B, C. Rõ ràng để thực hiện được mục đích này các tác tử phụ thuộc vào nhau: tác tử thứ hai phải đợi tác tử thứ nhất thực hiện xong thì nó mới có thể thực hiện công việc của mình. Khi hành động của các tác tử phụ thuộc vào nhau, chúng cần phải điều phối các hoạt động của mình. - Đảm bảo hiệu năng cao: Ngay cả khi chức năng của các tác tử là độc lập nhau thì chúng vẫn cần phải điều phối, vì thông tin của tác tử này sẽ ảnh hưởng đến các tác tử khác. Sự phối hợp với nhau sẽ giúp giải quyết các bài toán nhanh chóng và dễ dàng hơn. Điều phối có thể bao gồm cả hợp tác, nhưng cần nhấn mạnh rằng hợp tác không phải là yêu cầu bắt buộc trong một hệ đa tác tử. Điều phối cũng có thể không cần sự hợp tác. Ví dụ như có một người đang chạy về phía bạn nhưng bạn muốn thoát khỏi anh ta, khi đó bạn sẽ điều phối các hành động của mình đối với anh ta cho phù hợp mà không phải là hợp tác với anh ta. Để có được khả năng điều phối, các tác tử có thể phải liên lạc với nhau. Tuy nhiên, điều phối cũng có thể không cần sự liên lạc, các tác tử không cần cung cấp các mô hình hành vi của mình cho nhau. Trong trường hợp này, sự 73 điều phối đạt được bằng cách tổ chức. Song để điều phối giữa các tác tử được dễ dàng, chúng nên hợp tác với nhau thông qua việc liên lạc, truyền thông để có thể biết được về mục đích, ý định, kết quả và trạng thái của nhau. Trong môi trường phân tán, điều phối còn có các tác dụng: - Đảm bảo mạng luôn thông suốt: hạn chế sự quá tải trên toàn hệ thống phân tán. - Phân định nhiệm vụ và nguồn tài nguyên giữa các tác tử. - Nhận biết và giải quyết các mối xung đột giữa các mục đích, sự kiện, hiểu biết, khung nhìn và hành vi của các tác tử. - Giúp đưa ra kiến trúc cần có của một tác tử mới. Ngoài ra, sự điều phối giúp các tác tử tránh thực hiện những hoạt động không cần thiết. - Tránh livelock: điều phối giúp tránh trường hợp các tác tử hoạt động liên tục mà không thu được sự tiến bộ nào. - Tránh deadlock: nhờ điều phối, hiện tượng deadlock được giảm thiểu. - Tối đa hóa khả năng của mỗi tác tử. - Đảm bảo sự nhất quán cho hệ thống. 3.1.3. Truyền thông giữa các tác tử Hình 3.2. Truyền thông giữa các tác tử 74 Truyền thông là cách để các tác tử trao đổi thông tin, trên cơ sở đó chúng cộng tác với nhau để thực thi công việc. Giao thức truyền thông là nhân tố quan trọng quyết định chất lượng hợp tác giữa các tác tử. Trong hệ đa tác tử, các tác tử trao đổi thông tin với nhau bằng nhiều cách: trao đổi trực tiếp bằng các thông điệp, tự tổ chức trao đổi trong một hệ thống hợp nhất, giao tiếp thông qua tác tử trợ giúp (facilitator) hay chúng có thể quảng bá các thông điệp. Một cách khác phổ biến hơn để các tác tử giao tiếp với nhau là thông qua một kho dữ liệu dùng chung (blackboard), trong đó các thông tin được gửi vào và lấy ra. Ngôn ngữ truyền thông giữa các tác tử Các tác tử có khả năng tương tác với người sử dụng, với các dịch vụ hệ thống hoặc tác tử khác. Để giao tiếp với nhau thì chúng cần ngôn ngữ. Ngôn ngữ truy vấn và thao tác tri thức (Knowledge Query and Manipulation Language - KQML) là ngôn ngữ dùng cho giao tiếp mức thông điệp giữa các tác tử. KQML được hiểu như là một giao thức định dạng và xử lý thông điệp, cung cấp khả năng chia sẻ tri thức giữa các tác tử. Các đặc điểm cơ bản của KQML là: - Không trong suốt với nội dung mà chúng mang: Các thông điệp KQML không chỉ đơn thuần là những câu giao tiếp, chúng còn thể hiện quan điểm về một nội dung như xác nhận, yêu cầu, truy vấn, trả lời. - Cơ sở của ngôn ngữ là các biểu hiện (performative): Các biểu hiện định nghĩa các hành động giữa các tác tử - Hỗ trợ truyền thông điểm - điểm: xét ở cấp độ một tác tử, sự truyền thông được coi như là sự truyền thông điệp từ điểm này tới điểm khác. 75 - Cho phép sự góp mặt của các tác tử trợ giúp: Môi trường trong đó các tác tử giao tiếp với nhau bằng KQML có thể có sự góp mặt của các tác tử đặc biệt, gọi là các tác tử trợ giúp. Đó là các tác tử hỗ trợ cho các tác tử khác các chức năng để giải quyết các vấn đề xảy ra, chẳng hạn như liên hệ giữa các địa chỉ vật lý với các tên tượng trưng, hỗ trợ việc đăng ký của các tác tử, việc tìm kiếm các dịch vụ, các dịch vụ giao tiếp nâng cao như chuyển tiếp, môi giới. KQML định nghĩa một tập các mẫu thông điệp. Sau đây là một ví dụ về thông điệp KQML: (ask-if :sender A :receiver B :language Prolog :ontology foo :reply- with id1 :content “bar(a,b)” ) Trong ngôn ngữ KQML, ask-if là một biểu hiện. Trong ví dụ trên, một tác tử có tên là A (:sender) hỏi tác tử B (:receiver) bằng ngôn ngữ Prolog (:language) về trạng thái thật của “bar(a,b)” (:content). Bất kỳ câu trả lời nào cho thông điệp KQML này sẽ được nhận dạng bởi id1 (:reply-with). Ontology tên foo có thể cung cấp thêm thông tin về việc thông dịch :content. Giả sử rằng B không có khả năng thực hiện các thao tác mà A đề nghị trong thông điệp trước, khi đó B sẽ trả lời A bằng thông điệp như sau: (sorry :sender B :receiver A 76 :in-reply-to id1 :reply-with id2 ) Tác tử B (:sender) sử dụng biểu hiện sorry để thông tin cho A(:receiver) biết rằng nó không thể thực hiện việc xác định bar(a,b). Tác tử A sẽ biết được chính xác thông điệp này muốn nói đến sự xác định nào bởi vì B sử dụng tham số: in-reply-to với giá trị id1. 3.2. Tiềm năng ứng dụng công nghệ tác tử trong lưới Cả lưới và tác tử đều là các khái niệm được phát triển từ các hệ phân tán m