Security for Service-Oriented On-Demand Grid Computing

Grid Computing ist mittlerweile zu einem etablierten Standard für das verteilte Höchstleistungsrechnen geworden. Während die erste Generation von Grid Middleware-Systemen noch mit proprietären Schnittstellen gearbeitet hat, wurde durch die Einführung von service-orientierten Standards wie WSDL und SOAP durch die Open Grid Services Architecture (OGSA) die Interoperabilität von Grids signifikant erhöht. Dies hat den Weg für mehrere nationale und internationale Grid-Projekten bereitet, in denen eine groß e Anzahl von akademischen und eine wachsende Anzahl von industriellen Anwendungen im Grid ausgeführt werden, die die bedarfsgesteuerte (on-demand) Provisionierung und Nutzung von Ressourcen erfordern. Bedarfsgesteuerte Grids zeichnen sich dadurch aus, dass sowohl die Software, als auch die Benutzer einer starken Fluktuation unterliegen. Weiterhin sind sowohl die Software, als auch die Daten, auf denen operiert wird, meist proprietär und haben einen hohen finanziellen Wert. Dies steht in starkem Kontrast zu den heutigen Grid-Anwendungen im akademischen Umfeld, die meist offen im Quellcode vorliegen bzw. frei verfügbar sind. Um den Ansprüchen einer bedarfsgesteuerten Grid-Nutzung gerecht zu werden, muss das Grid administrative Komponenten anbieten, mit denen Anwender autonom Software installieren können, selbst wenn diese Root-Rechte benötigen. Zur gleichen Zeit muss die Sicherheit des Grids erhöht werden, um Software, Daten und Meta-Daten der kommerziellen Anwender zu schützen. Dies würde es dem Grid auch erlauben als Basistechnologie für das gerade entstehende Gebiet des Cloud Computings zu dienen, wo ähnliche Anforderungen existieren. Wie es bei den meisten komplexen IT-Systemen der Fall ist, sind auch in traditionellen Grid Middlewares Schwachstellen zu finden, die durch die geforderten Erweiterungen der administrativen Möglichkeiten potentiell zu einem noch größ erem Problem werden. Die Schwachstellen in der Grid Middleware öffnen einen homogenen Angriffsvektor auf die ansonsten heterogenen und meist privaten Cluster-Umgebungen. Hinzu kommt, dass anders als bei den privaten Cluster-Umgebungen und kleinen akademischen Grid-Projekten die angestrebten groß en und offenen Grid-Landschaften die Administratoren mit gänzlich unbekannten Benutzern und Verhaltenstrukturen konfrontieren. Dies macht das Erkennen von böswilligem Verhalten um ein Vielfaches schwerer. Als Konsequenz werden Grid-Systeme ein immer attraktivere Ziele für Angreifer, da standardisierte Zugriffsmöglichkeiten Angriffe auf eine groß e Anzahl von Maschinen und Daten von potentiell hohem finanziellen Wert ermöglichen. Während die Rechenkapazität, die Bandbreite und der Speicherplatz an sich schon attraktive Ziele darstellen können, sind die im Grid enthaltene Software und die gespeicherten Daten viel kritischere Ressourcen. Modelldaten für die neuesten Crash-Test Simulationen, eine industrielle Fluid-Simulation, oder Rechnungsdaten von Kunden haben einen beträchtlichen Wert und müssen geschützt werden. Wenn ein Grid-Anbieter nicht für die Sicherheit von Software, Daten und Meta-Daten sorgen kann, wird die industrielle Verbreitung der offenen Grid-Technologie nicht stattfinden. Die Notwendigkeit von strikten Sicherheitsmechanismen muss mit der diametral entgegengesetzten Forderung nach einfacher und schneller Integration von neuer Software und neuen Kunden in Einklang gebracht werden. In dieser Arbeit werden neue Ansätze zur Verbesserung der Sicherheit und Nutzbarkeit von service-orientiertem bedarfsgesteuertem Grid Computing vorgestellt. Sie ermöglichen eine autonome und sichere Installation und Nutzung von komplexer, service-orientierter und traditioneller Software auf gemeinsam genutzen Ressourcen. Neue Sicherheitsmechanismen schützen Software, Daten und Meta-Daten der Anwender vor anderen Anwendern und vor externen Angreifern. Das System basiert auf Betriebssystemvirtualisierungstechnologien und bietet dynamische Erstellungs- und Installationsfunktionalitäten für virtuelle Images in einer sicheren Umgebung, in der automatisierte Mechanismen anwenderspezifische Firewall-Regeln setzen, um anwenderbezogene Netzwerkpartitionen zu erschaffen. Die Grid-Umgebung wird selbst in mehrere Bereiche unterteilt, damit die Kompromittierung von einzelnen Komponenten nicht so leicht zu einer Gefährdung des gesamten Systems führen kann. Die Grid-Headnode und der Image-Erzeugungsserver werden jeweils in einzelne Bereiche dieser demilitarisierten Zone positioniert. Um die sichere Anbindung von existierenden Geschäftsanwendungen zu ermöglichen, werden der BPEL-Standard (Business Process Execution Language) und eine Workflow-Ausführungseinheit um Grid-Sicherheitskonzepte erweitert. Die Erweiterung erlaubt eine nahtlose Integration von geschützten Grid Services mit existierenden Web Services. Die Workflow-Ausführungseinheit bietet die Erzeugung und die Erneuerung (im Falle von lange laufenden Anwendungen) von Proxy-Zertifikaten. Der Ansatz ermöglicht die sichere gemeinsame Ausführung von neuen, fein-granularen, service-orientierten Grid Anwendungen zusammen mit traditionellen Batch- und Job-Farming Anwendungen. Dies wird durch die Integration des vorgestellten Grid Sandboxing-Systems in existierende Cluster Scheduling Systeme erreicht. Eine innovative Server-Rotationsstrategie sorgt für weitere Sicherheit für den Grid Headnode Server, in dem transparent das virtuelle Server Image erneuert wird und damit auch unbekannte und unentdeckte Angriffe neutralisiert werden. Um die Angriffe, die nicht verhindert werden konnten, zu erkennen, wird ein neuartiges Intrusion Detection System vorgestellt, das auf Basis von Datenstrom-Datenbanksystemen funktioniert. Als letzte Neuerung dieser Arbeit wird eine Erweiterung des modellgetriebenen Softwareentwicklungsprozesses eingeführt, die eine automatisierte Generierung von sicheren Grid Services ermöglicht, um die komplexe und damit unsichere manuelle Erstellung von Grid Services zu ersetzen. Eine prototypische Implementierung der Konzepte wird auf Basis des Globus Toolkits 4, der Sun Grid Engine und der ActiveBPEL Engine vorgestellt. Die modellgetriebene Entwicklungsumgebung wurde in Eclipse für das Globus Toolkit 4 realisiert. Experimentelle Resultate und eine Evaluation der kritischen Komponenten des vorgestellten neuen Grids werden präsentiert. Die vorgestellten Sicherheitsmechanismem sollen die nächste Phase der Evolution des Grid Computing in einer sicheren Umgebung ermöglichen

MAGDA: A Mobile Agent based Grid Architecture

Mobile agents mean both a technology and a programming paradigm. They allow for a flexible approach which can alleviate a number of issues present in distributed and Grid-based systems, by means of features such as migration, cloning, messaging and other provided mechanisms. In this paper we describe an architecture (MAGDA – Mobile Agent based Grid Architecture) we have designed and we are currently developing to support programming and execution of mobile agent based application upon Grid systems

Designing a Resource Broker for Heterogeneous Grids

Grids provide uniform access to aggregations of heterogeneous resources and services such as computers, networks and storage owned by multiple organizations. However, such a dynamic environment poses many challenges for application composition and deployment. In this paper, we present the design of the Gridbus Grid resource broker that allows users to create applications and specify different objectives through different interfaces without having to deal with the complexity of Grid infrastructure. We present the unique requirements that motivated our design and discuss how these provide flexibility in extending the functionality of the broker to support different low-level middlewares and user interfaces. We evaluate the broker with different job profiles and Grid middleware and conclude with the lessons learnt from our development experience.Comment: 26 pages, 15 figure

Survey and Analysis of Production Distributed Computing Infrastructures

This report has two objectives. First, we describe a set of the production distributed infrastructures currently available, so that the reader has a basic understanding of them. This includes explaining why each infrastructure was created and made available and how it has succeeded and failed. The set is not complete, but we believe it is representative. Second, we describe the infrastructures in terms of their use, which is a combination of how they were designed to be used and how users have found ways to use them. Applications are often designed and created with specific infrastructures in mind, with both an appreciation of the existing capabilities provided by those infrastructures and an anticipation of their future capabilities. Here, the infrastructures we discuss were often designed and created with specific applications in mind, or at least specific types of applications. The reader should understand how the interplay between the infrastructure providers and the users leads to such usages, which we call usage modalities. These usage modalities are really abstractions that exist between the infrastructures and the applications; they influence the infrastructures by representing the applications, and they influence the ap- plications by representing the infrastructures

Service-oriented models for audiovisual content storage

What are the important topics to understand if involved with storage services to hold digital audiovisual content? This report takes a look at how content is created and moves into and out of storage; the storage service value networks and architectures found now and expected in the future; what sort of data transfer is expected to and from an audiovisual archive; what transfer protocols to use; and a summary of security and interface issues

Service-Oriented Ad Hoc Grid Computing

Subject of this thesis are the design and implementation of an ad hoc Grid infrastructure. The vision of an ad hoc Grid further evolves conventional service-oriented Grid systems into a more robust, more flexible and more usable environment that is still standards compliant and interoperable with other Grid systems. A lot of work in current Grid middleware systems is focused on providing transparent access to high performance computing (HPC) resources (e.g. clusters) in virtual organizations spanning multiple institutions. The ad hoc Grid vision presented in this thesis exceeds this view in combining classical Grid components with more flexible components and usage models, allowing to form an environment combining dedicated HPC-resources with a large number of personal computers forming a "Desktop Grid". Three examples from medical research, media research and mechanical engineering are presented as application scenarios for a service-oriented ad hoc Grid infrastructure. These sample applications are also used to derive requirements for the runtime environment as well as development tools for such an ad hoc Grid environment. These requirements form the basis for the design and implementation of the Marburg ad hoc Grid Environment (MAGE) and the Grid Development Tools for Eclipse (GDT). MAGE is an implementation of a WSRF-compliant Grid middleware, that satisfies the criteria for an ad hoc Grid middleware presented in the introduction to this thesis. GDT extends the popular Eclipse integrated development environment by components that support application development both for traditional service-oriented Grid middleware systems as well as ad hoc Grid infrastructures such as MAGE. These development tools represent the first fully model driven approach to Grid service development integrated with infrastructure management components in service-oriented Grid computing. This thesis is concluded by a quantitative discussion of the performance overhead imposed by the presented extensions to a service-oriented Grid middleware as well as a discussion of the qualitative improvements gained by the overall solution. The conclusion of this thesis also gives an outlook on future developments and areas for further research. One of these qualitative improvements is "hot deployment" the ability to install and remove Grid services in a running node without interrupt to other active services on the same node. Hot deployment has been introduced as a novelty in service-oriented Grid systems as a result of the research conducted for this thesis. It extends service-oriented Grid computing with a new paradigm, making installation of individual application components a functional aspect of the application. This thesis further explores the idea of using peer-to-peer (P2P networking for Grid computing by combining a general purpose P2P framework with a standard compliant Grid middleware. In previous work the application of P2P systems has been limited to replica location and use of P2P index structures for discovery purposes. The work presented in this thesis also uses P2P networking to realize seamless communication accross network barriers. Even though the web service standards have been designed for the internet, the two-way communication requirement introduced by the WSRF-standards and particularly the notification pattern is not well supported by the web service standards. This defficiency can be answered by mechanisms that are part of such general purpose P2P communication frameworks. Existing security infrastructures for Grid systems focus on protection of data during transmission and access control to individual resources or the overall Grid environment. This thesis focuses on security issues within a single node of a dynamically changing service-oriented Grid environment. To counter the security threads arising from the new capabilities of an ad hoc Grid, a number of novel isolation solutions are presented. These solutions address security issues and isolation on a fine-grained level providing a range of applicable basic mechanisms for isolation, ranging from lightweight system call interposition to complete para-virtualization of the operating systems