title: Infrastructural Security for Virtualized Grid Computing
title: Infrastructural Security for Virtualized Grid Computing
title: Infrastrukturelle Sicherheit im virtualisierten Grid Computing
Creators: name: Schmidt, Matthias
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Virtualisierung
Security
Informatik
Computersicherheit
Virtualization
Grid Computing

description: Ein Grid soll einem Benutzer
      Ressourcen so einfach zu Verfüng stellen, wie das Stromnetz:
      Ein Gerät wird an die Steckdose angeschlossen und sofort
      danach mit Strom versorgt. Im Gegensatz zu einer Steckdose
      nutzt Grid Computing allerdings entfernte Ressourcen, die bei
      einem Provider installiert sind. Diese können durch
      böswillige Nutzer missbraucht werden, die damit nicht nur
      ihre eigenen Installationen sondern auch die von anderen
      Benutzern und dem Provider gefährden. Ressourcen im Grid
      Computing werden gemeinsam benutzt, d.h. Daten und Programme
      von konkurrierenden Nutzern oder Unternehmen sind auf der
      selben physischen Ressource gespeichert. Diese gemeinsame
      Nutzung stellt eines der Hauptprobleme dar, da Unternehmen
      sich im Allgemeinen gegenseitig misstrauen und die Gefahr
      durch Industriespionage omnipräsent ist. Die aktuelle
      Strategie, um mit diesen Problemen umzugehen, basiert auf dem
      Vertrauen des Nutzers gegenüber anderen Nutzern und dem
      Administrator. Diese Entwicklung resultiert aus der Tatsache,
      dass sich das Grid von einer rein akademischen Spielwiese hin
      zu einem anerkannten Produkt mit ersten kommerziellen
      Anwendern entwickelt hat. Im Gegensatz zu kommerziellen
      Anwendern haben akademische Nutzer meist niedrigere
      Sicherheitsanforderungen, da Quelldaten und Ergebnisse frei
      zur Verfügung stehen. Kommerzielle Daten und Anwendungen
      beinhalten in der Regel geistiges Eigentum, das besonderem
      Schutz bedarf. In der gemeinsamen Nutzung von Ressourcen im
      traditionellen Grid Computing liegt also eines der
      Hauptprobleme, welches die kommerzielle Verbreitung
      erschwert. Informationen über andere Benutzer und deren Jobs
      können auf solchen Systemen einfach erlangt werden. In den
      einfachsten Fällen stellt die blosse Kenntnis, dass ein
      Konkurrent auf demselben System rechnet, einen
      Informationsvorsprung dar, der nicht akzeptabel ist, da
      sogenannte Meta-Daten meist vertraulich sind. Es kann
      konstatiert werden, dass ein wirksamer Schutz von sensitiven
      Inhalten im Grid nicht ausreichend vorhanden ist. Diese
      Arbeit stellt neue Infrastruktur-Mechanismen vor, die das
      Konzept von virtuellen Grids weiter voran bringen. Die
      Arbeiten dafür begannen 2007 und haben zur Entwicklung der
      XGE geführt. Die XGE ist eine Software zum Erzeugen und
      Verwalten von virtuellen Grid-Umgebungen. Jobs von Benutzern
      werden nicht länger nativ, sondern in virtuellen Maschinen
      ausgeführt. Um die Software einfach in ein bestehendes Grid
      einzubinden, kann die XGE die Entscheidungen eines bereits
      installierten Schedulers nutzen und mit der Grid-Middleware
      auf der Grid-Headnode zusammenarbeiten. Eine neue
      Grid-fähige, zweigleisige, demilitarisierte Zone schützt die
      Grid-Headnode vor direkten Angriffen aus dem Internet. Zudem
      sind die Headnode und die Rechenknoten voneinander isoliert
      und nicht, wie in einem traditionellen Grid-Umfeld, im selben
      Netzwerk installiert. Obwohl die demilitarisierte Zone
      Angriffe erschwert, bietet sie, wie alle Sicherheitslösungen,
      keinen hundertprozentigen Schutz. Daher ist ein Network
      Intrusion Detection System um Grid-spezifische Signaturen
      erweitert worden, damit Angriffe auf Grid-Komponenten
      verhindert und aufgezeichnet werden können. Um die Daten der
      Benutzer über die demilitarisierte Zone hinaus zu schützen,
      ist eine Lösung namens Fence entwickelt worden, die die Daten
      verschlüsselt vom Rechner des Benutzers in das interne
      Grid-Netzwerk überträgt. Fence arbeitet dabei mit allen
      beteiligten Komponenten, inklusive dem Scheduler, zusammen.
      Ein System verhindert, dass unsichere Kernel-Module und somit
      auch Kernel-Rootkits zur Laufzeit geladen werden können. Um
      die Sicherheit der virtuellen Maschinen zu gewährleisten wird
      ein Malware-Scanner eingesetzt. Dieser nutzt die spezielle
      Technik der Virtual Machine Introspection um alle laufenden
      Programme zu überwachen und dabei selber unsichtbar und, für
      die meiste Malware, unangreifbar zu bleiben. Um die Erkennung
      zu beschleunigen, können mehrere Erkennungsinstanzen im Grid
      parallel betrieben werden. Das neue Konzept der öffentlichen,
      virtuellen Grid-Knoten wird ebenfalls im Kontext dieser
      Arbeit vorgestellt. Dies ist eine Menge von Grid-Knoten, die
      aus dem Internet erreichbar und durch dynamische Firewalls
      geschützt sind. Die Knoten können sich sowohl in einem, als
      auch in mehreren Rechenzentren befinden. Ein spezieller
      Web-Service erlaubt es dem Benutzer eigene Firewall-Regeln
      für seine virtuellen Maschinen zu spezifizieren, ohne damit
      die Gesamtumgebung zu gefährden. Das Hauptergebnis der Arbeit
      sind Lösungen, die dazu beitragen die Sicherheit von
      Grid-Infrastrukturen auf unterschiedlichen Ebenen zu erhöhen.
      Alle Ansätze werden detailliert mit Design, Implementierung
      und Evaluation beschrieben und sind als Open-Source-Software
      frei verfügbar. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf
      kommende Forschung schliessen die Arbeit ab.
description: The goal of the grid computing
      paradigm is to make computer power as easy to access as an
      electrical power grid. Unlike the power grid, the computer
      grid uses remote resources located at a service provider.
      Malicious users can abuse the provided resources, which not
      only affects their own systems but also those of the provider
      and others. Resources are utilized in an environment where
      sensitive programs and data from competitors are processed on
      shared resources, creating again the potential for misuse.
      This is one of the main security issues, since in a business
      environment competitors distrust each other, and the fear of
      industrial espionage is always present. Currently, human
      trust is the strategy used to deal with these threats. The
      relationship between grid users and resource providers ranges
      from highly trusted to highly untrusted. This wide trust
      relationship occurs because grid computing itself changed
      from a research topic with few users to a widely deployed
      product that included early commercial adoption. The
      traditional open research communities have very low security
      requirements, while in contrast, business customers often
      operate on sensitive data that represents intellectual
      property; thus, their security demands are very high. In
      traditional grid computing, most users share the same
      resources concurrently. Consequently, information regarding
      other users and their jobs can usually be acquired quite
      easily. This includes, for example, that a user can see which
      processes are running on another user´s system. For business
      users, this is unacceptable since even the meta-data of their
      jobs is classified. As a consequence, most commercial
      customers are not convinced that their intellectual property
      in the form of software and data is protected in the grid.
      This thesis proposes a novel infrastructural security
      solution that advances the concept of virtualized grid
      computing. The work started back in 2007 and led to the
      development of the XGE, a virtual grid management software.
      The XGE itself uses operating system virtualization to
      provide a virtualized landscape. Users’ jobs are no longer
      executed in a shared manner; they are executed within special
      sandboxed environments. To satisfy the requirements of a
      traditional grid setup, the solution can be coupled with an
      installed scheduler and grid middleware on the grid head
      node. To protect the prominent grid head node, a novel
      dual-laned demilitarized zone is introduced to make attacks
      more difficult. In a traditional grid setup, the head node
      and the computing nodes are installed in the same network, so
      a successful attack could also endanger the user´s software
      and data. While the zone complicates attacks, it is, as all
      security solutions, not a perfect solution. Therefore, a
      network intrusion detection system is enhanced with grid
      specific signatures. A novel software called Fence is
      introduced that supports end-to-end encryption, which means
      that all data remains encrypted until it reaches its final
      destination. It transfers data securely between the user´s
      computer, the head node and the nodes within the shielded,
      internal network. A lightweight kernel rootkit detection
      system assures that only trusted kernel modules can be
      loaded. It is no longer possible to load untrusted modules
      such as kernel rootkits. Furthermore, a malware scanner for
      virtualized grids scans for signs of malware in all running
      virtual machines. Using virtual machine introspection, that
      scanner remains invisible for most types of malware and has
      full access to all system calls on the monitored system. To
      speed up detection, the load is distributed to multiple
      detection engines simultaneously. To enable multi-site
      service-oriented grid applications, the novel concept of
      public virtual nodes is presented. This is a virtualized grid
      node with a public IP address shielded by a set of dynamic
      firewalls. It is possible to create a set of connected,
      public nodes, either present on one or more remote grid
      sites. A special web service allows users to modify their own
      rule set in both directions and in a controlled manner. The
      main contribution of this thesis is the presentation of
      solutions that convey the security of grid computing
      infrastructures. This includes the XGE, a software that
      transforms a traditional grid into a virtualized grid. Design
      and implementation details including experimental evaluations
      are given for all approaches. Nearly all parts of the
      software are available as open source software. A summary of
      the contributions and an outlook to future work conclude this
      thesis.