（计算机应用技术专业论文）网格中多用户协同计算的安全认证机制研究.pdf

中文摘要多用户协同计算概念的提出将从根本上改变人们对“计算”的看法，因为它提供的是与以往根本不同的计算方式。多用户协同计算的一个具体实现就是网格系统。网格概念的核心就是突破了以往强加在计算资源上的种种限制，使人们可以以一种全新的更自由、更方便的方式使用计算资源，解决更复杂的问题。网格技术强大的功能在给科学研究带来极大便利的同时，也不得不担心网上应用的安全性，从而使得我们在获取便利、快捷的功能和服务的同时不用担心信息的泄漏或被窃取。作为网格安全的第一道防线，某种程度上也是最重要的一道防线，认证技术普遍受到关注。现有的分布式安全认证模型有认证机构的严格层次结构认证模型、w e b 认证模型，以用户为中心的认证模型和以“组织”为中心的认证模型。但这些模型都存在着各种各样的缺陷。如果使用严格层次结构认证模型，证书的管理会比较复杂；采用w e b 认证模型，完全由浏览器自动信任预安装的c a ，使得这种模式存在着很大的安全隐患和局限；以用户为中心的模型在技术水平较高和利害关系高度一致的群体中是可行的，但是在一般的群体( 它的许多用户有极少或者没有安全及p k i 的概念) 中是不现实的：采用以“组织”为中心的认证模型，在路径选择上将会遇到很大的问题。本文研究设计并深入分析了一种以“组织”为中心的混合认证模型。此认证模型支持用户身份认证、证书的签发存取、数字签名等功能。在此模型中，用户所信任的一个根认证中心队各个“组织”进行管理；每个“组织”内的认证都是一个严格层次认证模型，网格环境中数量众多的“组织”按照不同的证书策略进行归类，组成不同的策略域组合，由策略服务器和作为管理中心的顶级的根认证中心进行连接。而根认证中心不参与终端用户和中间层c a 的证书颁发和管理工作，而只负责对各个“组织”进行管理。关键词：多用户协同计算，网格，身份认证a b s t r a c tt h ec o n c e p t i o no f c o o p e r a t i v ec o m p u t i n gf o rm u l t i - u s e r sw i l lc h a n g et h ev i e wo f p e o p l eo n c o m p u t i n g t h o r o u g h l y , f o ri ts u p p l i e sf o ran e wc o m p u t e - m o d e t h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no f c o o p e r a t i v ec o m p u t i n gf o rm u l t i - u s e r si sg r i ds y s t e m t h eg r i ds y s t e mb r e a k st h r o u g ht h er e s t r i c t i o n st h a ti m p o s e dt oi tp r e v i o u s l y , a n dm a k e sp e o p l es o l v i n gc o m p l i c a t e dp r o b l e mm o r ef r e e l ya n dm o r ee x p e d i e n t l y w i t ht h ep o w e r f u lf u n c t i o n sg r i dt e c h n o l o g i e sc a l lb r i n gg r e a tc o n v e n i e n c et os c i e n t i f i cr e s e a r c h e s ，m u c ha t t e n t i o nm u s tb eg i v e nt ot h es e c u r i t yo f t h en e t w o r ka p p l i c a t i o n ss ot h a ti n f o r m a t i o nw o n tb el e a ko rs t o l e nw h i l eu s i n gt h ef a s ta n dc o n v e n i e n tf i m c t i o n sa n ds e r v i c e s a st h ef i r s ta n dm o s ti m p o t a n td e f e n t - l i n e ，a n t h e n t i c a t i o ni sf a t a l e x i s t i n gg r i ds e c u r i t yc e r t i f i c a t em o d e l si n c l u d e ：c e n t r a l i z e dc a ( c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) m o d e l ，m u l t i c am o d e la n dc r o s s e dc e r t i f i c a t em o d e l b u tt h e s em o d e l sh a v ev a r i o u sd e f e c t s w h i l eu s i n gc e n t r a l i z e dc am o d e lo rm u l t ic am o d e l ，m a n a g i n gc e r t i f i c a t e sw i l lb ev e r yc o m p l i c a t e da n dt h ea m o u n to f d a t aa n du p d a t ea m o u n t sa r eg r e a tb ym e a n so f a d o p t i n gg e n e r a lm a n a g e m e n tm o d eo f t h ec e n t r a l i z e dm o d e l w h e na d o p t i n gc r o s s e dc e r t i f i c a t em o d e l ，t h es e l e c t i o no f t h ep a t hw i l la r i s e s t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e s i g n saf i x e dc e r t i f i c a t em o d e lb a s e do nx 5 0 9a n dk e r b e r o s t h i sm o d e lo f f e r ss u c hf u n c t i o n sa su s e r si dc e r t i f i c a t i o n ，i s s u i n gc e r t i f i c a t ea n dd i g i t a ls i g n a t u r e i nt h i sm o d e l ，t h ei s s u ea n dm a n a g e m e n to fe n d u s e r s c e r t i f i c a t e si sl i k et h ec e n t r a l i z e dm o d e li nw h i c ha ni n d e p e n d e n tc e r t i f i c a t i o nc e n t e ri s s u e st h ec e r t i f i c a t e sa n df i n a l l ya s c e n d sau s e rt r u s t e dr o o tc e r t i f i c a t i o nc e n t e r i nt h eg r i de n v i r o n m e n t , d i v e r s e o r g a n i z a t i o n s a r ec l a s s i f i e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tc e r t i f i c a t es t r a t e g i e sa n dc o m p r i s ed i f f e r e n ts t r a t e g yd o m a i nc o m b i n a t i o n s n e ya r ec o n n e c t e db ys t r a t e g ys e l v e l sa n dt h er o o tc aw h i c ha c t i n ga sam a n a g e m e n tc e n t e r h o w e v e r , t h er o o tc ai so n l yr e s p o n s i b l ef o rm a n a g i n gt h e o r g a n i z a t i o n a n dd o e s n tt a k ep a r ti ni s s u i n gc e r t i f i c a t e sa n dm a n a g i n gw o r ko ft h ee n d - u s e r sa n di n t e r m e d i a t ec a k e yw o r d s ：c o o p e r a t i v ec o m p u t i n gf o rm u l t i u s e r s ，g r i d , a u t h e n t i c a t i o n独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位做作者躲者缈签字吼多年月司日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫生盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)，学位论文作者签名：签字日期：1 ，身私轧k、飞月司日导师签名：专吲旋签字日期：，饵硼司日天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究第一章概述网格计算( g r i dc o m p u t i n g ) 是分布式计算的一个具有重要创新思想和巨大发展潜力的分支学科。最初，网格计算研究的目标是希望将超级计算机连接成为一个可远程控制的元计算机系统( m e t a - c o m p u t e r s ) ，现在这一目标己经深化为建立大规模计算的通用计算基础设施。本文选择了“网格中多用户协同计算”这一计算模式为研究对象，进行网格安全研究。本章将对课题背景、意义及论文结构等进行介绍。1 1 课题背景和意义1 1 1 课题来源本课题为依托于国家自然科学基金课题“网格计算中多用户协同计算的安全机制研究”的子课题。，1 1 2 课题背景网格计算系统是一个开放式的复杂系统，它通过网络连接地理上分布的各类计算机( 包括机群) 、数据库、各类设备和存储设备等，形成对用户相对透明的虚拟的高性能计算环境，应用包括了分布式计算、高吞吐量计算、协同工程和数据查询等诸多功能。网格计算被定义为一个广域范围的“无缝的集成和协同计算环境”。网格计算模式已经发展为连接和统一各类不同远程资源的一种基础结构。未来网格的应用将渗透到国际社会的科学、经济、政治等各个方面。这些应用都要求网格能提供全面而有效的信息安全保障。信息安全研究的经验显示，大部分信息安全缺陷往往是在系统设计时造成的。例如，当今流行操作系统和网络协议存在的安全问题大部分都是由于设计上的缺陷或漏洞造成的。因此，在设计系统时把安全机制加入到系统中是保证系统安全最有效的方法。对于网格计算系统这一新的系统来说，如何设计一个全面有效的内嵌安全机制是网格计算研究中十分重要的问题。网格系统和应用要求所有的标准安全功能，包括认证、访问控制、完整性、隐私权和抗抵赖性。要开发一种满足这些要求的安全体系结构，需要满足以下的限制条件m ：第一章概述单一登陆点：用户只需要在开始计算时进行一次认证；在获得资源、使用资源、释放资源、内部通信时不用对用户进行再次的认证。信用凭证保护：用户的凭证( 密码，密钥等) 必须受到保护。局部安全方案的互用性：当安全解决方案能提供域间访问控制机制时，对局部资源的访问应由本地安全机制决定。但是，改变局部资源来适应域间访问是不现实的，这要求有一个或多个实体作为局部资源的远程客户用户代理。可公开性：要求代码在多个测试床上是可公开的和可执行的。统一的认证结构：域间访问要求用最小的、通用的方法来表示安全主体( 如一个用户或一个资源) 。因此必须使用标准的认证标准( 如x 5 0 9 ) 。支持安全组通信：通信可能包括许多过程，这些过程需要一个组来协调它们的活动。因此，需要支持动态组的安全通信。支持多项实施方案：安全策略不能是专为一项特定的应用技术而定。它应该可以应用于大量的基于公钥和密码的系统中。安全机制需要针对具体应用系统的体系结构来设计和实施。目前国际上网格计算的体系结构研究比较成熟的是g l o b u s 系统，它是网格技术的典型代表和事实上的规范“儿o 。g l o b u s 项目采用的安全机制是g s i ( g r i ds e c u r i t yi n f r a s t r u c t u r e ) ，它是g l o b u s 的安全基础构件工具包，是网格安全体系结构的一个实现。其安全策略实现主要包含三部分内容：通用安全服务编程接口g s s -a p i ( g e n e r i cs e c u r i t ys e r v i c ea p i ) 、安全认证管理和用户代理的实现。g s i着重解决认证问题。安全编程接口屏蔽了底层采用的不同安全技术，利用安全编程接口，用户可设计出支持不同安全协议的安全应用。g l o b u s t o o l k i t 版本3 ( g t 3 )和g s l 3 第一个实现了o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 机制，将网格技术和w e bs e r v i c e s 技术结合起来。应用了s o a p 和w s d l ，并引入了安全策略( w s - p o l i c y ，x a c m l ) ，安全标记交换的标准格式( w s - s e c u r i t y ，s a 札) ，认证和安全环境及信任关系建立的标准方法( w s s e c u r e c o n v e r s a t i o i n ，w s t r u s t ) 。其安全模型允许应用和用户的行为实现无缝连接和自治。该安全模型把安全函数映射为服务，包括证书处理服务，认证服务，证书转换服务，身份映射服务，审计等。并定义了本地环境，公布了安全策略，安全标记标准化。由于信息安全关系到国家的安全和利益，所以对信息安全的研究我们不能完全依靠国外的技术，我们更需要有自己的独立研发的成果。目前国内对网格安全的研究还处于萌芽期，没有比较成熟的成果”1 。因此对网格计算环境中的安全体系进行研究对当前中国网格计算研究和中国未来的国家信息安全都有重要意义。由于目前网格安全的国际标准还处在制定阶段，我们要尽早地积极研究这些标准并在此基础上提出更符合实际的标准建议，掌握核心技术，为国内厂商在与国外2天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究厂商的竞争中争取主动权。为了国家安全的需要，在与国际标准等同、等效和参照的原则下，制订我国自己的网格安全标准，积极推动国内的安全技术开发和安全产品研制，掌握网格安全产品的自控权和自主权。在网格计算中最能体现网格计算的特点，同时对安全需求最为复杂的是“多用户参与的协同计算”。这种计算方式是指多个接入网格的用户之间需要协作共同完成某项计算任务。在传统网络环境下的协同计算由于参与者和使用的资源都是在固定的可信任范围内的操作，所以认证可以简单的通过基于角色的授权和访问控制机制来实现。但是在网格环境下，用于资源和用户数量巨大并且动态变化，用户问的认证和用户与资源间认证都变得十分复杂，此外，多个用户间的通信的保密与完整性要求也变得很复杂，因此传统的安全机制已经不再适用。另外，在网格环境下，用户进行协同计算时的隐私保护与信任关系的保证问题也是很重要的问题。针对这一特点，基于“没有安全就没有网格计算”瑚，本文选择了网格计算环境下的“多用户参与的协同计算”这一计算模式为研究对象，对其安全认证机制进行了研究。1 1 3 课题研究的意义作为网格安全的第一道防线，某种程度上也是最重要的一道防线，认证技术普遍受到关注。认证技术提供了关于某个人或某个事物身份的保证，这意味着当某人( 或某事) 声称具有一个特别的身份( 如某个特定的用户名称) 时，认证技术将提供某种方法来证实这一声明是正确的。一般方法是输入个人信息，经特定的公式和算法运算所得的结果与从数据库中存取的信息经公式和算法运算所得结果进行比较，得出结论。认证可分为用户与系统间的认证和系统与系统之间的认证。认证必须做到准确无误地将对方辨认出来，同时还应该提供双向的认证，即相互证明自己的身分。目前研究比较多的是用户与系统间的身份认证，即身份证实，它只需单向进行，只由系统对用户进行身份认证。系统是用户所信赖的，而对于系统就必须采用认证技术来判断用户是否是合法的，以及该用户的权限等。随着计算机网络化的发展，大量的组织机构涌入国际互联网，以及电子商务与电子政务的大量兴起，系统与系统之间的认证也变得越来越重要。1 2 本论文实现的主要工作和创新点本文在分析了安全身份认证技术和分布式认证模型基础之上，提出了一种以“组织”为中心的双协议( x 5 0 9 和k e r b e r o s ) 混合认证模型。此认证模型支持用第一章概述户身份认证、证书的签发存取、数字签名等功能。在此模型中，用户所信任的一个根认证中心队各个“组织”进行管理；每个“组织”内的认证都是一个严格层次认证模型，网格环境中数量众多的“组织”按照不同的证书策略进行归类，组成不同的策略域组合，由策略服务器和作为管理中心的顶级的根认证中心进行连接。而根认证中心不参与终端用户和中间层c a 的证书颁发和管理工作，而只负责对各个“组织”进行管理。1 3 论文的主要内容及安排本论文共分为六章。第一章为概述，主要介绍课题的背景、意义以及论文的结构。第二章对网格技术基础知识进行了介绍，主要包括对网格体系结构的介绍和对网格安全研究现状的介绍。第三章分析了现有的安全身份认证技术，原理及应用。诸如x 5 0 9 认证协议以及k e r b e r o s 认证协议等。并介绍了典型的网格实现g l o b u s 中的认证机制。第四章在分析了现有分布式认证模型框架( 严格层次结构认证模型、多c a结构认证模型、w e b 认证模型和以用户为中心的认证模型) 之后，提出了一种以“组织”为中心的混合认证模型。第五章在给出了这种以“组织”为中心的混合认证模型的详细设计，最后队该模型进行了分析并总结了其特点。第六章对全文的工作进行了总结，并对今后的研究工作做出了展望。4天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究第二章网格技术基础早期的互联网应用在一定程度上方便了人们的信息交换，也为大家获取信息提供了迄今为止最为便捷的手段。然而，人们所期望的还不止于此。人们希望更进一步地共享互联网上的一切资源，包括处理能力、存储容量、数据库、应用软件、文件等，实现这一梦想的途径就是目前正在兴起的网格计算技术。现在，越来越多的专家都认为，网格实际上是继传统i n t e r n e t 、w e b 之后的下一代互联网技术。本章将概要地讨论网格计算技术，包括网格的基本概念、体系结构、关键技术、以及网格的研究现状，并介绍了当前网格研究最突出的代表g l o b u s 项目。2 1 网格的基本概念什么叫网格? 简单地讲，网格是一种把地理上广泛分布的各种计算资源( 各类计算机、存储系统、i o 设备、通信系统、文件、数据库、程序等) 全面整合在一起的技术，其目的是为了向用户提供相对透明的高性能计算环境，并实现计算资源、存储资源、通信资源、信息资源、知识资源的全面共享。许多人将网格计算定义为一个广域范围的“无缝的集成和协同计算环境”泓“。i a nf o s t e r ，美国o l o b u s 网格项目的领导人之一，他这样描述网格：“网格是构筑在互联网上的一组新兴技术，它将高速互联网、计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通老百姓提供更多的资源、功能和服务。传统的互联网技术主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格的功能则更多更强，它能让人们共享计算、存储和其他资源。”嘲通俗地说，网格计算的基本思想，就是像人们日常生活中从电网中获取电能一样获取高性能计算能力。几乎不会有人在打开电灯的时候考虑电是从哪个电站来的。但是，目前人们从传统的i n t e r n e t 获取信息时，必须告诉计算机去访问某一个网站，这就好比我们在打开电灯的开关时必须告诉它我们需要某一电站来的电一样笨拙。网格的目标就是让人们使用网络资源像用电一样简单。从本质上说，网格计算需要解决的问题是如何在动态、异构的虚拟组织间实现资源共享以及协同的解决某一问题。这其中包含的几个概念解释如下：( 1 ) 虚拟组织第二章网格技术基础所谓虚拟组织，它是由遵守资源共享规则的一组个体、机构组成，虚拟组织的典型例子有：应用服务提供商、存储服务提供商、企业及企业所采用的应用所构成的系统等。虚拟组织的动态性是指组织结构、对外交互、管理模式及业务模式等是随时间变化的；虚拟组织的异构性是指各组织在目标、结构、规模、管理、运行模式等方面是不同的。( 2 ) 资源在网格中的资源包括各类计算设备、存储设备、i o 设备、通信系统、文件、数据库、程序、信息、知识，以及天文望远镜、加速器、雷达、家用电器等仪器，并具有面向用户和透明性的特点，用户可以在不考虑资源物理位置的情况下，方便的使用资源。此外，资源也具有动态变化的特性。( 3 ) 共享共享与以往所说的共享己有很大不同，它是在更深程度上的共享，更具目的性。它已经不再是简单的资源互连和单一使用，而是通过互连、组合、协作解决用户需要解决的问题，产生具有附加值的新服务、数据、信息等资源，满足用户的新需求。( 4 ) 协同性协同性包括资源共享的协同性和问题解决的协同性。资源共享的协同性以资源互连为基础，既包括资源使用时不同用户因时间、空间、权限等差异引起的协商，也包括资源的组合。问题解决的协同性是指虚拟组织之间通过协作共同解决某一问题，以满足用户的新需求。最“正统”的网格研究起源于美国政府过去十年来资助的高性能计算科研项目，以及欧洲一些团体进行的高性能计算项日。这类研究的目标是将跨地域的多台高性能计算机、大型数据库、贵重科研设备( 电子显微镜、雷达阵列、粒子加速器、天文望远镜等等) 、通信设备、可视化设备和各种传感器等整合成一个巨大的超级计算机系统，支持科学计算和科学研究。这方面的代表性研究工作包括美国国家科学基金会资助的n p a c i 、国家技术网格( n t g ) 、分布式万亿次级计算设施( d t f ) ，美国能源部的a s c ig r i d ，以及欧盟的d a t ag r i d 等。由于网格是一种新技术，因此，目前它的精确含义和内容还没有固定，而是在不断变化：并且，不同的群体可能会用不同的名词来称谓它。有人把网格看成是未来的互联网技术。国外一些媒体也经常用“下一代i n t e r n e t ”，“i n t e r n e t 2 ”，“下一代w e b ”等词语来称呼与网格相关的技术。目前许多专家认为，网格实际上是继传统i n t e r n e t ，w e b 之后的第三次网络技术大浪潮，可以称之为第三代i n t e r n e t 。简单地讲，传统i n t e r n e t 实现了计算机硬件的连通，w e b 实现了网页的连通，而网格试图实现互联网上所有资源的全面连通，包括计算资源、存储资6天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等m 。还有一类与网格相关的研究项目，其侧重点是智能信息处理，它关注的是如何消除信息孤岛和知识孤岛，实现信息资源和知识资源的智能共享，常见的名词包括语义网( s e m a n t i cw e b ) 、知识管理( k n o w l e d g em a n a g e m e n t ) 、知识本体( o n t o l o g y ) 、智能主体( a g e n t s ) 、信息网格、知识网格、一体化智能信息平台等。目前，企业界出现的许多概念和名词都与网格相关，包括内容分发( c o n t e n t sd e l i v e r y ) 、服务分发( s e r v i c ed e l i v e r y ) 、电子服务( e - s e r v i c e ) 、实时企业计算( r e a l t i m ee n t e r p r i s ec o m p u t i n g ，简称r t e c ) 。分布式计算、p e e r t o p e ec o m p u t i n g ( 简称p 2 p ) ，w e b 服务( w e bs e r v i c e s ) 等。这些名词所代表的技术有一个共同点，即将i n t e r n e t 上的资源整合成一台超级服务器，有效地提供内容服务、计算服务、存储服务、交易服务等。另一个共同点是这些技术会尽量利用现有的i n t e r n e t w e b 技术。2 2 网格的体系结构网格体系结构标识出了网格的基本组成部分，并描述了各个部分的功能、目的、特点等。到目前为止，比较重要的网格体系结构有两个：一个是由l a nf o s t e r等人提出的五层沙漏体系结构；另一个是以i b m 为代表的工业界的影响下，考虑到w e b 技术的影响发展后，由i a nf o s t e r 等人结合w e bs e r v i c e 提出的开放网格服务体系结构o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 。2 2 1 五层沙漏结构五层沙漏结构根据该结构中各组成部分与共享资源的距离，将对共享资源进行操作、管理和使用的功能分散在五个不同的层次，越向下层就越接近于物理的共享资源，因此该层与特定资源相关的成分就比较多；越向上层就越感觉不到共享资源的细节特征，也就是说上层是更加抽象共享资源的表示，因此就不需要关心与底层相关的具体实现问题。如图2 1 所示为五层结构及其与t c p i p 网络协议的比较。五层结构由下向上依次是：构造层( f a b r i c ) 、连接层( c o n n e c t i v i t y ) 、资源层( r e s o u r c e ) 、汇聚层( c o l l e c t i v e ) 、应用层( a p p l i c a t i o n ) “】。第二章网格技术基础应用层i汇聚层资源层连接层网络协议体系结构i m e r 删协议体系结构图2 1 五层结构及其与t c p i p 网络协议的对比构造层：它的基本功能就是控制局部的资源，向上提供访问这些资源的接口。构造层资源是非常广泛的，可以是计算资源、存储系统、目录、网络资源以及传感器等。构造层应该实现的基本功能包括：查询机制、控制服务质量的资源管理能力等。连接层：基本功能是实现相互的通信。定义了核心的通信和认证协议，用于网格的网络事务处理之中通信协议允许在构造层资源之间交换数据，要求包括传输、路由、命名等功能。实际中这些协议大部分是从t c p i p 协议栈中抽出的。建立在通信服务之上的认证协议提供加密的安全机制，用于识别用户和资源。资源层：主要功能就是实现对单个资源的共享。资源层建立在连接层的通信和认证协议之上，定义的协议包括安全初始化、监视、控制单个资源的共享操作、审计、以及付费等。值得注意的是，资源层协议考虑的完全是单个的局部资源，因此忽略了全局状态和跨越分布资源集合的原子操作。汇聚层：主要功能是协调“多种”资源的共享。汇聚层协议和服务描述的是资源的共性，并不涉及资源的具体特征，说明不同资源集合之间是如何相互作用的。由于汇聚层建立在资源和连接层形成的协议瓶颈之上，因此不需要在资源上强加其他新的要求。应用层：应用层是在虚拟组织环境中存在的。从应用程序员的角度来看网格结构，应用是根据在任一层定义的服务来构造的。这里的应用可以调用更高级的框架和库。这些框架本身可以低估难以协议、服务和a p i ，这里只是提出网格中8罱一天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究要求的基本服务与协议。将这样的五层结构称为沙漏形状，内在含义是因为各部分协议的数量是不同的，对于核心的部分，要能够实现上层各种协议向核心协议的映射，同时实现核心协议向其它各种协议的映射。在五层结构中，资源层和连接层共同组成这一核一t l , 的瓶颈部分。如图2 2 所示：。图2 2 五层沙漏结构模型2 2 2 开放网格服务体系结构在过去几年里，以开放网格服务体系结构o g s a 为标志，网格技术变得明显成熟和标准化了。o g s a 是五层沙漏结构之后最重要的网格体系结构叫“。o g s a 网格技术是基于面向服务体系结构的n 1 1 。服务就是一种通过信息交换来提供给客户某种能力的实体服务可定义为导致服务执行某些操作的特定信息交换的序列。只按照信息交换来定义服务操作，给如何实现服务以及防治服务带来了极大的灵活性。在面向服务体系结构中，内部实体都是服务，因此任何对体系结构来说可见的操作都是消息交换的结果。下面三个特征强调了服务概念的一般性和应用的广泛性。服务也包括从低级的资源管理功能到高级的系统监控功能。( 1 ) 存储服务可以提供操作来存储和检索数据，预留空间，监控存储服务的状况，并查询和定义服务访问政策，以决定谁能够访问服务。( 2 ) 数据传输服务提供操作己将数据从一个存储服务迁移到另一个存储服第二章网格技术基础务，对传输状况进行管理和监控，并查询和定义传输请求优先级排序的策略。( 3 ) 故障处理服务可以监控其他各种服务的状况，例如存储服务和数据传输服务，并提供操作使得其他实体获得与错误有关的通知，以及查询和定义通知策略，即谁能够接受通知。设计o g s a 的一个目标是使得服务能以标准方式表示而不依赖于上下文，这样可以简化应用设计并有利于代码重用。为了实现行为重用，需要把操作组合起来形成服务接口，然后接口也可以组合起来规定期望行为的服务。o g s a 的第二个主要设计目标是使服务组合更容易。下面我们介绍一种面向服务的体系结构实现，也就是开放网格服务体系结构实现。重点集中在o g s a 的核心组件上。如图2 3 表示，o g s a 的三个主要组件是开放网格服务基础结构、o g s a 服务和0 g s a 模式“o 。w c b 服务i驻留环境? 协议邦定i驻留环境协议图2 3 开放网格服务体系结构的核心组件o g s a 是构筑在w e b 服务之上的。w e b 服务是一个基于标准的、广泛部署的分布计算模式，提供了用于描述和调用网格服务的基本机制。0 g s a 服务可以驻留在各种环境下嗍。w e b 服务提供了一种重要手段，但是现有的w e b 服务标准不能解决有关基本服务语义相关的问题，例如服务是怎样创建的，存活多久，怎么处理错误，怎样管理长期状态。这些服务语义和其他重要的服务行为必须予以标准化，以便使服务虚拟化和服务键能相互操作。通过开放式网格服务基础结构o g s i 的核心接口集可1 0天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究以解决这些问题。符合0 g s i 标准的w e b 服务就称为网格服务。0 g s i 为分布式系统定义了基本的构造块，包括描述和发现服务属性、创建服务实例、管理服务生命期、管理服务组以及发布和订阅通知的标准接口和相关行为。但是，0 g s i 并没有定义创建大规模系统时所出现的所有组成成分。我们还需处理许多其他问题。例如：如何建立身份识别以及协商认证；如何发现服务；如何协商和监控服务级协议以及如何监控和管理服务集等等。在这些区域内如果没有一个标准，将会很难以一个标准的样式建造大规模系统以便实现代码重用和组件互操作。因此，o g s a 必须在这些区域以及相关区域定义附加服务。可操作不仅仅是与一种公共语言有关，而且还需要一组能够描述具有共同兴趣对象的公共词汇。因此，0 g s a 必须定义标准模式来描述网格公共实体的属性嘲。o g s a ，o g s i ，网格服务和w 曲服务的关系如下图所示：g i o b u st o o l k i tl ( g t 3 ，g t 4 )图2 - 4o g s a ，o g s i ，网格服务和w e b 服务的关系2 3 网格的研究现状网格是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，被誉为继传统i n t e r n e t ，w e b之后的第三次互联网大浪潮，是i n t e r n e t 发展的高级形式。因此，受到世界各国和组织的高度重视，美国、欧洲、日本等发达国家都纷纷启动了大型网格研究计划，并开展了许多论坛、实验环境和研究项目。第二章网格技术基础国外网格技术的研究开始于九十年代初，现在己经发展到实用阶段，开始应用于天文学、生物学、高能物理学、医疗、天气预报和军事等领域。在数据网格研究领域，美国和欧洲处于领先的地位，并且己经推出了一些试验系统，其中比较著名的包括欧洲d a t a g r i d 、美国的国际虚拟数据网格实验室的i v d g l 和p p d g 项目，而最著名的数据网格系统工具是g l o b u s 系统中的数据网格支撑模块和s d s c的s r b 系统。g l o b u s 系统由美国a r g o n n e 国家实验室和南加州大学联合研究开发。g l o b u s系统最初是面向计算网格的，后来由于数据网格应用的迫切需求，g l o b u s 系统增加了数据网格的功能，对数据的高速传输、数据复制、数据复制的选择、元数据管理等进行了研究和实现，成为数据网格应用的开发平台。g l o b u s 系统的开发使用了组件技术，采用模块化设计方式，构造了一整套底层的组件库，便于应用系统的二次开发和软件重用与升级。g l o b u s 对资源的管理、安全、信息服务和数据管理等数据网格的关键技术和方法进行研究，提供了一整套s d k 和a p i ，用户可以任意选择其中的工具模块进行高层次的应用开发。目前，美国n a s ai p g 、欧洲d a t a g r i d 、美国国家技术网格n t g 、日本的d a t af a r m 等项目都采用了g l o b u s 系统。美国圣地亚哥超级计算中, 心s d s c 的s r b ( s t o r a g er e s o u r c eb r o k e r ) 存储资源代理系统是使用较广的数据网格软件之一。s r b 为用户提供了一个访问文件系统、档案系统、数据库系统等多种异构存储系统的统一接口，屏蔽了存储系统的异构性。s r b 支持广域网络环境下多种数据源的访问，提供了复制、复制数据的访问、文件的汇集、分布文件的逻辑集合等功能。目前，s r b 系统已经被包括英国的国家网格、美国的联邦数据库等几十个单位使用。它们正在和g l o b u s 系统相结合，以满足网格技术和用户的需求。我国从2 0 0 0 年左右开始进行网格技术的研究，己经完成的网格研究项目主要有清华大学的先进计算基础设施a c i ( a d v a n c e dc o m p u t a t i o n a li n f r a s t r u c t u r e )和以中科院计算所为主的国家高性能计算环境n h p c e ( n a t i o n a lh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 嘲。目前正在进行的网格研究项目包括，8 6 3 计划支持的中国网格( c h i n a g r i d ) 、织女星网格和上海教育科研网格等项目。2 0 0 2 年4 月5 日，科技部召开了“网格战略研讨会”，将网格的研究和应用列为“8 6 3计划”的一个专项，随后成立了专项专家组。8 6 3 网格专项的主要任务是研制面向网格的万亿次级高性能计算机、具有数万亿次聚合计算能力的高性能计算环境：开发具有自主知识产权的网格软件：建设科学研究、经济建设、社会发展和国防建设急需的重要应用网格：制定若干与网格相关的国家标准，参与制定国际标准，使一批发明专利和软件获得受理和登记，形成自主知识产权。天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究在数据网格领域，我国的研究还刚刚起步。国防科技大学网格课题组开发的数据网格平台g r i d d a e n 原型在2 0 0 3 年年底实现，g r i d d a e n 是一个通用的数据网格系统，它能够统一访问和管理分布异构的存储和数据资源。随着网格研究在学术界的加速，信息产业界的大公司也相继公布了与网格目标一致的研究开发计划。惠普、i b m ，微软、s u n 等公司最近取得共识，支持) ( m l ，s o a p ，u d d i 等w e b 标准，从而更有利于开发新一代的网络应用，即w e b 服务。其目的是将i n t e r n e t 上的资源和信息汇聚在一起，组合成企业和消费者所需要的服务。惠普推出了e s p e a kw e b 服务平台；i b m 用它的w e b s p h e r e 平台和一系列中间件实现w e b 服务；微软的路线是通过其n e t 计划实现耽b 服务；s u n则通过o p e nn e t w o r ke n v i r o n m e n t ( s u no n e ) 计划和j a v a 平台来实现它。第三章安全身份认证技术及其在网格中的应用第三章安全身份认证技术及其在网格中的应用随着人们对信息安全关注的深入，出现了各种各样的信息安全保护技术，安全身份认证技术也得到了快速的发展。本章就首先介绍了安全身份认证技术的发展，然后介绍了典型网格系统的安全身份认证技术。3 1 安全身份认证技术的发展3 1 1 对称加密和非对称加密数据加密是网络间进行安全信息交换的基础。它的实质是对原来为明文的文件或数据按某种算法进行处理，成为不可读的一段代码，通常称为“密文”，使得只有在输入相应的密钥之后才能显示出本来内容“1 。通过这样的途径来达到保护数据不被非法人窃取、阅读的目的。该过程的逆过程为解密，即将该编码信息转化为其原来数据的过程( 如图3 1 所示) ：p 为明文，c 为密文，k e 为加密密钥，k d 为解密密钥图3 - 1 数据加密与解密过程假设e 为加密算法，d 为解密算法，则数据的加密解密数学表达式为：p = d ( 1 ( d ，e ( 1 ( e ，p ) )从密码体制方面而言，密码体制有对称密钥密码技术和非对称密钥密码技术，对称密钥密码技术要求加解密双方拥有相同的密钥。而非对称密钥密码技术是加密解密双方拥有不同的密钥，在不知道信息的情况下，加密密钥和解密密钥在计算上是不能相互算出的。对称加密算法“天津大学硕士学位论文网格中多用户协同计算的安全认证机制研究对称密钥算法又称为私有密钥算法、专有密钥算法或者单密钥算法。就是加密和解密都是使用同一个密钥。使用如下公式来进行加密和解密操作：加密：e k ( m ) 解密：d 。( c ) = m其中，m 代表明文，c 代表密文，k 代表密钥。典型的对称密钥算法是d e s ( 数据加密标准) 。对称密钥算法的最大问题是密钥管理安全性问题，特别是在多方通信的情况下。还有就是如何保证密钥的安全交换，比如通信双方相距太远，不能见面，密钥的安全交换或者更新就成了对称密钥算法的障碍。然而，由于对称加密算法具有算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高的优点，仍被广泛地运用于军事、外交与商业等领域。非对称加密算法1 9 7 6 年有人提出了公共密钥密码体制，其原理是加密密钥和解密密钥分离。这样，一个具体用户就可以将自己设计的加密密钥和算法公诸于众，而只保密解密密钥。任何人利用这个加密密钥和算法向该用户发送的加密信息，该用户均可以将之还原。因此，人们通常也将这种密码体制称为双密钥密码体制嘶1 。r s a 算法是目前最通用、最著名的非对称加密算法，既能用于数据加密，又能用于数字签名嘲。非对称加密算法的优点是能适应网络的开放性要求，密钥管理简单，并且可方便地实现数字签名和身份认证等功能，是目前电子商务等技术的核心基础。其缺点是算法复杂，加密数据的速度和效率较低。如果e s a 和d e s 结合使用，则正好弥补r s a 的缺点。即d e s 用于明文加密，r s a 用于d e s 密钥的加密。由于d e s加密速度快，适合加密较长的报文，而r s a 可解决d e s 密钥分配的问题”7 “。因此，现实中实用的信息安全技术大部分同时使用非对称加密算法和对称加密算法，包括安全身份认证技术。3 1 2 安全身份认证技术信息的可认证性是信息安全的另一个重要方面。认证是网络通信中建立可信安全通信信道的重要过程，是安全信息系统的“门禁”模块。认证的目的有两个：一个是验证信息发送者的真实性，确认他没有被冒充；另一个是验证信息的完整性，确认被验证的信息在传递或存储过程中没有被篡改、重组或延迟。认证是防止敌手对系统进行主动攻击( 如伪造、篡改信息等) 的一种重要技术。现在较常用的安全身份认证技术有：消息摘要，数字签名，数字证书以及生物识别技术。第三章安全身份认证技术及其在网格中的应用消息摘要消息摘要就是一个数据块的数字指纹，即对一个任意长度的数据块进行计算，产生一个唯一指印。消息摘要主要用于保证数据的完整性。消息摘要的算法是使用一个哈希函数，即把需要进行完整性检查的消息块或者文件作为哈希函数的输入，通过单向哈希函数运算，输出固定长度的字符串，即为消息摘要码。安全的哈希函