Ingeniero en Informática

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1 UNIVERSIDAD DE ALMERÍA Ingeniero en Informática CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Autor Directores

2 ÍNDICE 1. Introducción 2. Elastic Cluster 3. Pruebas de rendimiento 4. Ejemplo de aplicación: Criptoanálisis de funciones hash 5. Conclusiones 6. Publicaciones y trabajo futuro CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 2

4 1. INTRODUCCIÓN Influencia de las Tecnologías de la Información Modelos de computación CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 4

5 1. INTRODUCCIÓN Computación en la nube Cloud Computing Ofrecer recursos alojados en la red Ventajas Ahorro generalizado costes Escabilidad Fiabilidad Abstracción del hardware Recuperación ante desastres Alta disponibilidad y alto rendimiento Independencia de la localización Etc. Desventajas Tecnología prematura Sentimiento de inseguridad Dependencia de conexión a Internet Dependencia proveedores servicios Degradación del servicio CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 5

6 1. INTRODUCCIÓN Computación en la nube Cloud Computing TIPOS Nubes públicas o externas Nubes privadas o internas Nubes híbridas Nubes combinadas Nubes comunitarias CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 6

7 1. INTRODUCCIÓN Computación en la nube Cloud Computing Servicios ofrecidos CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 7

8 1. INTRODUCCIÓN Computación en la nube Cloud Computing Arquitectura Front-End Nodos Sistema ficheros Herramientas Open Source CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 8

9 1. INTRODUCCIÓN Clústeres Agrupación de dos o más computadores que se encuentran interconectados y trabajan de forma conjunta. Componentes Nodos Almacenamiento Sistema operativo Conexiones de red Middleware Entornos de programación paralela CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 9

10 1. INTRODUCCIÓN Clústeres Clasificación según sus características Alto rendimiento Proporcionan altas prestaciones de capacidad de cómputo superior Alta disponibilidad Brindan la máxima disponibilidad de los servicios que ofrecen Alta eficiencia Enfocados a la ejecución de la mayor cantidad de tareas en el menor tiempo posible CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 10

11 1. INTRODUCCIÓN Clústeres Familias y herramientas Clúster Beowulf (Alto rendimiento) Computación paralela en múltiples procesadores siguiendo paradigma cliente/servidor. Utilizan librerías de paso de mensaje (PVM, MPI, OpenMP) Implementaciones open source: MPICH, OpenMPI o LAM/MPI Clúster alta disponibilidad con Linux Virtual Server (LVS) Utilizados principalmente en granjas de servidores. Disponen balanceador de carga virtual (master y backup) Clúster SSI (Single System Image) Ocultan la naturaleza heterogénea y distribución de los recursos Herramientas: OpenMosix y Kerrighed Recurso unificado y sencillo. CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 11

12 1. INTRODUCCIÓN Sistemas de alto rendimiento HPC, High Perfomance Computing Clústeres Relación coste - rendimiento Espacio y gestión almacenamiento Grid Computing o Cloud Computing Soluciones escalables, potentes y flexibles Integrar sistemas heterogéneos CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 12

13 1. INTRODUCCIÓN Objetivo del proyecto Implementación de un clúster alto rendimiento basado en el paradigma Cloud Computing ELASTIC CLUSTER Cloud Computing Infraestructura clúster CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 13

15 2. ELASTIC CLUSTER Puesta en marcha Implementación de la infraestructura física CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 15

16 2. ELASTIC CLUSTER Puesta en marcha Implementación de la nube CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 16

17 2. ELASTIC CLUSTER Puesta en marcha Implementación del clúster Clúster Tipo Beowulf (Alto rendimiento) Computación paralela programas en C Implementación MPICH Conexiones SSH sin contraseña Directorio compartido mediante NFS CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 17

19 3. PRUEBAS DE RENDIMIENTO Elastic Cluster Flexibilidad para desplegar clústeres adaptables a nuestras necesidades en tamaño y recursos, escalables, tolerantes a fallos y a un bajo coste. NO TODO SON VENTAJAS PÉRDIDA RENDIMIENTO 5 SERVIDORES DELL R210 4 x INTEL XEON X340-2,40 GHz, 4GB RAM, 250 GB HDD Clúster Físico (PHC) 5 servidores de 4 núcleos Ubuntu Maverick Meerkat Mpich Clúster Máquinas virtuales (VMC) 10 instancias de 2 núcleos 5 instancias de 4 núcleos Ubuntu Lucid Lync y Mpich procesadores sobre 5 servidores Dell R210 CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 19

20 3. PRUEBAS DE RENDIMIENTO Pruebas rendimiento Benchmark básico Sistema ficheros: Escritura y lectura fichero disco secuencial 100MB Memoria RAM: Escritura y lectura de un vector 1MB 1000 veces CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 20

21 3. PRUEBAS DE RENDIMIENTO Pruebas rendimiento Benchmark básico Potencia procesamiento: Calculo eficiencia del sistema (MPI Benchmark) PHC Eficiencia mayor Sistema más estable VMC Perdida rendimiento 8,07% debido a la capa de virtualización del cloud CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 21

22 3. PRUEBAS DE RENDIMIENTO Pruebas rendimiento Benchmark NPB (Nas Parallel Benchmarks) Conjunto de kernels y aplicaciones desarrolladas por la NASA para el estudio del rendimiento de supercomputadores paralelos (elevado número de comunicaciones). Benchmark LU: n 2 procesos Penalización media VMC: 27,29 % CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 22

23 3. PRUEBAS DE RENDIMIENTO Pruebas rendimiento Benchmark NPB (Nas Parallel Benchmarks) Conjunto de kernels y aplicaciones desarrolladas por la NASA para el estudio del rendimiento de supercomputadores paralelos (elevado número de comunicaciones). Benchmark SP: 2 n procesos Penalización media VMC: 19,89 % CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 23

24 3. PRUEBAS DE RENDIMIENTO Pruebas rendimiento Análisis de resultados VMC muestra un comportamiento peor que PHC. Benchmark NAS: A mayor número de comunicaciones entre procesos, peor rendimiento. Elastic Cluster: Penalización media del rendimiento del 23,59 %. Desventaja: Penalización rendimiento entre 8,07 % y 23,59 % Ventaja: Tecnología ideal para clústeres alto rendimiento adaptables a las necesidades del proyecto con un bajo coste CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 24

26 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Criptografía Rama de las Matemáticas, la Informática y la Telemática, que hace uso de métodos y técnicas con el objeto principal de cifrar, y por tanto proteger, un mensaje o archivo por medio de un algoritmo, usando una o más claves. Funciones Hash Permiten calcular la huella (o resumen) que identifica de forma unívoca un determinado conjunto de datos. MD5 SHA1 LM NTLM CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 26

27 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Criptoanálisis de funciones Hash Ciencia encargada de buscar las vulnerabilidades de los criptosistemas Principales tipos ataques Ataque del cumpleaños Tablas Rainbow CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 27

28 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Ejemplo de aplicación: Fuerza bruta y tablas Rainbow Se han utilizado dos entornos de trabajo Elastic Cluster Ubuntu Enterprise Cloud MPICH2 GPGPU Servidor MX DUAL AZServer Xenon con NVIDIA Tesla S procesadores Quad Core Intel Xenon 2,66 GHz 8 módulos de 2 GB de SDRAM y 2 discos duros SATA de 1 TB en RAID 1 4 tarjetas Tesla Procesador T10 con 960 núcleos de 1,44Gz cada una Modelo de programación paralela badado en GPU: CUDA CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 28

29 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 1: Generación de Hashes int num_hash = ; for(i=0; i<num_hash; i++){ calcular_hash(cadena_texto, tamaño_cadena, hash); } Elevada carga computacional Altamente paralelizable Funciones MD5, SHA1 y LM OpenSSL CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 29

30 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 2: Obtención del valor a partir del hash Búsqueda de un hash MD5. Cadenas de 5 y 6 caracteres. Elastic Cluster charset[37]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z',' '}; 6 37 = combinaciones posibles CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 30

31 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 2: Obtención del valor a partir del hash Búsqueda de un hash MD5. Cadenas de 5 y 6 caracteres. GPGPU - CUDA charset[37]={'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','a','b','c','d','e','f','g','h','i','j','k','l','m','n','o','p','q','r','s','t','u','v','w','x','y','z',' '}; 6 37 = combinaciones posibles CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 31

32 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 2: Obtención del valor a partir del hash 5 caracteres 6 caracteres Resultados CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 32

33 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 3: Generación de tablas Rainbow RainbowCrack Project 1. Generación de la Tabla Rainbow. En esta fase se crea la Tabla Rainbow propiamente dicha guardándola en un fichero de texto con el formato.rt. 2. Ordenación de Tabla Rainbow. En esta fase se ordena la tabla guardada en el fichero de texto. Esto es vital para la eficiencia de las Tablas Rainbow y por tanto obligatorio para el buen funcionamiento del algoritmo. 3. Ruptura de los hash. En esta fase se buscan los hash deseados en la tabla. En el caso de ser encontrados nos devuelve el resultado de la clave original. CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 33

34 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 3: Generación de tablas Rainbow Elastic Cluster Espacio trabajo proceso Tamaño tabla / num procesos CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 34

35 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 3: Generación de tablas Rainbow GPGPU - CUDA CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 35

36 4. EJEMPLO DE APLICACIÓN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Aplicación 3: Generación de tablas Rainbow Resultados Elastic Cluster supera los 56 millones de hashes/seg para la función MD5 Rendimiento medio Cloud: 1770 % Rendimiento medio CUDA 522% CUDA solución menos eficiente (penalizaciones por multitud de comunicaciones) CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 36

38 5. CONCLUSIONES Es posible combinar la tecnología clúster y cloud computing para obtener una solución de altas prestaciones a un bajo coste. Modelo Elastic Cluster permite adaptar la carga de trabajo ofreciendo una mejor disponibilidad y rendimiento. El despliegue de una infraestructura cloud conlleva una pérdida de rendimiento, dependiendo del grado de paralelización. Las implementaciones MPI y CUDA mejoran en gran medida el rendimiento de proyectos anteriores. Tanto para la versión MPI como CUDA, es necesario un tiempo para iniciar el sistema, penalizando de forma importante la generación de un número pequeño de hashes. Para un número elevado de hashes son las mejores soluciones. CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 38

39 5. CONCLUSIONES Es posible romper una contraseña alfanumérica cifrada de cinco caracteres en menos de cuatro segundos, y dos minutos para una contraseña de seis caracteres. CUDA ofrece mejores resultados para implementaciones de fuerza bruta, mientras que el clúster virtual lo supera con creces en la generación de tablas rainbow. CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 39

41 6. PUBLICACIONES Y TRABAJO FUTURO PUBLICACIONES Processing Cryptanalysis of Hash Functions using Graphics Processing Units Second International Conference on Parallel, Distributed, Grid an Cloud Computing for Engineering. Ajaccio Abril 2011 ISSN Evaluación del Rendimiento de Clústeres en Entornos Cloud Computing JDARE 11 - VIII Jornadas para el Desarrollo de Grandes Aplicaciones de Red. Universidad de Alicante Estado: ACEPTADO. Publicación: Noviembre 2011 CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 41

42 6. PUBLICACIONES Y TRABAJO FUTURO TRABAJO FUTURO Utilizar Elastic Cluster en problemas que necesiten altos requisitos de procesamiento: Estudio e implementación de un sistema capaz de auditar comunicaciones seguras https (X.509). Generación de certificados falsos con la misma firma MD5. Implementación de un clúster virtual en una arquitectura de nube pública o híbrida y realización de estudio comparativo de rendimientos. CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH 42

43 GRACIAS POR SU ATENCIÓN CLÚSTER DE ALTO RENDIMIENTO EN UN CLOUD: EJEMPLO DE APLICACIÓN EN CRIPTOANÁLISIS DE FUNCIONES HASH Autor Directores UNIVERSIDAD DE ALMERÍA Ingeniero en Informática