2399 lines
216 KiB
TeX
2399 lines
216 KiB
TeX
\chapter{Υπόβαθρο} \label{background}
|
||
|
||
\hyphenation{πολλές μελών/οργανισμών ανάπτυξης}
|
||
|
||
\noindent Προκειμένου να κατανοήσουμε πλήρως το πρόβλημα που επιλύει η παρούσα
|
||
εργασία πρέπει να αναλύσουμε μερικές βασικές έννοιες. Αρχικά, θα δούμε τι είναι
|
||
το υπολογιστικό νέφος, τι μας προσφέρει, ποια είναι τα μοντέλα ανάπτυξής του
|
||
και ποια μοντέλα παράδοσης παρέχονται μέσω αυτού. Έπειτα, θα συζητήσουμε την
|
||
έννοια της εικονικοποίησης και τις διάφορες υποκατηγορίες της που
|
||
χρησιμοποιούνται στις μέρες μας. Αμέσως μετά, θα αναλυθούν τα πλεονεκτήματα της
|
||
εικονικοποίησης και θα αναδειχθεί ο λόγος που προτιμάται η εικονικοποίηση του
|
||
λειτουργικού συστήματος (δηλ. η χρήση δοχειοποιημένων περιβαλλόντων). Τέλος, θα
|
||
εμβαθύνουμε στην τεχνολογία δοχείων, θα δούμε διάφορες υλοποιήσεις της και θα
|
||
πραγματοποιήσουμε μια ανάλυση της ασφάλειας του Docker, ως το de facto
|
||
βιομηχανικό πρότυπο για την διαχείριση των δοχείων και των εικόνων τους στα
|
||
πλαίσια δοχειοποιημένων εφαρμογών.
|
||
|
||
\section{Νεφο-υπολογιστική} \label{cloudComputing}
|
||
|
||
Με τον όρο νεφο-υπολογιστική (Cloud Computing), αναφερόμαστε σε ένα μοντέλο
|
||
παράδοσης υπολογιστικών πόρων κατά παραγγελία από μια επιχείρηση προς τους
|
||
καταναλωτές της. Οι υπηρεσίες που προσφέρει ένα υπολογιστικό νέφος χωρίζονται
|
||
σε τρεις κατηγορίες - αυτές οι κατηγορίες αναφέρονται και ως μοντέλα παράδοσης
|
||
του νέφους. Η πρώτη, SaaS (Software as a Service) (Λογισμικό ως Υπηρεσία),
|
||
αναφέρεται στην απομακρυσμένη διάθεση λογισμικού, του οποίου η συμμόρφωση με
|
||
τις λειτουργικές και μη λειτουργικές του ικανότητες που διαφημίζονται προς τους
|
||
πελάτες αποτελεί ευθύνη του παρόχου του. Η κατηγορία PaaS (Platform as a
|
||
Service) (Πλατφόρμα ως Υπηρεσία) ορίζεται ως η διάθεση απομακρυσμένης πλατφόρμας με την οποία
|
||
μια ομάδα έργου μπορεί να αναπτύξει συνεργατικά και να εκτελέσει λογισμικό.
|
||
Τέλος, η κατηγορία IaaS (Infrastructure as a Service) μεταφράζεται ως η
|
||
προσφορά απομακρυσμένων (εικονικών και φυσικών) διακομιστών τους οποίους μια
|
||
επιχείρηση μπορεί να αξιοποιήσει αναλόγως τις ανάγκες της (πχ. ως προς την
|
||
φιλοξενία κατάλληλων φόρτων εργασίας) ακολουθώντας φυσικά τους όρους και
|
||
προϋποθέσεις του παρόχου. Τα πλεονεκτήματα που παρέχει η νεφο-υπολογιστική σε
|
||
σχέση με την παραδοσιακή μέθοδο διάθεσης υπηρεσιών είναι αρκετά αλλά αυτά που
|
||
ξεχωρίζουν από μεριάς των πελατών είναι η απόλυτη απαλλαγή ευθύνης των υποδομών
|
||
νέφους, η απαράμιλλη ταχύτητα διάθεσης και κλιμάκωσης των υπηρεσιών και η
|
||
εξάλειψη περιττού κόστους λόγω του ευέλικτου μοντέλου χρέωσης όπου
|
||
προσμετρώνται μόνο οι πόροι που χρησιμοποιήθηκαν.
|
||
|
||
Σημαντικό ρόλο στην ευρεία αποδοχή των υπηρεσιών που προσφέρονται μέσω της
|
||
νεφο-υπολογιστικής έχει η ευκολία αλλά και ευελιξία των μεθόδων διάθεσης και
|
||
μετέπειτα διαχείρισής τους. Σε κάθε περίπτωση γίνεται χρήση ενός API
|
||
(Application Programming Interface) (Προγραμματιστική Διεπαφή Εφαρμογής), το
|
||
οποίο είναι προσπελάσιμο έμμεσα μέσω ενός γραφικού περιβάλλοντος (self-service
|
||
portal) ή ενός εργαλείου γραμμής εντολών (command line tool) ή άμεσα με
|
||
προγραμματιστικό τρόπο (πχ. με τη χρήση SDKs (Software Development Kits) (Κιτ
|
||
Ανάπτυξης Λογισμικού)).
|
||
|
||
\subsection{Ορισμός Νεφο-Υπολογιστικής} \label{cloudComputingDefinition}
|
||
|
||
Σύμφωνα με το \citetitle{mell2011nist} \cite{mell2011nist}, η νεφο-υπολογιστική
|
||
είναι ένα μοντέλο που επιτρέπει την ανά πάσα στιγμή διαδικτυακή πρόσβαση από
|
||
οπουδήποτε σε μια κοινή δεξαμενή ρυθμιζόμενων υπολογιστικών πόρων που μπορούν
|
||
να παρέχονται και να απελευθερώνονται γρήγορα και με ελάχιστη προσπάθεια
|
||
διαχείρισης ή αλληλεπίδρασης με τον πάροχο υπηρεσιών. Στους υπολογιστικούς
|
||
αυτούς πόρους περιλαμβάνονται δίκτυα, διακομιστές, χώρος αποθήκευσης, εφαρμογές
|
||
και υπηρεσίες. Αυτό το μοντέλο νέφους αποτελείται από πέντε βασικά
|
||
χαρακτηριστικά, τρία μοντέλα υπηρεσιών (ή μοντέλα παράδοσης) και τέσσερα
|
||
μοντέλα ανάπτυξης.
|
||
|
||
\subsection{Χαρακτηριστικά} \label{cloucComputingCharacteristics}
|
||
|
||
Τα πέντε βασικά χαρακτηριστικά της νεφο-υπολογιστικής με βάση τους
|
||
\textcite{mell2011nist} είναι τα εξής:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Αυτοεξυπηρέτηση κατά παραγγελία (On-demand Self-service)}:
|
||
|
||
Ένας καταναλωτής μπορεί να προμηθευτεί υπολογιστικούς πόρους, όπως
|
||
αποθηκευτικό χώρο και ισχυρούς επεξεργαστές, κατά απαίτηση δίχως την
|
||
ανάγκη αλληλεπίδρασης με τον αντίστοιχο πάροχο νέφους. Μόλις
|
||
συγκροτηθούν, η χρήση των πόρων αυτών μπορεί να αυτοματοποιηθεί,
|
||
οδηγώντας σε ένα περιβάλλον αυτοεξυπηρέτησης κατ' απαίτηση.
|
||
|
||
\item \textbf{Πανταχού παρούσα πρόσβαση (Ubiquitous Access)}:
|
||
|
||
Οι υπηρεσίες που παρέχονται είναι διαθέσιμες μέσω του διαδικτύου και
|
||
είναι προσβάσιμες μέσω πρότυπων μηχανισμών από ετερογενείς πλατφόρμες
|
||
λεπτών και πυκνών πελατών (thin \& thick clients).
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Πολλαπλή Μίσθωση (Multi-Tenancy)}:
|
||
|
||
Οι υπολογιστικοί πόροι του παρόχου είναι σχεδιασμένοι με τέτοιο τρόπο
|
||
ώστε να μπορούν να εξυπηρετήσουν πολλούς καταναλωτές έκαστος,
|
||
χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο πολλαπλής μίσθωσης (multi-tenant model) με
|
||
διαφορετικούς φυσικούς και εικονικούς πόρους που εκχωρούνται και
|
||
ανακατανέμονται ανάλογα με τη ζήτηση των καταναλωτών. Το μοντέλο αυτό
|
||
διακατέχεται και από μια αίσθηση ανεξαρτησίας θέσης διότι ανεξάρτητα
|
||
από το που βρίσκεται ένας τελικός χρήστης μπορεί να χρησιμοποιήσει
|
||
πόρους από οποιοδήποτε κέντρο δεδομένων επιθυμεί. Παραδείγματα πόρων
|
||
που παρέχονται αποτελούν μεταξύ άλλων το εύρος ζώνης δικτύου (network
|
||
bandwidth), ο αποθηκευτικός χώρος και οι εικονικές μηχανές.
|
||
|
||
\item \textbf{Ελαστικότητα (Elasticity)}:
|
||
|
||
Οι υπολογιστικές, δικτυακές και αποθηκευτικές δυνατότητες μπορούν να
|
||
παρέχονται και να απελευθερώνονται ελαστικά (αυτόματα) με σκοπό την
|
||
οριζόντια ή κάθετη κλιμάκωση υπηρεσιών αναλόγως την παρούσα ζήτηση. Από
|
||
την οπτική γωνία του καταναλωτή, οι παρεχόμενες δυνατότητες μοιάζουν
|
||
απεριόριστες και μπορούν να κατανεμηθούν ανά πάσα στιγμή σε οποιαδήποτε
|
||
ποσότητα.
|
||
|
||
\item \textbf{Μετρούμενη υπηρεσία (Measured Service)}:
|
||
|
||
Τα συστήματα νέφους ελέγχουν και βελτιστοποιούν αυτόματα τη χρήση των
|
||
πόρων, αξιοποιώντας δυνατότητες μέτρησης/παρακολούθησης κατάλληλες για
|
||
τον τύπο της υπηρεσίας (π.χ, αποθήκευση, επεξεργασία, εύρος ζώνης). Η
|
||
χρήση των πόρων μπορεί να παρακολουθείται, να ελέγχεται και να
|
||
καταγράφεται, παρέχοντας διαφάνεια τόσο στον πάροχο όσο και στον
|
||
καταναλωτή της υπηρεσίας που χρησιμοποιείται. Η καταγραφόμενη χρήση
|
||
έπειτα χρησιμοποιείται για την χρέωση του καταναλωτή ανάλογα με το
|
||
μοντέλο χρέωσης που σχετίζεται με την χρησιμοποιούμενη υπηρεσία.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\subsection{Μοντέλα Υπηρεσιών/Παράδοσης} \label{cloudComputingServiceModels}
|
||
|
||
Τα τρία μοντέλα υπηρεσιών ή παράδοσης της νεφο-υπολογιστικής, όπως αυτά
|
||
αναγράφονται στο \cite{mell2011nist}, είναι τα παρακάτω:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Software as a Service (SaaS) (Λογισμικό ως Υπηρεσία)}:
|
||
|
||
Παρέχεται στον καταναλωτή η δυνατότητα χρήσης εφαρμογών εκτελούμενων σε
|
||
μια υποδομή νέφους, οι οποίες προσφέρονται είτε από τον πάροχο της
|
||
υποδομής είτε από τρίτο μέρος. Οι εφαρμογές αυτές είναι προσβάσιμες,
|
||
από διάφορες συσκευές ικανές να συνδεθούν στο διαδίκτυο, μέσω
|
||
φυλλομετρητή ή προγραμματιστικής διεπαφής. Δεν προσφέρεται έλεγχος ή
|
||
δυνατότητα διαχείρισης της υποκείμενης υποδομής νέφους ή των
|
||
δυνατοτήτων της υπηρεσίας (λογισμικού), με εξαίρεση περιορισμένη
|
||
παραμετροποίηση κάποιων ρυθμίσεων διαμόρφωσης της εφαρμογής. Το μοντέλο
|
||
χρέωσης είθισται να είναι της μορφής μιας σταθερής μηνιαίας ή ετήσιας
|
||
συνδρομής χρησιμοποιώντας βαθμίδες με διαφορετικά επίπεδα παροχής
|
||
υπηρεσιών του λογισμικού \cite{saasPricingModel}.
|
||
|
||
\item \textbf{Platform as a Service (PaaS) (Πλατφόρμα ως Υπηρεσία)}:
|
||
|
||
Παρέχεται η δυνατότητα ανάπτυξης και εκτέλεσης εφαρμογών σε ένα
|
||
κατάλληλο περιβάλλον παρεχόμενο από μια πλατφόρμα που υποστηρίζεται από
|
||
πόρους του υπολογιστικού νέφους. Οι εφαρμογές αυτές αναπτύσσονται από
|
||
τον καταναλωτή μέσω της πλατφόρμας χρησιμοποιώντας ένα ολοκληρωμένο
|
||
περιβάλλον ανάπτυξης και εκτέλεσης αποτελούμενο από runtimes γλωσσών
|
||
προγραμματισμού, βιβλιοθήκες, υπηρεσίες και εργαλεία ανάπτυξης. Ο
|
||
καταναλωτής δεν έχει τον έλεγχο της υποκείμενης υποδομής νέφους, αλλά
|
||
έχει τον έλεγχο των εφαρμογών που εκτελούνται σε αυτήν, των δεδομένων
|
||
τους, καθώς και των ρυθμίσεων διαμόρφωσής τους και του περιβάλλοντος
|
||
ανάπτυξης/εκτέλεσής τους. Συνήθως, τα περιβάλλοντα είναι προκαθορισμένα
|
||
ως προς το περιεχόμενο τους. Όμως, γίνεται προσπάθεια από τους παρόχους
|
||
των υπηρεσιών PaaS να καλύψουν τις ανάγκες όλων των πιθανών ομάδων
|
||
έργων λογισμικού παρέχοντας μια μεγάλη ποικιλία από διαφορετικά
|
||
περιβάλλοντα. Το μοντέλο χρέωσης υπηρεσιών PaaS συνήθως περιλαμβάνει
|
||
μια σταθερή χρέωση ανά χρονική περίοδο για κάθε είδος πόρου που
|
||
χρειάστηκε να χρησιμοποιηθεί από τον πάροχο για την επίτευξη των
|
||
απαιτήσεων της εφαρμογής του καταναλωτή μέσω της παρεχόμενης πλατφόρμας
|
||
\cite{paasPricingModel}. Ουσιαστικά, ο καταναλωτής χρεώνεται με βάση
|
||
την χρήση των πόρων του παρόχου.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Infrastructure as a Service (IaaS) (Υποδομή ως Υπηρεσία)}:
|
||
|
||
Παρέχεται η δυνατότητα χρήσης επεξεργαστικών, αποθηκευτικών, δικτυακών
|
||
και άλλων ειδών υπολογιστικών πόρων. Συνήθως, οι πόροι αυτοί
|
||
συγκροτούνται στην μορφή μιας εικονικής μηχανής, δηλ. ενός
|
||
απογυμνωμένου περιβάλλοντος στο οποίο ο καταναλωτής μπορεί να
|
||
εγκαταστήσει και να εκτελέσει το λογισμικό της επιλογής του,
|
||
συμπεριλαμβανομένων λειτουργικών συστημάτων και εφαρμογών. Ο
|
||
καταναλωτής δεν έχει τον έλεγχο της υποκείμενης υποδομής νέφους, αλλά
|
||
έχει τον έλεγχο των λειτουργικών συστημάτων, του αποθηκευτικού χώρου,
|
||
των περιβαλλόντων ανάπτυξης/εκτέλεσης, των εγκατεστημένων εφαρμογών,
|
||
των δεδομένων τους και των ρυθμίσεων διαμόρφωσής τους. Το μοντέλο
|
||
χρέωσης υπηρεσιών IaaS συνήθως αποτελείται από μια συνεχόμενη χρέωση
|
||
ανά χρονική περίοδο λόγω της ανάθεσης των πόρων στον καταναλωτή, η
|
||
οποία αυξάνεται μετά την υπέρβαση ενός ορίου χρήσης για ορισμένους
|
||
πόρους, όπως το εύρος ζώνης δικτύου.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\subsection{Μοντέλα Ανάπτυξης} \label{cloudComputingDeploymentModels}
|
||
|
||
Τα τέσσερα μοντέλα ανάπτυξης του υπολογιστικού νέφους σύμφωνα με το
|
||
\cite{mell2011nist} και την \citeauthor{cloudDeploymentModels}
|
||
\cite{cloudDeploymentModels} είναι τα εξής:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Ιδιωτικό νέφος (Private Cloud)}:
|
||
|
||
Το ιδιωτικό νέφος είναι αποκλειστικά αφιερωμένο σε έναν μόνο οργανισμό
|
||
αποτελούμενο από πολλαπλούς καταναλωτές (π.χ. επιχειρησιακές μονάδες ή
|
||
τμήματα). Ενδεχομένως να ανήκει, να διαχειρίζεται και να λειτουργεί από τον
|
||
ίδιο τον οργανισμό, από μια τρίτη οντότητα, ή έναν συνδυασμό των δύο. Το
|
||
νέφος αυτό μπορεί να βρίσκεται εντός ή εκτός του οργανισμού (πχ. στην
|
||
περίπτωση που λειτουργεί από τρίτη οντότητα). Παρέχει πλήρη έλεγχο στον
|
||
τρόπο με τον οποίο μοιράζονται και αποθηκεύονται τα δεδομένα και
|
||
διασφαλίζει την συμμόρφωση με τυχόν κανονισμούς, τους οποίους καλείται ένας
|
||
οργανισμός να ακολουθήσει. Επιπλέον, λόγω της αποκλειστικής αφιέρωσής του
|
||
σε έναν μόνο οργανισμό, εξασφαλίζεται η διαθεσιμότητα των δεδομένων κατά
|
||
παραγγελία, όπως επίσης και η αξιοπιστία του για κρίσιμους φόρτους
|
||
εργασίας. Τέλος, λόγω του πλήρους ελέγχου, μπορεί να εγκαθιδρυθεί ένα υψηλό
|
||
επίπεδο ασφαλείας, υψηλότερο σε σχέση με αυτό που μπορεί να επιτευχθεί από
|
||
άλλα μοντέλα ανάπτυξης (νέφους).
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Κοινοτικό νέφος (Community Cloud)}:
|
||
|
||
Είναι διαθέσιμο για μια κοινότητα καταναλωτών ή οργανισμών με κοινές
|
||
ανησυχίες, όπως οι απαιτήσεις ασφαλείας και ζητήματα πολιτικής και
|
||
συμμόρφωσης. Μπορεί να ανήκει, να διαχειρίζεται και να λειτουργεί από
|
||
έναν ή περισσότερους οργανισμούς της κοινότητας, μια τρίτη οντότητα ή
|
||
έναν συνδυασμό των δύο. Το νέφος αυτό μπορεί να βρίσκεται εντός ή εκτός
|
||
των οργανισμών της κοινότητας (εφόσον λειτουργεί από ένα τρίτο μέρος).
|
||
Το κόστος κτήσης, λειτουργίας και συντήρησης του νέφους συνήθως
|
||
διαμοιράζεται μεταξύ των μελών/οργανισμών της κοινότητας. Επιπροσθέτως,
|
||
το νέφος αυτού του είδους είναι προσβάσιμο συνήθως μόνο από τα μέλη της
|
||
κοινότητας. Οπότε, μπορεί να θεωρηθεί ένα ιδιωτικό νέφος, όμως όχι μόνο
|
||
για έναν αλλά για πολλαπλούς οργανισμούς. Το επίπεδο ασφάλειας που
|
||
μπορεί να επιτευχθεί σε αυτό το είδος νέφους είναι υψηλότερο από το
|
||
δημόσιο νέφος και χαμηλότερο από το ιδιωτικό.
|
||
|
||
\item \textbf{Δημόσιο νέφος (Public Cloud)}:
|
||
|
||
Εδώ, το νέφος υποδομής είναι διαθέσιμο για το γενικό κοινό. Μπορεί να
|
||
ανήκει και να διαχειρίζεται από μια επιχείρηση, έναν ακαδημαϊκό ή
|
||
κυβερνητικό οργανισμό ή έναν συνδυασμό των παραπάνω. Λειτουργεί εντός
|
||
των υποδομών του παρόχου νέφους. Το δημόσιο νέφος προσφέρει είτε
|
||
εικονικές μηχανές που εκτελούνται σε (φυσικούς) διακομιστές του παρόχου
|
||
νέφους, των οποίων οι υπολογιστικοί πόροι χρησιμοποιούνται από πολλούς
|
||
καταναλωτές ταυτόχρονα, είτε τους φυσικούς του διακομιστές για
|
||
αποκλειστική χρήση. Αποτελεί το πιο δημοφιλές μοντέλο που παρέχουν
|
||
εταιρείες υπηρεσιών IaaS λόγω της απουσίας απαίτησης μεγάλου αρχικού
|
||
κόστους επένδυσης και της ευελιξίας που παρέχεται μέσω της
|
||
αυτοεξυπηρέτησης κατά παραγγελία. Είναι η κατάλληλη επιλογή για
|
||
μεγάλους φόρτους εργασίας μικρής διάρκειας λόγω του μοντέλου χρέωσης
|
||
ανά χρήση ενώ διευκολύνει μια επιχείρηση στην μετέπειτα διαχείριση του
|
||
κόστους με βάση τις προβλέψεις της ζήτησης της υπηρεσίας που αυτή
|
||
προσφέρει και των δυνατοτήτων κλιμάκωσης υπηρεσιών που το νέφος παρέχει
|
||
σε αυτήν. Όμως, το επίπεδο ασφάλειας του δημόσιου νέφους είναι το
|
||
χαμηλότερο σε σχέση με τα άλλα 3 είδη νέφους.
|
||
|
||
\item \textbf{Υβριδικό νέφος (Hybrid Cloud)}:
|
||
|
||
Είναι συνδυασμός δύο ή περισσότερων νεφών (ιδιωτικού, κοινοτικού ή
|
||
δημοσίου) που διατηρούνται ως ξεχωριστές οντότητες αλλά συνδέονται
|
||
μεταξύ τους με πρότυπες ή ιδιόκτητες τεχνολογίες που επιτρέπουν τη
|
||
φορητότητα δεδομένων και εφαρμογών. Η πιο συνηθισμένη μορφή ενός
|
||
υβριδικού νέφους αντιστοιχεί στη χρήση ενός ιδιωτικού νέφους, το οποίο
|
||
μπορεί να αντλεί επιπλέον πόρους από το δημόσιο νέφος, όταν φθάνει στα
|
||
όρια της χωρητικότητάς του.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\section{Εικονικοποίηση} \label{virtualization}
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση (virtualization) είναι ένας όρος που χρησιμοποιούμε όταν
|
||
θέλουμε να αναφερθούμε στην αναπαράσταση πόρων σε εικονική μορφή με σκοπό την
|
||
αναδιαμόρφωσή τους ούτως ώστε να ικανοποιούνται οι ανάγκες ενός συστήματος
|
||
(όπως η αύξηση της χρήσης των φυσικών του πόρων). Εφαρμόζεται σε μια πληθώρα
|
||
πόρων, όπως είναι οι διακομιστές, το λειτουργικό σύστημα, ακόμα και τα
|
||
δεδομένα. Η πιο συνηθισμένη χρήση εικονικοποίησης είναι αυτή των διακομιστών η
|
||
οποία αποτελεί και τον πυλώνα της νεφο-υπολογιστικής. Προκειμένου να
|
||
επιτευχθεί, απαιτείται η χρήση ενός υπερ-επόπτη. Δηλαδή, ενός λογισμικού
|
||
υπεύθυνου για την κατάτμηση των φυσικών πόρων ενός διακομιστή σε μια ή
|
||
περισσότερες εικονικές αναπαραστάσεις ενός συνόλου αυτών με σκοπό να
|
||
χρησιμοποιηθούν ως ξεχωριστοί εικονικοί διακομιστές (virtual hosts/servers) (οι
|
||
κοινώς λεγόμενες εικονικές μηχανές).
|
||
|
||
Ένας υπερ-επόπτης μπορεί να ανήκει σε δύο αποκλειστικές κατηγορίες. Είτε
|
||
πρόκειται για υπερ-επόπτη τύπου 1 στην περίπτωση απευθείας πρόσβασης με το
|
||
υλικό, είτε τύπου 2 εάν υπάρχει ήδη λειτουργικό σύστημα εγκατεστημένο στον
|
||
υποκείμενο (φυσικό) διακομιστή προς κατάτμηση. Η επιλογή τύπου υπερ-επόπτη
|
||
είναι άμεσα εξαρτώμενη από τις ανάγκες του κάθε χρήστη. Στην περίπτωση που η
|
||
υψηλή ταχύτητα και απόδοση είναι σημαντικές μη λειτουργικές απαιτήσεις, η άμεση
|
||
πρόσβαση του υπερ-επόπτη τύπου 1 στο υλικό συμβάλλει στην επίτευξη της
|
||
ικανοποίησης αυτών των δύο απαιτήσεων. Από την άλλη, ένας υπερ-επόπτης τύπου 2
|
||
δεν έρχεται σε αντιπαράθεση με το υποκείμενο ΛΣ και επιτρέπει την χρήση
|
||
προγραμμάτων και οδηγών που το ΛΣ αυτό πιθανόν να μην είναι σε θέση να
|
||
εκτελέσει.
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση διακομιστών χωρίζεται σε δύο κατηγορίες βάσει της μεθόδου
|
||
επίτευξης της: την πλήρη εικονικοποίηση (full virtualization) και την
|
||
παρα-εικονικοποίηση \cite{abacusFullParaOSVirtualization} (paravirtualization).
|
||
Στην πρώτη περίπτωση το λειτουργικό σύστημα που εκτελείται στον εικονικό
|
||
διακομιστή συμπεριφέρεται όπως θα συμπεριφερόταν σε έναν φυσικό διακομιστή.
|
||
Αυτό συμβαίνει διότι από μεριάς του λειτουργικού συστήματος δεν υπάρχει
|
||
επίγνωση της εικονικοποίησης που έχει λάβει μέρος για να δημιουργηθούν οι
|
||
εικονικοί πόροι στους οποίους στεγάζεται. Η πλήρης εικονικοποίηση μπορεί να
|
||
είναι δύο ειδών: υποβοηθούμενη από το λογισμικό (software-assisted) ή από το
|
||
υλικό (hardware assisted). Στο πρώτο είδος, πραγματοποιείται εικονικοποίηση
|
||
ολόκληρου του υλικού μέσω του υπερ-επόπτη (τύπου 2) που εκτελείται στο ΛΣ. Στο
|
||
δεύτερο είδος, όπου δεν υπάρχει ΛΣ, δύναται το λειτουργικό σύστημα του
|
||
εικονικού διακομιστή να κάνει χρήση της φυσικής κεντρικής μονάδας επεξεργασίας
|
||
του διακομιστή φιλοξενίας εάν αυτή το υποστηρίζει
|
||
\cite{geeksforgeeksHardwareAssistedVirtualization}.
|
||
|
||
Στην περίπτωση της παρα-εικονικοποίησης το λειτουργικό σύστημα αναγνωρίζει την
|
||
ύπαρξη του υπερ-επόπτη και απαιτείται η τροποποίηση και των δύο ώστε να μπορούν
|
||
να επικοινωνούν με χρήση υπερ-κλήσεων. Αν και το γεγονός αυτό μειώνει την
|
||
συμβατότητα σε σχέση με την πλήρη εικονικοποίηση, η άμεση πρόσβαση στο
|
||
υποκείμενο φυσικό υλικό συμβάλλει στην αύξηση της αποδοτικότητας - αυτό
|
||
επιτυγχάνεται κυρίως για ορισμένα είδη πόρων.
|
||
|
||
\subsection{Ορισμός Εικονικοποίησης} \label{virtualizationDefinition}
|
||
|
||
Σύμφωνα με τον ορισμό της Red Hat \cite{redhatVirtualizationDefinition}, η
|
||
εικονικοποίηση είναι μια τεχνολογία που μας επιτρέπει να δημιουργήσουμε
|
||
πολλαπλά εικονικά περιβάλλοντα ή αποκλειστικούς πόρους από ένα μόνο, φυσικό
|
||
σύστημα υλικού. Ένα λογισμικό ονόματι υπερ-επόπτης (hypervisor) συνδέεται στο
|
||
υλικό αυτό\footnote{\textgreek{Απευθείας στην εικονικοποίηση υποβοηθούμενη από
|
||
το υλικό και έμμεσα στην εικονικοποίηση υποβοηθούμενη από το λογισμικό.}} και
|
||
δίνει τη δυνατότητα διαμερισμού ενός συστήματος σε ξεχωριστά, διακριτά και
|
||
ασφαλή περιβάλλοντα, γνωστά και ως εικονικές μηχανές (Virtual Machines - VMs).
|
||
Επομένως, αυτές οι εικονικές μηχανές βασίζονται στην ικανότητα του υπερ-επόπτη
|
||
να διαχωρίζει τους πόρους της μηχανής και να τους κατανέμει κατάλληλα.
|
||
|
||
Το φυσικό υλικό, εξοπλισμένο με έναν υπερ-επόπτη, ονομάζεται ξενιστής (host) ή
|
||
μηχάνημα φιλοξενίας (hosting machine), ενώ οι πολλές εικονικές μηχανές που
|
||
χρησιμοποιούν τους πόρους του είναι οι επισκέπτες (guests) ή αλλιώς τα
|
||
φιλοξενούμενα μηχανήματα (hosted machines). Οι επισκέπτες, αντιμετωπίζουν τους
|
||
υπολογιστικούς πόρους, όπως είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας, η μνήμη και ο
|
||
αποθηκευτικός χώρος, ως μια δεξαμενή πόρων που μπορεί εύκολα να ανακατανεμηθεί.
|
||
Οι χειριστές (operators) μπορούν να ελέγχουν εικονικά στιγμιότυπα αυτών των
|
||
πόρων, ούτως ώστε να πραγματοποιούν οριζόντια ή κάθετη κλιμάκωση. Δηλαδή είτε
|
||
να δημιουργούν περισσότερες εικονικές μηχανές, είτε να αναδημιουργούν την ίδια
|
||
με επιπλέον πόρους (εφόσον αυτοί δεν έχουν δεσμευτεί από άλλες εικονικές
|
||
μηχανές του ίδιου φυσικού μηχανήματος) όταν αυτό είναι απαραίτητο.
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση καθιστά δυνατή τη δημιουργία χρήσιμων υπηρεσιών ΤΠ
|
||
(Τεχνολογίας Πληροφοριών) χρησιμοποιώντας πόρους στους οποίους παραδοσιακά
|
||
μπορούσαμε να έχουμε πρόσβαση μονάχα με την ιδιοκτησία φυσικών μηχανημάτων. Μας
|
||
επιτρέπει να αξιοποιήσουμε όλες τις δυνατότητες ενός φυσικού μηχανήματος
|
||
διανέμοντάς τις σε πολλούς χρήστες και περιβάλλοντα. Με άλλα λόγια,
|
||
υποστηρίζεται η πολλαπλή μίσθωση ανά φυσικό μηχάνημα με τη μορφή εικονικών
|
||
μηχανών καθώς και η αυξημένη χρήση πόρων των φυσικών μηχανών (στα κέντρα
|
||
δεδομένων του νέφους).
|
||
|
||
Με βάση ένα παράδειγμα της Red Hat \cite{redhatVirtualization}, ας φανταστούμε
|
||
πως έχουμε τρεις φυσικούς διακομιστές (servers) (δηλ. φυσικά μηχανήματα), στον
|
||
καθένα από τους οποίους φιλοξενείται ένα συγκεκριμένο συστατικό (component)
|
||
(λογισμικού): ένας διακομιστής ηλεκτρονικού ταχυδρομείου (email server), ένας
|
||
διακομιστής ιστού (web server) και ένας διακομιστής που εκτελεί εσωτερικές
|
||
εταιρικές εφαρμογές κληρονομιάς (οι οποίες σταμάτησαν να διατηρούνται αλλά
|
||
είναι ακόμα λειτουργικές), αντίστοιχα. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα κάθε ένας
|
||
από τους (φυσικούς) διακομιστές χρησιμοποιεί μονάχα το 30\% των δυνατοτήτων του
|
||
(ως προς τους πόρους που μπορεί να διαθέσει).
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .9\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_virtualization_server_usage1.png}
|
||
\captionof{figure}{Χρήση διακομιστών χωρίς εικονικοποίηση \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:virtualizationServerUsage1}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
Παραδοσιακά, αυτή η αρχιτεκτονική, όπου εκτελούνται μεμονωμένες εργασίες έκαστη
|
||
αποκλειστικά σε συγκεκριμένο διακομιστή, ήταν ευκολότερη και πιο αξιόπιστη αλλά
|
||
δεν παύει να είναι και η λιγότερο αποδοτική λύση. Με την άφιξη της τεχνολογίας
|
||
της εικονικοποίησης όμως, είναι πλέον εφικτό να χωριστεί ένας διακομιστής σε
|
||
περισσότερα μέρη, έχοντας δύο ή παραπάνω εικονικές μηχανές με τη χρήση μιας
|
||
φυσικής.
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .9\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_virtualization_server_usage2.png}
|
||
\captionof{figure}{Χρήση διακομιστών με εικονικοποίηση \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:virtualizationServerUsage2}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
Εφόσον ένας διακομιστής χωρίζεται σε δύο ή παραπάνω εικονικά μέρη, μπορεί να
|
||
αυξηθεί ραγδαία η αξιοποίηση των δυνατοτήτων του. Με βάση το προηγούμενο
|
||
παράδειγμα, αν μια εικονική μηχανή λαμβάνει το 30\% των πόρων ενός
|
||
διακομιστή/φυσικού μηχανήματος, τότε ορισμένες από τις προαναφερόμενες
|
||
λειτουργικότητες/συστατικά λογισμικού (παροχής υπηρεσιών ιστού, ηλεκτρονικού
|
||
ταχυδρομείου και εφαρμογών) θα μπορούσαν να εγκατασταθούν στον ίδιο διακομιστή
|
||
με την μορφή εικονικών μηχανών.
|
||
|
||
Αφού η δημιουργία και καταστροφή των εικονικών μηχανών σε ένα μηχάνημα
|
||
πραγματοποιείται δυναμικά ανάλογα με τη ζήτηση, αυτό σημαίνει πως ένας
|
||
διακομιστής μπορεί να συνεχίσει να χρησιμοποιείται για νέους σκοπούς σε σχέση
|
||
με τους αρχικούς ή να αποσυρθεί τελείως σταματώντας την λειτουργία του (switch
|
||
off). Το τελευταίο είναι χρήσιμο κυρίως όταν η ζήτηση σε ένα κέντρο δεδομένων
|
||
είναι μικρή και επομένως υπάρχει οικονομικό συμφέρον (λόγω ενεργειακού κόστους)
|
||
ως προς το κλείσιμο των διακομιστών που δεν απαιτούνται για την κάλυψη της
|
||
παρούσας ζήτησης.
|
||
|
||
\subsection{Ιστορική αναδρομή της εικονικοποίησης} \label{virtualizationHistory}
|
||
|
||
Όπως αναφέρει μια θυγατρική της IBM \cite{redhatVirtualization}, ενώ η
|
||
τεχνολογία εικονικοποίησης χρονολογείται από τη δεκαετία του 1960, δεν
|
||
υιοθετήθηκε ευρέως μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2000. Οι τεχνολογίες που
|
||
την έκαναν πραγματικότητα, όπως οι υπερ-επόπτες, αναπτύχθηκαν πριν από
|
||
δεκαετίες για να δώσουν σε πολλούς χρήστες ταυτόχρονη πρόσβαση σε υπολογιστές
|
||
που επεξεργαζόντουσαν πολλά δεδομένα ταυτόχρονα. Κάτι ιδιαίτερα δημοφιλές στον
|
||
τομέα των επιχειρήσεων για καθήκοντα ρουτίνας (routine tasks) που έπρεπε να
|
||
εκτελεστούν χιλιάδες φορές και πολύ γρήγορα όπως η μισθοδοσία υπαλλήλων.
|
||
|
||
Ωστόσο, μέσα στις επόμενες δεκαετίες, ήρθαν στο προσκήνιο άλλες λύσεις στο
|
||
πρόβλημα διαμοιρασμού ενός μηχανήματος σε πολλούς χρήστες, μειώνοντας έτσι το
|
||
ενδιαφέρον για την τεχνολογία εικονικοποίησης. Μία από αυτές ήταν ο
|
||
διαμοιρασμός χρόνου (time-sharing), όπου ένας χρήστης μπορούσε να χρησιμοποιεί
|
||
το λειτουργικό σύστημα απομονωμένα από τους υπόλοιπους. Κάτι που οδήγησε στη
|
||
δημιουργία λειτουργικών συστημάτων όπως το UNIX, το οποίο με τη σειρά του
|
||
άνοιξε το δρόμο για την άφιξη του Linux. Καθ' όλη τη διάρκεια αυτή, η
|
||
εικονικοποίηση παρέμεινε σε μεγάλο βαθμό μη διαδεδομένη.
|
||
|
||
Προχωρώντας στη δεκαετία του 1990, οι περισσότερες επιχειρήσεις διέθεταν
|
||
φυσικούς διακομιστές και στοίβες μηχανημάτων ενός προμηθευτή, οι οποίες δεν
|
||
είχαν τη δυνατότητα εκτέλεσης εφαρμογών σε υλικό διαφορετικού προμηθευτή. Καθώς
|
||
οι εταιρείες αναβάθμιζαν τα περιβάλλοντα πληροφορικής τους με λιγότερο
|
||
δαπανηρούς διακομιστές, λειτουργικά συστήματα και εφαρμογές από διάφορους
|
||
προμηθευτές, ήταν υποχρεωμένες να υπολειτουργούν το φυσικό υλικό, αφού κάθε
|
||
διακομιστής μπορούσε συνήθως να εκτελέσει μόνο μια εργασία/εφαρμογή που είχε
|
||
υλοποιηθεί με βάση το υλικό του συγκεκριμένου προμηθευτή (του διακομιστή).
|
||
|
||
Από εκείνο το σημείο και έπειτα, άρχισε να γίνεται εμφανής η ανάγκη της
|
||
εικονικοποίησης και να ανεβαίνει η δημοτικότητά της. Οι εταιρείες μπορούσαν
|
||
πλέον να διαμερίσουν τους διακομιστές τους και να εκτελούν ακόμα και τις
|
||
παλαιές τους εφαρμογές σε πολλούς τύπους και εκδόσεις λειτουργικών συστημάτων.
|
||
Οι διακομιστές άρχισαν να χρησιμοποιούνται πιο αποδοτικά ή και καθόλου (όταν η
|
||
ζήτηση ήταν ελάχιστη), μειώνοντας το απαιτούμενο κόστος αγοράς, εγκατάστασης,
|
||
συντήρησης και ψύξης τους.
|
||
|
||
Η ευρεία εφαρμογή της εικονικοποίησης συνέβαλε στη μείωση του εγκλωβισμού σε
|
||
έναν μόνο προμηθευτή και την κατέστησε το θεμέλιο του υπολογιστικού νέφους.
|
||
Σήμερα είναι τόσο διαδεδομένη σε όλες τις επιχειρήσεις που συχνά απαιτείται
|
||
εξειδικευμένο λογισμικό διαχείρισης των εικονικών πόρων
|
||
\cite{redhatVirtualizationManagement} για να μπορέσει κανείς να παρακολουθεί τα
|
||
δρώμενα μιας επιχείρησης. Πρόκειται για ένα λογισμικό το οποίο διασυνδέεται με
|
||
εικονικά περιβάλλοντα και το υποκείμενο φυσικό υλικό τους με απώτερο σκοπό την
|
||
απλοποίηση της διαχείρισης πόρων, τη βελτίωση της ανάλυσης δεδομένων και τον
|
||
εξορθολογισμό των λειτουργιών τους. Ουσιαστικά, αποτελεί ένα λογισμικό που
|
||
συνδέεται απομακρυσμένα με υπερ-επόπτες, προσφέροντας μια φιλική προς τον χρήση
|
||
διεπαφή και επιπρόσθετες λειτουργίες, όπως η συγκρότηση αναφορών χρήσης, η
|
||
αυτοματοποίηση επιβολής κανόνων και η παρακολούθηση χρήσης εικονικών
|
||
περιβαλλόντων.
|
||
|
||
\section{Τι είναι ένας υπερ-επόπτης} \label{hypervisors}
|
||
|
||
Προτού οι υπερ-επόπτες έρθουν στο προσκήνιο, οι περισσότεροι φυσικοί
|
||
υπολογιστές μπορούσαν να εκτελέσουν ένα λειτουργικό σύστημα τη φορά. Αυτό
|
||
συνέβαλε στη σταθερότητα τους μιας και δε χρειαζόταν να διαχειριστούν αιτήματα
|
||
από άλλα λειτουργικά συστήματα. Αυτή η προσέγγιση όμως είχε ένα μειονέκτημα.
|
||
Μεγάλο κομμάτι των πόρων του συστήματος έμενε ανεκμετάλλευτο.
|
||
|
||
Τη λύση σε αυτό το πρόβλημα την έφερε η εισαγωγή των υπερ-εποπτών. Πρόκειται
|
||
για μια στρώση λογισμικού που καθιστά δυνατή την εκτέλεση πολλαπλών
|
||
λειτουργικών συστημάτων, το ένα δίπλα στο άλλο, μοιράζοντας τους ίδιους
|
||
φυσικούς πόρους σε κάθε ένα από αυτά. Η πράξη αυτή ονομάζεται εικονικοποίηση
|
||
και τα στιγμιότυπα των λειτουργικών συστημάτων λέγονται εικονικές μηχανές και
|
||
αντιπροσωπεύουν προσομοιώσεις φυσικών υπολογιστών.
|
||
|
||
Οι υπερ-επόπτες είναι υπεύθυνοι για τη διαχείριση των εικονικών μηχανών
|
||
χωρίζοντάς τις και αναθέτοντας σε κάθε μια ένα κομμάτι της διαθέσιμης
|
||
υπολογιστικής ισχύος, μνήμης και χώρου αποθήκευσης. Αυτή η διαδικασία τις
|
||
αποτρέπει από την αλληλεπίδραση μεταξύ τους. Μάλιστα, στην περίπτωση
|
||
κατάρρευσης μιας εικονικής μηχανής, οι υπόλοιπες παραμένουν ανεπηρέαστες.
|
||
|
||
\subsection{Είδη υπερ-εποπτών} \label{hypervisorTypes}
|
||
|
||
Οι υπερ-επόπτες χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με το περιβάλλον στο οποίο
|
||
εκτελούνται. Με βάση την \citeauthor{ibmHypervisorDefinition}
|
||
\cite{ibmHypervisorDefinition}, αυτές είναι:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Τύπου 1 (Bare Metal)}:
|
||
|
||
Ένας υπερ-επόπτης τύπου 1 εκτελείται απευθείας στο φυσικό υλικό του
|
||
υποκείμενου υπολογιστή, αλληλεπιδρώντας άμεσα με την κεντρική μονάδα
|
||
επεξεργασίας, τη μνήμη και το φυσικό αποθηκευτικό χώρο. Για το λόγο
|
||
αυτό, οι υπερ-επόπτες τύπου 1 αναφέρονται επίσης ως bare-metal
|
||
υπερ-επόπτες και αντικαθιστούν το λειτουργικό σύστημα του κεντρικού
|
||
υπολογιστή. Η άμεση πρόσβαση στο φυσικό υλικό, τους καθιστά ιδιαίτερα
|
||
αποδοτικούς. Παρ' όλα αυτά, επειδή αντικαθιστούν το ΛΣ, προκειμένου να
|
||
μπορούν να αξιοποιηθούν απομακρυσμένα, συχνά απαιτείται μια ξεχωριστή
|
||
μηχανή στην οποία θα εκτελείται λογισμικό διαχείρισης εικονικών πόρων
|
||
\cite{phoenixnapHypervisors}, μέσω του οποίου προσφέρεται μια διεπαφή
|
||
για τον έλεγχο των εικονικών μηχανών και του υλικού του κεντρικού
|
||
υπολογιστή.
|
||
|
||
\item \textbf{Τύπου 2 (Hosted)}:
|
||
|
||
Ένας υπερ-επόπτης τύπου 2 δεν εκτελείται απευθείας στο υποκείμενο
|
||
υλικό. Αντ' αυτού, εκτελείται ως εφαρμογή σε ένα υπάρχον λειτουργικό
|
||
σύστημα. Η χρήση τους δε συνηθίζεται σε περιβάλλοντα με πολλούς
|
||
διακομιστές λόγω της καθυστέρησης που εισάγεται εξαιτίας της συνεχούς
|
||
επικοινωνίας του με το ΛΣ φιλοξενίας και επειδή το υποκείμενο αυτό ΛΣ
|
||
βάζει σε προτεραιότητα τις δικές του εφαρμογές και λειτουργίες έναντι
|
||
αυτών του υπερ-επόπτη \cite{amazonHypervisors}.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Από την άλλη μεριά, οι υπερ-επόπτες τύπου 2 είναι καταλληλότεροι για
|
||
μεμονωμένους τελικούς χρήστες υπολογιστών που έχουν την ανάγκη να εκτελέσουν
|
||
πολλαπλά λειτουργικά συστήματα (σε έναν υπολογιστή). Παραδείγματα τέτοιων
|
||
χρηστών είναι μηχανικοί, επαγγελματίες ασφαλείας που αναλύουν κακόβουλο
|
||
λογισμικό και υπάλληλοι επιχειρήσεων που χρειάζονται πρόσβαση σε εφαρμογές που
|
||
είναι διαθέσιμες αποκλειστικά σε διαφορετικές πλατφόρμες λογισμικού από τη δική
|
||
τους. Διατίθενται συχνά πρόσθετες εργαλειοθήκες για τους χρήστες, οι οποίες
|
||
μπορούν να εγκατασταθούν στο υποκείμενο λειτουργικό σύστημα προκειμένου να
|
||
παρέχουν βελτιωμένες συνδέσεις μεταξύ του υποκείμενου λειτουργικού συστήματος
|
||
και εκείνου της εικονικής μηχανής. Οι πρόσθετες δυνατότητες που υποστηρίζονται
|
||
μετά την παραπάνω διαδικασία μπορεί να είναι η αποκοπή και επικόλληση μεταξύ
|
||
των δύο συστημάτων ή η κοινή πρόσβαση στον αποθηκευτικό χώρο. Η τρέχουσα
|
||
προσέγγιση επιτρέπει τη γρήγορη εναλλαγή σε διαφορετικά λειτουργικά συστήματα
|
||
πέραν του ήδη υπάρχοντος, πράγμα που αυξάνει την παραγωγικότητα του τελικού
|
||
χρήστη, αφού μπορεί να έχει πρόσβαση σε εργαλεία που δεν υποστηρίζονται στο
|
||
δικό του (αρχικό/υπάρχον σύστημα).
|
||
|
||
Σε κάθε τύπο υπερ-επόπτη, όταν το φιλοξενούμενο ΛΣ αιτηθεί πρόσβαση στους
|
||
πόρους υπολογισμού, μνήμης και δικτύου του φυσικού υλικού, όλες οι προσβάσεις
|
||
περνάνε πρώτα από αυτόν. Στην περίπτωση όμως υπερ-επόπτη τύπου 2, επειδή
|
||
εκτελείται ως εφαρμογή του ΛΣ φιλοξενίας, οι προσβάσεις αυτές χρειάζεται να
|
||
μεταφραστούν προτού περάσουν στο φιλοξενούμενο ΛΣ και τους υποκείμενους πόρους
|
||
του. Επομένως, σε αντίθεση με τους υπερ-επόπτες τύπου 1 όπου η πρόσβαση γίνεται
|
||
άμεσα, η χρήση υπερ-εποπτών τύπου 2 εισάγει προβλήματα καθυστέρησης που μπορεί
|
||
να επηρεάσουν την απόδοση. Κατά την χρήση υπερ-επόπτη τύπου 2 παρέχεται
|
||
μεγαλύτερη συμβατότητα/γκάμα υλικού διότι αυτό διαχειρίζεται από το υποκείμενο
|
||
ΛΣ φιλοξενίας. Επιπροσθέτως, εισάγεται πιθανός κίνδυνος ασφαλείας εάν ένας
|
||
εισβολέας παραβιάσει το κεντρικό λειτουργικό σύστημα, επειδή θα μπορούσε στη
|
||
συνέχεια να χειραγωγήσει οποιοδήποτε φιλοξενούμενο λειτουργικό σύστημα
|
||
εκτελείται σε αυτό.
|
||
|
||
\subsection{Χαρακτηριστικά ενός υπερ-επόπτη} \label{hypervisorCharacteristics}
|
||
|
||
Αν και υπάρχουν διαφορετικά είδη υπερ-εποπτών, όλοι έχουν κάποια χαρακτηριστικά
|
||
που πρέπει να λάβει κανείς υπόψιν όταν επιλέγει ποιον θα χρησιμοποιήσει. Μερικά
|
||
σημαντικά αυτών, όπως αναφέρονται από την \citeauthor{ibmHypervisorDefinition}
|
||
\cite{ibmHypervisorDefinition}, είναι:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Απόδοση}:
|
||
|
||
Βασικό χαρακτηριστικό ενός υπερ-επόπτη είναι η απόδοσή του. Αυτή
|
||
διαφέρει από τον ένα υπερ-επόπτη στον άλλο αναλόγως την κατασκευή και
|
||
τον τύπο του. Όμως, εν γένει, οι υπερ-επόπτες τύπου 1 θα πρέπει να
|
||
παρέχουν απόδοση κοντά στην εγγενή λόγω της απουσίας ανάγκης μετάφρασης
|
||
των αιτημάτων του φιλοξενούμενου ΛΣ.
|
||
|
||
\item \textbf{Οικοσύστημα}:
|
||
|
||
Για τη διαχείριση ενός υπερ-επόπτη σε διάφορες κλίμακες πρέπει να
|
||
υπάρχει καλή τεκμηρίωση και διάφορα εργαλεία είτε επίσημα είτε από την
|
||
κοινότητα που να επιτρέπουν δυνατότητες, όπως δημιουργία αντιγράφων
|
||
ασφαλείας, ανάλυση χωρητικότητας και διαχείριση εναλλαγής εικονικών
|
||
μηχανών \cite{vmfailover} με αντίγραφα τους σε περιπτώσεις σφάλματος
|
||
του λειτουργικού συστήματος της εκτελούμενης (εικονικής μηχανής).
|
||
|
||
\item \textbf{Εργαλεία διαχείρισης}:
|
||
|
||
Η εκτέλεση εικονικών μηχανών δεν αποτελεί το μοναδικό καθήκον ενός
|
||
διαχειριστή κατά τη χρήση ενός υπερ-επόπτη. Απαραίτητες πρόσθετες
|
||
ενέργειες είναι η συντήρηση και η ανάλυσή τους, καθώς και η διαγραφή
|
||
όσων δε χρησιμοποιούνται πλέον. Επομένως, η ύπαρξη εργαλείων που να
|
||
καθιστούν δυνατές αυτές τις ενέργειες αποτελεί σημαντικό παράγοντα κατά
|
||
την επιλογή λογισμικού υπερ-επόπτη.
|
||
|
||
\item \textbf{Μεταφορά κατά τη λειτουργία}:
|
||
|
||
Πρέπει να υπάρχει η δυνατότητα μεταφοράς εικονικών μηχανών από έναν
|
||
υπερ-επόπτη σε έναν δεύτερο σε διαφορετική φυσική μηχανή, ιδανικά χωρίς
|
||
την ανάγκη διακοπής της λειτουργίας τους. Ένα χαρακτηριστικό που
|
||
χρησιμεύει τόσο για την αποτροπή αποτυχίας παροχής υπηρεσιών της
|
||
εκάστοτε επιχείρησης όσο και για την εξισορρόπηση του φόρτου εργασίας.
|
||
|
||
\item \textbf{Κόστος}:
|
||
|
||
Το κόστος είναι ένας παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψιν κατά την
|
||
επιλογή ενός υπερ-επόπτη. Οι περισσότεροι είναι δωρεάν αλλά υπάρχουν
|
||
και εμπορικές εκδόσεις που προσφέρουν περισσότερες δυνατότητες. Για
|
||
παράδειγμα, μπορεί να προσφέρεται λογισμικό διαχείρισής τους που να
|
||
επιτρέπει την εύκολη κλιμάκωση με βάση τις απαιτήσεις της επιχείρησης.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\subsection{Επιλογή υπερ-επόπτη} \label{hypervisorSelection}
|
||
|
||
Σε κάθε περίπτωση υπερ-επόπτη, το φιλοξενούμενο ΛΣ δεν γνωρίζει πως εκτελείται
|
||
σε εικονικοποιημένο περιβάλλον ενώ στην περίπτωση παραβίασης του ίδιου, η
|
||
χειραγώγηση όλων των εικονικών μηχανών θα μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς
|
||
μεγάλη δυσκολία.
|
||
|
||
Η επιλογή του τύπου υπερ-επόπτη που θα χρησιμοποιηθεί είναι άμεσα εξαρτώμενη
|
||
από τις ανάγκες του κάθε τελικού χρήση ή επιχείρησης ζυγίζοντας τα
|
||
πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που έρχονται με την κάθε επιλογή. Παραδείγματος
|
||
χάριν, αν η ταχύτητα και η απόδοση θεωρούνται από τον χρήστη χαρακτηριστικά
|
||
υψίστης σημασίας, τότε η επιλογή υπερ-επόπτη τύπου 1 αποτελεί μονόδρομο. Από
|
||
την άλλη, αν η προτεραιότητα είναι η ευκολία διαχείρισης και η ευελιξία ταχείας
|
||
εναλλαγής σε διαφορετικά λειτουργικά συστήματα, η πιο ταιριαστή επιλογή είναι
|
||
ένας υπερ-επόπτης τύπου 2.
|
||
|
||
\section {Τρόπος λειτουργίας της εικονικοποίησης} \label{virtualizationOperation}
|
||
|
||
Για να πραγματοποιηθεί η εικονικοποίηση, χρειαζόμαστε έναν υπερ-επόπτη. Δηλαδή
|
||
ενός λογισμικού που διαχωρίζει τους φυσικούς πόρους από τα εικονικά
|
||
περιβάλλοντα, τα οποία τους χρειάζονται. Ένας υπερ-επόπτης μπορεί να
|
||
τοποθετηθεί πάνω σε ένα λειτουργικό σύστημα ή να εγκατασταθεί απευθείας στο
|
||
υλικό. Η τελευταία εναλλακτική είναι αυτή που επιλέγουν οι περισσότερες
|
||
επιχειρήσεις για λόγους αποδοτικότητας αφού θα βρίσκεται μια στρώση πιο κοντά
|
||
στο υλικό το οποίο θα διαχειρίζεται. Η δουλειά ενός υπερ-επόπτη είναι
|
||
ουσιαστικά να λάβει τους φυσικούς πόρους ενός (φυσικού) μηχανήματος και να τους
|
||
χωρίσει με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τα εικονικά μας
|
||
περιβάλλοντα \cite{redhatVirtualization}.
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .5\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_virtualization_architecture.png}
|
||
\captionof{figure}{Υπερ-επόπτης πάνω σε διακομιστές \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:hypervisorOnServers}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
Μετά τη δημιουργία μιας εικονικής μηχανής, οι χρήστες αλληλεπιδρούν με αυτή
|
||
όπως θα αλληλεπιδρούσαν με μια φυσική. Οι εικονικές μηχανές έχουν τη μορφή ενός
|
||
ενιαίου αρχείου, πράγμα που καθιστά εύκολη τη μεταφορά και ανάγνωσή τους από
|
||
οποιονδήποτε υπολογιστή αναμένοντας τον ίδιο τρόπο λειτουργίας. Κατά την
|
||
εκτέλεση του εικονικού περιβάλλοντος, όταν ένας χρήστης ή ένα πρόγραμμα εκδώσει
|
||
μία εντολή που απαιτεί περισσότερους πόρους από τους διαθέσιμούς του, ο
|
||
υπερ-επόπτης είτε αναμεταδίδει το αίτημα αυτό στο φυσικό σύστημα είτε πρώτα το
|
||
μεταφράζει και μεταδίδει το μεταφρασμένο αν είναι υπερ-επόπτης τύπου 2. Έπειτα,
|
||
μπορεί να διαθέσει τους απαραίτητους για την εκτέλεση πόρους. Όλα αυτά
|
||
συμβαίνουν με σχεδόν εγγενή ταχύτητα αν γίνεται χρήση υπερ-επόπτη τύπου 1 όπου
|
||
δεν υπάρχει λειτουργικό σύστημα ανάμεσα στις εικονικές μηχανές και το φυσικό
|
||
μηχάνημα.
|
||
|
||
Εξαίρεση στον κανόνα απουσίας λειτουργικού συστήματος αποτελεί η χρήση ενός
|
||
υπερ-επόπτη ανοιχτού κώδικα βασισμένου στο KVM (Kernel-based Virtual Machine),
|
||
που επιτρέπει στο Linux να συμπεριφέρεται ως ένας υπερ-επόπτης. Αυτό συμβαίνει
|
||
διότι το KVM αποτελεί κομμάτι του πυρήνα του Linux από την έκδοση 2.6.20 και
|
||
έπειτα, επιτρέποντάς του να επωφεληθεί από τους διαθέσιμους μηχανισμούς
|
||
απομόνωσης μέσω αυτού. Επομένως, του προσφέρεται η ικανότητα να λάβει
|
||
αποκλειστικούς πόρους από το φυσικό μηχάνημα \cite{kvm}, κάτι που εξαλείφει το
|
||
μειονέκτημα έλλειψης προτεραιότητας των διεργασιών ενός υπερ-επόπτη τύπου 2
|
||
έναντι αυτών του λειτουργικού συστήματος φιλοξενίας.
|
||
|
||
\subsection{Είδη εικονικοποίησης} \label{virtualizationImplementations}
|
||
|
||
Υπάρχουν πολλά είδη εικονικοποίησης. Πέντε βασικά αυτών, όπως αναφέρονται από
|
||
την Red Hat \cite{redhatVirtualization}, συνδυαστικά με τρία ακόμα που
|
||
χρησιμοποιούνται συχνά είναι τα παρακάτω:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Δεδομένων}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .5\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_data_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Δεδομένων \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:dataVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση δεδομένων είναι μια προσέγγιση ενσωμάτωσης δεδομένων από
|
||
διαφορετικές πηγές, σε μια ολιστική, λογική προβολή δίχως την ανάγκη της
|
||
φυσικής μετακίνησής τους \cite{dataVirtualization}. Δηλαδή, διασκορπισμένα
|
||
ετερογενή δεδομένα παρεχόμενα από πηγές διαφόρων τοποθεσιών δύναται να
|
||
συσσωματωθούν σε μοναδικά, λογικά τεμάχια μιας ενιαίας εικονικής πηγής. Με
|
||
αυτόν τον τρόπο, οι εταιρείες μπορούν από ένα μόνο μοντέλο διαχείρισης
|
||
δεδομένων να οργανώσουν και να επεξεργαστούν διασκορπισμένες πληροφορίες με
|
||
γνώμονα τις ανάγκες των χρηστών με μεγαλύτερη ευκολία και αποδοτικότητα, χωρίς
|
||
την ανάγκη να γνωρίζουν τεχνικές λεπτομέρειες (όπως γλώσσες πρόσβασης, δομές
|
||
αποθήκευσης κα.). Τομείς οι οποίοι επωφελούνται από την εικονικοποίηση
|
||
δεδομένων είναι η λήψη αποφάσεων, η επιχειρηματική αναλυτική και η αξιολόγηση
|
||
των κινδύνων.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Επιφάνειας Εργασίας}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_desktop_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Επιφάνειας Εργασίας \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:desktopVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Με την εικονικοποίηση επιφάνειας εργασίας, δίνεται σε έναν κεντρικό διαχειριστή
|
||
η ικανότητα διαμοιρασμού προσομοιωμένων περιβαλλόντων εργασίας σε εκατοντάδες
|
||
φυσικές μηχανές ή συσκευές ταυτοχρόνως. Εν αντιθέσει με τα παραδοσιακά
|
||
περιβάλλοντα εργασίας που χρήζουν εγκατάστασης, διαμόρφωσης και ενημέρωσης σε
|
||
κάθε υπολογιστή, η εικονικοποίηση επιφάνειας εργασίας καθιστά δυνατή τη μαζική
|
||
διαμόρφωση, ενημέρωση και έλεγχο ασφαλείας σε όλα τα εικονικά περιβάλλοντα
|
||
εργασίας που παρέχονται από έναν μόνο διακομιστή. Καθ' αυτόν τον τρόπο, οι
|
||
επιχειρήσεις επιτρέπουν στους χρήστες να μπορούν να εργαστούν από οπουδήποτε
|
||
και με κάθε συσκευή ανεξαρτήτως του είδους ή του λειτουργικού συστήματός τους
|
||
\cite{desktopVirtualization}.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Διακομιστών}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_server_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Διακομιστών \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:serverVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Οι διακομιστές είναι υπολογιστές σχεδιασμένοι με σκοπό να επεξεργάζονται πολύ
|
||
καλά έναν μεγάλο όγκο συγκεκριμένων διεργασιών, ώστε οι κύριοι υπολογιστές μιας
|
||
επιχείρησης να μπορούν να δίνουν προτεραιότητα σε άλλες εργασίες. Με την
|
||
εικονικοποίηση διακομιστών αναφερόμαστε στην διαδικασία κατά την οποία ένας
|
||
φυσικός διακομιστής χωρίζεται σε πολλούς μικρότερους εικονικούς διακομιστές, με
|
||
απώτερο σκοπό την αποτελεσματικότερη αξιοποίηση των πόρων του. Αυτό είναι
|
||
απαραίτητο διότι προτιμάται για λόγους ευκολίας της διαχείρισής τους, κάθε
|
||
διακομιστής να είναι υπεύθυνος για μια μόνο διεργασία την φορά. Μετά την
|
||
κατάτμησή του, ενώ μπορεί να ακολουθείται η ίδια πρακτική, παύει το φυσικό
|
||
μηχάνημα να μένει με αχρησιμοποίητους πόρους και πρακτικά μπορεί το σύνολο τον
|
||
πόρων του να χρησιμοποιηθεί για την εξυπηρέτηση πολλαπλών λειτουργιών. Ο
|
||
ορισμός της εικονικοποίησης διακομιστών αναλύθηκε πιο λεπτομερώς και στο
|
||
\ref{virtualizationDefinition}.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Λειτουργικού Συστήματος}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_os_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Λειτουργικού Συστήματος \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:operatingSystemVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση λειτουργικού συστήματος είναι κάτι που συμβαίνει στον πυρήνα
|
||
(ΛΣ). Αποτελεί υποκατηγορία της εικονικοποίησης διακομιστών και
|
||
πραγματοποιείται σε επίπεδο λειτουργικού συστήματος. Ουσιαστικά αναφερόμαστε
|
||
στην διαδικασία της δοχειοποίησης και συγκεκριμένα, την δοχειοποίηση
|
||
λειτουργικών συστημάτων. Κατά την χρήση της, μπορούν να εκτελεστούν ταυτοχρόνως
|
||
πολλαπλά λειτουργικά συστήματα μέσα σε απομονωμένα εικονικά περιβάλλοντα, όπου
|
||
το κάθε ένα από αυτά μοιράζεται τον ίδιο πυρήνα με το λειτουργικό σύστημα
|
||
φιλοξενίας. Μεγαλύτερη ανάλυση της εικονικοποίησης σε επίπεδο λειτουργικού
|
||
συστήματος πραγματοποιείται στο \ref{osVirtualization}.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Λειτουργιών Δικτύου}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .7\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/redhat_network_function_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Λειτουργιών Δικτύου \cite{redhatVirtualization}}
|
||
\label{fig:networkFunctionVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση λειτουργιών δικτύου (Network Functions Virtualization - NFV)
|
||
διαχωρίζει τις βασικές λειτουργίες ενός δικτύου (όπως ο διαμοιρασμός αρχείων,
|
||
και η διαμόρφωση IP), ώστε να μπορούν να διανεμηθούν σε διάφορα περιβάλλοντα.
|
||
Από τη στιγμή που οι λειτουργίες λογισμικού είναι ανεξάρτητες από τα φυσικά
|
||
μηχανήματα στα οποία εκτελούνται, συγκεκριμένες λειτουργίες μπορούν να
|
||
πακεταριστούν μαζί σε ένα νέο δίκτυο και να ανατεθούν σε ένα ξεχωριστό
|
||
περιβάλλον. Η εικονικοποίηση των δικτύων μειώνει τον αριθμό των φυσικών
|
||
εξαρτημάτων, όπως οι μεταγωγείς, δρομολογητές, διακομιστές, καλώδια και κόμβοι,
|
||
που απαιτούνται για τη δημιουργία πολλαπλών, ανεξάρτητων δικτύων και είναι
|
||
ιδιαίτερα δημοφιλής στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών. Παραδοσιακά, οι λειτουργίες
|
||
δικτύου εκτελούνταν σε ιδιόκτητο υλικό συγκεκριμένου σκοπού και επομένως ήταν
|
||
απαραίτητο να πραγματοποιηθεί αγορά, ρύθμιση και συντήρηση του κάθε φυσικού
|
||
εξαρτήματος. Με την αύξηση όμως της δημοτικότητας των τεχνολογιών
|
||
εικονικοποίησης, άρχισε να γίνεται πιο δημοφιλής και η πρακτική πακεταρίσματος
|
||
των λειτουργιών των εξαρτημάτων αυτών σε διακομιστές κοινής χρήσης (commodity
|
||
servers). Το αποτέλεσμα αυτού, ήταν η απόκτηση της δυνατότητας εκτέλεσης των
|
||
λειτουργιών δικτύου μιας επιχείρησης σε τυπικούς διακομιστές γενικού σκοπού και
|
||
κατά προέκταση, η αντικατάσταση κάθε ξεχωριστού φυσικού μηχανήματος με ένα
|
||
αντίστοιχο εικονικό εκτελούμενο μέσα από μια εικονική μηχανή \cite{redhatNFV}.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Μνήμης}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/VMWARE_Virtualization/vmware_memory_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Μνήμης \cite{vmwareMemoryVirtualization}}
|
||
\label{fig:memoryVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση μνήμης αποτελεί ένα κομμάτι της ευρύτερης έννοιας της
|
||
εικονικοποίησης πόρων \cite{hostitsmartMemoryVirtualization}. Συγκεκριμένα,
|
||
είναι μια τεχνική κατά την οποία δύναται να διαχειριστούμε με έναν πιο
|
||
αποδοτικό τρόπο την φυσική μνήμη (RAM) που χρησιμοποιείται στα υπολογιστικά μας
|
||
συστήματα. Αυτό συμβαίνει διότι στην βασικότερη μορφή της, η εικονικοποίηση
|
||
μνήμης εμφανίζεται ως εικονική μνήμη ή όπως η μνήμη swap σε διακομιστές και
|
||
σταθμούς εργασίας \cite{petriMemoryVirtualization}. Δηλαδή, ως επιπρόσθετη
|
||
μνήμη την οποία το σύστημα εκλαμβάνει ως πραγματική και μπορεί να την
|
||
χρησιμοποιήσει προτού αναγκαστεί να τερματίσει διεργασίες για να απελευθερώσει
|
||
κομμάτι της δικής του μνήμης. Για να επιτευχθεί αυτό, μέσω του υπερ-επόπτη
|
||
πραγματοποιείται αντιστοίχιση σελίδων φυσικής μνήμης του φιλοξενούμενου
|
||
λειτουργικού συστήματος στις σελίδες φυσικής μνήμης της υποκείμενης μηχανής.
|
||
Καθ' αυτόν τον τρόπο, κάθε εικονική μηχανή βλέπει έναν συνεχόμενο χώρο
|
||
διευθύνσεων μνήμης που δύναται να χρησιμοποιήσει
|
||
\cite{vmwareMemoryVirtualization}. Ως αποτέλεσμα, επιτυγχάνεται εν γένει
|
||
υψηλότερη αξιοποίηση της μνήμης και η δυνατότητα διαμοιρασμού μιας κοινής
|
||
δεξαμενής μνήμης ακόμα και σε κατανεμημένα συστήματα, παρακάμπτοντας τους
|
||
περιορισμούς της φυσικής μνήμης \cite{codingninjasMemoryVirtualization}.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Αποθήκευσης}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .5\textwidth]{Figures/UnixArena_Virtualization/unixarena_storage_virtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Αποθήκευσης \cite{unixarenaVirtualization}}
|
||
\label{fig:storageVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Ένα ακόμα κομμάτι της ευρύτερης έννοιας της εικονικοποίησης πόρων είναι και η
|
||
εικονικοποίηση αποθήκευσης. Συγκεκριμένα, ο όρος εικονικοποίηση αποθήκευσης
|
||
αναφέρεται στην πρακτική της συγκέντρωσης φυσικού αποθηκευτικού χώρου από
|
||
πολλαπλές συσκευές αποθήκευσης σε μια φαινομενικά ενιαία, εικονική συσκευή
|
||
\cite{ubackupStorageVirtualization}. Παρομοίως με την εικονικοποίηση μνήμης,
|
||
αυτό είναι κάτι που θα επιτρέψει την υψηλότερη αξιοποίηση δίσκου, θα επιφέρει
|
||
μεγαλύτερη ευελιξία στον τομέα της αποθήκευσης και επιπλέον, θα αποτελέσει ένα
|
||
πιο διαχειρίσιμο μοντέλο χώρου αποθήκευσης σε σχέση με το παραδοσιακό, όπου
|
||
κάθε υπολογιστής έχει πρόσβαση μονάχα στον δικό του δίσκο.
|
||
|
||
Προκειμένου να γίνει πράξη, απαιτείται αναλόγως την μέθοδο εικονικοποίησης και
|
||
τον τύπο της, είτε να χρησιμοποιηθεί ένας αλγόριθμος για να εντοπίσει δυναμικά
|
||
τα δεδομένα είτε να δημιουργηθεί ένας χάρτης αντιστοίχισής τους χρησιμοποιώντας
|
||
μεταδεδομένα \cite{cloudinfraStorageVirtualization}. Αφότου γίνει αυτό, τα
|
||
δεδομένα πλέον αποθηκεύονται σε ένα αρχείο και οι συστοιχίες δίσκων
|
||
τοποθετούνται μέσα σε μια εικονική δεξαμενή. Έπειτα, κάθε αίτημα ανάγνωσης και
|
||
εγγραφής από τις εφαρμογές φιλτράρεται και δύναται έμμεσα μέσω των αντιστοιχιών
|
||
η δυνατότητα εύρεσης και αποθήκευσης δεδομένων.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εικονικοποίηση Εφαρμογών}:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/TutorialsPoint_Virtualization/tutorialspoint_application_virtualization.jpg}
|
||
\captionof{figure}{Εικονικοποίηση Εφαρμογών \cite{tutorialsPointVirtualization}}
|
||
\label{fig:applicationVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Όπως και η εικονικοποίηση λειτουργικού συστήματος, έτσι και η εικονικοποίηση
|
||
εφαρμογών αποτελεί υποκατηγορία της εικονικοποίησης διακομιστών και υπάγεται
|
||
στην διαδικασία της δοχειοποίησης. Το επιθυμητό αποτέλεσμα της εικονικοποίησης
|
||
εφαρμογών είναι ο διαχωρισμός των βιβλιοθηκών και εξαρτήσεων τους από το
|
||
περιβάλλον στο οποίο εκτελούνται μέσω της δημιουργίας δοχείων. Στα δοχεία αυτά,
|
||
εικονικοποιούνται οι απαραίτητοι υπολογιστικοί πόροι όπως το λειτουργικό
|
||
σύστημα, η μνήμη και η κεντρική μονάδα επεξεργασίας
|
||
\cite{geeksforgeeksApplicationVirtualization}, κάνοντας χρήση των διαθέσιμων
|
||
μηχανισμών απομόνωσης του πυρήνα του λειτουργικού συστήματος. Περισσότερες
|
||
λεπτομέρειες για τον τρόπο κατά τον οποίο επιτυγχάνεται αυτό, παρουσιάζονται
|
||
στο \ref{osVirtualization}.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\subsection{Πλεονεκτήματα της εικονικοποίησης} \label{virtualizationAdvantages}
|
||
|
||
Η εικονικοποίηση προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα στις επιχειρήσεις. Τα πιο
|
||
αξιοσημείωτα αυτών με βάση την \citeauthor{ibmVirtualizationDefinition}
|
||
\cite{ibmVirtualizationDefinition} είναι τα εξής:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Αποδοτικότητα πόρων}:
|
||
|
||
Η χρήση εικονικοποίησης συνεπάγεται την μείωση του αριθμού των φυσικών
|
||
μηχανημάτων που απαιτούνται για την εκτέλεση των εφαρμογών. Αυτό
|
||
συμβαίνει διότι εφόσον ένας φυσικός διακομιστής μπορεί να φιλοξενήσει
|
||
πολλαπλές εικονικές μηχανές, αυτές με την σειρά τους δύναται να
|
||
αντικαταστήσουν άλλους φυσικούς διακομιστές που θα ήταν απαραίτητοι για
|
||
την εκτέλεση διαφορετικών λειτουργιών \cite{mediumVirtualization}. Με
|
||
αυτόν τον τρόπο, εξοικονομείται η ενέργεια που θα απαιτούσε η διάθεση
|
||
των (έξτρα) υπολογιστικών πόρων των φυσικών μηχανημάτων που
|
||
αποσύρθηκαν, ενώ ταυτόχρονα αξιοποιούνται σε μεγαλύτερο βαθμό οι
|
||
υπολογιστικοί πόροι του μηχανήματος που φιλοξενεί τις εικονικές
|
||
μηχανές.
|
||
|
||
\item \textbf{Ευκολότερη διαχείριση}:
|
||
|
||
Αντικαθιστώντας φυσικούς υπολογιστές με προγραμματιστικά καθορισμένες
|
||
εικονικές μηχανές δύναται η χρήση αυτοματοποιημένων ροών διαχειριστικών
|
||
εργασιών. Οι διαχειριστές συστημάτων μπορούν να χρησιμοποιούν εργαλεία
|
||
για τον καθορισμό εικονικών μηχανών χρησιμοποιώντας πρότυπα κατάλληλα
|
||
για την υποδομή κάθε επιχείρησης. Με αυτόν τον τρόπο, η εγκατάσταση και
|
||
η ρύθμιση των εικονικών μηχανών μπορεί να γίνεται επανειλημμένα με
|
||
αυτοματοποιημένο τρόπο δίχως το ρίσκο ανθρώπινου λάθους και γλιτώνοντας
|
||
τον χρόνο εγκατάστασης και ρύθμισής τους χειροκίνητα. Ένας συνδυασμός
|
||
εργαλείων που κάνει αυτή τη διαδικασία πραγματικότητα είναι τα Ansible
|
||
\footfullcite{ansible} και Terraform \footfullcite{terraform}.
|
||
|
||
\item \textbf{Ελάχιστος χρόνος διακοπής λειτουργίας}:
|
||
|
||
Οι καταρρεύσεις λειτουργικών συστημάτων και εφαρμογών μπορεί να
|
||
προκαλέσουν διακοπή λειτουργίας και να διαταράξουν την παραγωγικότητα
|
||
των χρηστών. Οι διαχειριστές έχουν την δυνατότητα εκτέλεσης
|
||
πλεοναζουσών εικονικών μηχανών, με σκοπό την ταχεία εναλλαγή σε αυτές
|
||
στην περίπτωση που προκύψουν προβλήματα στις αρχικές (που έχουν
|
||
διατεθεί). Κάτι τέτοιο, δεν θα ήταν αποδοτικό για την επιχείρηση
|
||
διαθέτοντας αποκλειστικά μη εικονικοποιημένα φυσικά μηχανήματα.
|
||
|
||
\item \textbf{Ταχύτερη παροχή}:
|
||
|
||
Η αγορά, εγκατάσταση και διαμόρφωση του υλικού για κάθε εφαρμογή είναι
|
||
χρονοβόρα. Εφόσον το υλικό είναι ήδη στη θέση του και μπορεί να
|
||
εντοπίζεται και απομακρυσμένα (όπως στην περίπτωση περιβαλλόντων
|
||
νέφους), η παροχή εικονικών μηχανών για την εγκατάσταση και εκτέλεση
|
||
όλων των εφαρμογών είναι σημαντικά ταχύτερη.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\subsection{Παρα-εικονικοποίηση} \label{paraVirtualization}
|
||
|
||
Όταν αναφερόμαστε στην εικονικοποίηση συνήθως μιλάμε για την πιο συνηθισμένη
|
||
μορφή της, η οποία είναι η πλήρης εικονικοποίηση. Με την πάροδο του χρόνου και
|
||
την αύξηση της δημοτικότητας της εικονικοποίησης, αναπτύχθηκαν πολλοί
|
||
υπερ-επόπτες που μπορεί να διαφέρουν όχι μόνο στα χαρακτηριστικά τους αλλά και
|
||
στις διάφορες τεχνικές που χρησιμοποιούν για να κάνουν την εικονικοποίηση
|
||
πραγματικότητα. Μια από αυτές ονομάζεται παρα-εικονικοποίηση
|
||
(paravirtualization) \cite{suseParavirtualizationDefinition}.
|
||
|
||
Κάθε εικονική μηχανή απαιτεί ένα συγκεκριμένο ποσοστό χρήσης υπολογιστικών
|
||
πόρων του φυσικού διακομιστή για να εκτελείται. Μέσα σε αυτό το ποσοστό,
|
||
συμπεριλαμβάνεται και η επιβάρυνση που εισάγει η συνεχής μετάφραση εικονικών σε
|
||
φυσικούς πόρους. Έχοντας υπόψιν πως κάθε φυσικός διακομιστής διαθέτει
|
||
πεπερασμένους πόρους, με την πλήρη εικονικοποίηση επιβάλλεται ένα όριο στον
|
||
αριθμό των εικονικών μηχανών που μπορεί αυτός να υποστηρίξει. Επιπροσθέτως,
|
||
προκύπτουν και προβλήματα καθυστέρησης αφού η διαδικασία της μετάφρασης απαιτεί
|
||
κάποιο χρόνο για να διεκπεραιωθεί.
|
||
|
||
Επομένως, η πλήρης εικονικοποίηση περιορίζει σημαντικά τον αριθμό των εικονικών
|
||
μηχανών που δύναται ένας διακομιστής να εκτελέσει παράλληλα, όπως επίσης και τα
|
||
είδη εφαρμογών που μπορούν να εκτελεστούν σε μια εικονική μηχανή (εφόσον η
|
||
ταχύτητα εκτέλεσης τους παίζει σημαντικό ρόλο στην ευχρηστία τους). Μερικοί
|
||
τομείς που επωφελούνται από την παρα-εικονικοποίηση είναι η χρήση λογισμικών
|
||
που επιτρέπουν την ανάκαμψη από καταστροφές, την μετανάστευση δεδομένων μεταξύ
|
||
λειτουργικών συστημάτων \cite{insightsForProfessionalsParavirtualization} ή
|
||
ακόμα και λογισμικά ενσωματωμένων συστημάτων αυτοκινήτων
|
||
\cite{blackberryParavirtualization}.
|
||
|
||
Η παρα-εικονικοποίηση είναι μια τεχνική εικονικοποίησης που αναπτύχθηκε
|
||
προκειμένου να ξεπεραστούν τα προαναφερόμενα προβλήματα επιδόσεων που έρχονται
|
||
με την χρήση της πλήρους εικονικοποίησης. Κατά την χρήση της, το φιλοξενούμενο
|
||
λειτουργικό σύστημα δεν είναι πλήρως απομονωμένο από το υλικό αλλά απομονώνεται
|
||
μερικώς \cite{serverWatchParavirtualization} και έχει άμεση επικοινωνία με
|
||
αυτό. Υπάρχει δηλαδή επίγνωση της εικονικοποίησης από μεριάς του ΛΣ των
|
||
εικονικών μηχανών και αξιοποίηση της, μέσω της χρήσης υπερ-κλήσεων προς τον
|
||
υπερ-επόπτη. Οι κλήσεις αυτές, επιτρέπουν σε κάθε ΛΣ να ζητάει πόρους κατά
|
||
παραγγελία και να αναθέτει την εκτέλεση διεργασιών του απευθείας στο υλικό. Για
|
||
να μπορέσει να επιτευχθεί αυτό, απαιτείται η τροποποίηση του φιλοξενούμενου
|
||
λειτουργικού συστήματος, η οποία θα του επιτρέπει την υλοποίηση ενός ειδικού
|
||
API, ώστε να μπορεί να κάνει χρήση των υπερ-κλήσεων
|
||
\cite{servermaniaParavirtualization}, ενώ επιβάλλεται να υποστηρίζεται και από
|
||
τον υπερ-επόπτη η κατανόησή τους.
|
||
|
||
Παρ' όλα τα πλεονεκτήματα που παρέχει η χρήση της παρα-εικονικοποίησης,
|
||
υπάρχουν και μερικά ζητήματα που πρέπει να ληφθούν υπόψιν. Εξαιτίας της ανάγκης
|
||
τροποποίησης του λειτουργικού συστήματος των φιλοξενούμενων λειτουργικών
|
||
συστημάτων, αυτά καθίστανται λιγότερο φορητά σε σχέση με την πλήρη
|
||
εικονικοποίηση, αφού τροποποιούνται για την υποστήριξη συγκεκριμένου υλικού
|
||
αντί ενός υπερ-επόπτη \cite{blackberryParavirtualization}. Ταυτοχρόνως, η στενή
|
||
εξάρτηση μεταξύ του υπερ-επόπτη και των φιλοξενούμενων ΛΣ μπορεί να διακοπεί
|
||
από τις ενημερώσεις του λειτουργικού συστήματος
|
||
\cite{insightsForProfessionalsParavirtualization}, κάνοντας την
|
||
παρα-εικονικοποίηση λιγότερο αξιόπιστη.
|
||
|
||
Στο Σχήμα \ref{fig:FullVirtualization}
|
||
\cite{geeksforgeeksParavirtualizationDefinition} παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική
|
||
της πλήρους εικονικοποίησης όπου το φιλοξενούμενο λειτουργικό σύστημα (της
|
||
εικονικής μηχανής) επιβάλλεται να περάσει τα αιτήματά του (πρόσβασης πόρων)
|
||
μέσω του υπερ-επόπτη.
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/GeeksForGeeksParavirtualization/Full-Virualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Πλήρης εικονικοποίηση \cite{geeksforgeeksParavirtualizationDefinition}}
|
||
\label{fig:FullVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
Αντιθέτως, στο Σχήμα \ref{fig:ParaVirtualization} όπου και φαίνεται η
|
||
αρχιτεκτονική της παρα-εικονικοποίησης, βλέπουμε πως μέσω των υπερ-κλήσεων, όλα
|
||
τα αιτήματα προορίζονται στη στρώση εικονικοποίησης και από εκεί στο κύριο
|
||
σύστημα (χωρίς την ανάγκη κάποιας επεξεργασίας ή μετάφρασης).
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/GeeksForGeeksParavirtualization/Paravirtualization.png}
|
||
\captionof{figure}{Παρα-εικονικοποίηση \cite{geeksforgeeksParavirtualizationDefinition}}
|
||
\label{fig:ParaVirtualization}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\noindent Οι διαφορές της πλήρους εικονικοποίησης με την παρα-εικονικοποίηση με
|
||
βάση τον οργανισμό \citeauthor{geeksforgeeksParavirtualizationDefinition}
|
||
\cite{geeksforgeeksParavirtualizationDefinition} είναι οι εξής:
|
||
|
||
\begin{savenotes} % by the package footnote because footfullcite did not work inside a tabular
|
||
\selectfont
|
||
\begin{table}[!ht]
|
||
\caption{Διαφορές πλήρους εικονικοποίησης και παρα-εικονικοποίησης}
|
||
\renewcommand{\arraystretch}{1.5}
|
||
\centering
|
||
\newcolumntype{C}{>{\centering\arraybackslash}m{6cm}}
|
||
\textgreek{\begin{tabular}{||c|C|C||}
|
||
\hline
|
||
|
||
Νούμερο & Πλήρης εικονικοποίηση & Παρα-εικονικοποίηση \\ [0.5ex]
|
||
|
||
\hline\hline
|
||
|
||
1 &
|
||
|
||
Πλήρης απομόνωση της εικονικής μηχανής. &
|
||
|
||
Μερική απομόνωση και χρήση API για αμεσότερη επικοινωνία. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
2 &
|
||
|
||
Λιγότερο ασφαλής. &
|
||
|
||
Υπάρχει επίγνωση του εικονικού περιβάλλοντος και δε γίνεται εκκίνηση του BIOS
|
||
\cite{ParavirtualizationSecurity}, πράγμα που την καθιστά ασφαλέστερη. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
3 &
|
||
|
||
Χρήση δυαδικής μετάφρασης\footnote{\textgreek{Αυτό ισχύει στην περίπτωση
|
||
εικονικοποίησης υποβοηθούμενη από το λογισμικό.}}. &
|
||
|
||
Χρήση υπερ-κλήσεων κατά την εκτέλεση. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
4 &
|
||
|
||
Πιο αργές ταχύτητες\footnote{\textgreek{Με βάση την VMware, η απόδοση της
|
||
παρα-εικονικοποίησης είναι καλύτερη υπό ορισμένες περιπτώσεις, ενώ η
|
||
πλήρης εικονικοποίηση με χρήση δυαδικής μετάφρασης παρέχει καλύτερη
|
||
απόδοση από την πρώτη γενιά εικονικοποίησης υποβοηθούμενη από το υλικό.}}
|
||
\cite{ParavirtualizationVmware}. &
|
||
|
||
Γρηγορότερη εκτέλεση. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
5 &
|
||
|
||
Μεγαλύτερη συμβατότητα και μεταφερσιμότητα. &
|
||
|
||
Λόγω της αρχιτεκτονικής της είναι δυσκολότερη η μεταφορά εικονικών μηχανών (από
|
||
έναν φυσικό διακομιστή σε έναν άλλο) \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
6 &
|
||
|
||
Υποστήριξη όλων των συστημάτων χωρίς την απαίτηση τροποποιήσεων. &
|
||
|
||
Απαιτείται τροποποίηση του φιλοξενούμενου λειτουργικού συστήματος για να κάνει
|
||
χρήση υπερ-κλήσεων. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
\end{tabular}}
|
||
\label{table:virtualizationTypesDifferences}
|
||
\renewcommand{\arraystretch}{1}
|
||
\end{table}
|
||
\end{savenotes}
|
||
|
||
\section{Ασφάλεια στην εικονικοποίηση} \label{virtualizationSecurity}
|
||
|
||
Η χρήση της εικονικοποίησης παρέχει αρκετά εγγενή οφέλη ασφαλείας με την μορφή
|
||
μέτρων ανάκαμψης από επιθέσεις. Ένα σημαντικό εξ αυτών, είναι η ικανότητα
|
||
επαναφοράς εικονικών μηχανών που έχουν μολυνθεί με κακόβουλο λογισμικό σε μια
|
||
χρονική περίοδο πριν τη μόλυνση τους. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της δυνατότητας
|
||
δημιουργίας στιγμιοτύπων εικονικών μηχανών \cite{vmSnapshots}, η οποία
|
||
παρέχεται από τον υπερ-επόπτη. Επιπρόσθετα, μπορεί εύκολα να πραγματοποιηθεί
|
||
διαγραφή και αναδημιουργία τους με έναν αυτοματοποιημένο τρόπο, σε περίπτωση
|
||
που η επαναφορά σε προηγούμενη χρονική περίοδο για οποιονδήποτε λόγο δεν είναι
|
||
εφικτή. Αυτή η λύση μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς αρνητικές επιπτώσεις εάν τα
|
||
δεδομένα της εικονικής μηχανής είτε δεν μας ενδιαφέρουν, είτε βρίσκονται σε
|
||
διαφορετική τοποθεσία επειδή γίνεται χρήση εικονικοποίησης αποθήκευσης, είτε
|
||
υπάρχουν αντίγραφα ασφαλείας τους. Αυτές οι λειτουργίες είναι αρκετές φορές
|
||
αδύνατο να εφαρμοστούν σε ένα φυσικό μηχάνημα διότι το κακόβουλο λογισμικό
|
||
συχνά μπορεί να είναι βαθιά ριζωμένο στα βασικά συστατικά του συστήματος
|
||
\cite{ibmVirtualizationDefinition}. Επιπλέον, ακόμα και αν το κακόβουλο
|
||
λογισμικό ήταν σε θέση να εξαφανιστεί με μια επαναφορά, κάτι τέτοιο θα
|
||
χρειαζόταν σημαντικά περισσότερο χρόνο για να διεκπεραιωθεί σε ένα φυσικό
|
||
μηχάνημα συγκριτικά με μια εικονική μηχανή.
|
||
|
||
Παρ' όλα αυτά, η εικονικοποίηση δεν είναι απαλλαγμένη από κινδύνους καθώς
|
||
παραβιάζοντας τον υπερ-επόπτη, ένας επιτιθέμενος έχει πρόσβαση σε όλες τις
|
||
εικονικές μηχανές που διαχειρίζονται μέσω αυτού. Επίσης, αυτό είναι δυσκολότερο
|
||
να εντοπιστεί λόγω της ικανότητας του υπερ-επόπτη να επιτρέπει στις εικονικές
|
||
μηχανές τη μεταξύ τους επικοινωνία χωρίς την αλληλεπίδραση με το φυσικό δίκτυο.
|
||
Τέλος, η ακεραιότητα του συστήματος εξαρτάται άμεσα και από τον τύπο του
|
||
υπερ-επόπτη. Αυτό συμβαίνει διότι για υπερ-επόπτες τύπου 2, υπάρχει πολλές
|
||
φορές η ανάγκη διαμοιρασμού δεδομένων μεταξύ των εικονικών μηχανών και του ΛΣ
|
||
φιλοξενίας. Επομένως, η παραβίαση ενός υπερ-επόπτη τύπου 2 μπορεί δυνητικά να
|
||
οδηγήσει στην εξάπλωση κακόβουλου λογισμικού και να κινδυνεύσει όλο το σύστημα
|
||
\cite{techtargetHypervisorSecurity}.
|
||
|
||
\subsection{Απειλές στην εικονικοποίηση} \label{virtualizationThreats}
|
||
|
||
Όλες οι μορφές εικονικοποίησης είναι ευάλωτες σε επιθέσεις. Όπως αναφέρεται και
|
||
στο \cite{wen2008sevmm} μέσω του \cite{arif2015virtualization}, πολλές φορές δε
|
||
δύναται ο υπερ-επόπτης, το λειτουργικό σύστημα ή ακόμα και η υπηρεσία ελέγχου
|
||
πρόσβασης (Mandatory Access Control) του Linux να ανταπεξέλθουν στις απαιτήσεις
|
||
ασφαλείας όλων των εφαρμογών. Το παράδειγμα που παρουσιάζεται στο
|
||
\cite{arif2015virtualization} αναφέρεται στην εικονικοποίηση χώρου αποθήκευσης
|
||
μέσω δικτύου αλλά πολλές από τις απειλές δεν περιορίζονται μονάχα εκεί.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\noindent Πολλές από τις απειλές που θα αναφερθούν παρακάτω στο
|
||
\ref{virtualizationThreatsCategorization}, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν και ως
|
||
εξής:
|
||
|
||
\begin{table}[!ht]
|
||
\caption{Πηγές απειλών στην εικονικοποίηση}
|
||
\renewcommand{\arraystretch}{1.5}
|
||
\centering
|
||
\newcolumntype{C}{>{\centering\arraybackslash}m{6cm}}
|
||
\textgreek{\begin{tabular}{||C|C||}
|
||
\hline
|
||
|
||
Πηγή απειλής & Περιγραφή \\ [0.5ex]
|
||
|
||
\hline\hline
|
||
|
||
Δίκτυο $\Rightarrow$ Υπερ-επόπτη &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από το δίκτυο και στοχεύουν τον υπερ-επόπτη. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
Δίκτυο $\Rightarrow$ Εικονική Μηχανή &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από το δίκτυο και στοχεύουν εικονικές μηχανές. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
Υπερ-επόπτη $\Rightarrow$ Εικονική Μηχανή &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από τον υπερ-επόπτη και στοχεύουν εικονικές μηχανές. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
Εικονική μηχανή $\Rightarrow$ Εικονική Μηχανή &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από εικονικές μηχανές και στοχεύουν άλλες εικονικές
|
||
μηχανές. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
Εικονική μηχανή $\Rightarrow$ Υπερ-επόπτη &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από εικονικές μηχανές και στοχεύουν τον υπερ-επόπτη. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
Διαχειριστή $\Rightarrow$ Υπερ-επόπτη &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από τον διαχειριστή εικονικών μηχανών και στοχεύουν τον
|
||
υπερ-επόπτη. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
|
||
Διαχειριστή $\Rightarrow$ Εικονική Μηχανή &
|
||
|
||
Απειλές που προέρχονται από τον διαχειριστή εικονικών μηχανών και στοχεύουν
|
||
εικονικές μηχανές. \\
|
||
|
||
\hline
|
||
\end{tabular}}
|
||
\label{table:virtualizationThreatSources}
|
||
\renewcommand{\arraystretch}{1}
|
||
\end{table}
|
||
|
||
\subsubsection{Απειλές για τον πάροχο νέφους μέσω δικτύου} \label{cloudProviderThreatsOverNetwork}
|
||
|
||
Σήμερα όλο και περισσότερες επιχειρήσεις θα προτιμήσουν να βασιστούν σε έναν
|
||
πάροχο νέφους για την απόκτηση υποδομών προκειμένου να εξυπηρετούν τους
|
||
δυνητικούς πελάτες τους έναντι της παραδοσιακής διαδικασίας αγοράς, ρύθμισης
|
||
και διαχείρισης φυσικών διακομιστών. Η ταχύτερη εκκίνηση παροχής υπηρεσιών, το
|
||
μικρότερο κόστος και η ευκολία διαχείρισης της υποδομής τους, δεν αφήνουν
|
||
περιθώρια αμφιβολίας της ορθότητας αυτής της απόφασης. Για να μπορούν όμως να
|
||
παρέχουν τις υπηρεσίες τους στους τελικούς χρήστες, είναι απαραίτητη η μεταφορά
|
||
δεδομένων από την επιχείρηση προς τον πάροχο νέφους, στις υποδομές του οποίου
|
||
στεγάζονται οι εφαρμογές τους. Όπως αναφέραμε όμως στο
|
||
\ref{cloudComputingSecurity}, εισάγεται έτσι ένα αναγκαίο μοντέλο εμπιστοσύνης
|
||
ανάμεσα στον πάροχο νέφους και τις επιχειρήσεις. Δηλαδή, ταυτόχρονη εμπιστοσύνη
|
||
ως προς την απουσία μη εξουσιοδοτημένης πρόσβασης στα δεδομένα των επιχειρήσεων
|
||
από τον πάροχο και ως προς την ικανότητα του παρόχου να λάβει τα απαραίτητα
|
||
μέτρα ασφαλείας για την προστασία τους από εξωτερικούς κακόβουλους χρήστες.
|
||
|
||
Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που απασχολεί μια επιχείρηση είναι η
|
||
ασφάλεια. Επιλέγοντας να χρησιμοποιήσουν τις υπηρεσίες ενός παρόχου νέφους,
|
||
όμως, παραχωρούν ουσιαστικά πρόσβαση στον πάροχο αυτό στις εφαρμογές τους και
|
||
στα ευαίσθητα δεδομένα αυτών των εφαρμογών, διότι η ευθύνη προστασίας των
|
||
υποδομών ανήκει στον ιδιοκτήτη των υποδομών αυτών και στην προκειμένη περίπτωση
|
||
αυτός είναι ο πάροχος νέφους. Έτσι, κακόβουλοι εισβολείς θα προσπαθήσουν να
|
||
βρουν τρωτότητες στη διαδικασία παράδοσης των υπηρεσιών του παρόχου, στις
|
||
υπηρεσίες τις ίδιες ή και στις διεπαφές με τις οποίες παρέχονται. Ένας
|
||
συνηθισμένος τρόπος για να γίνει αυτό είναι εκτελώντας επιθέσεις τύπου
|
||
Cross-site scripting (XSS), έγχυσης SQL (SQL injection), χειραγώγησης cookies ή
|
||
εκμετάλλευσης μη ασφαλούς ρύθμισης, θέτοντας έτσι σε κίνδυνο ευαίσθητες
|
||
πληροφορίες και δεδομένα των επιχειρήσεων. Επιπλέον, επειδή όλα τα δίκτυα είναι
|
||
επιρρεπή σε επιθέσεις αν δεν έχουν ληφθεί τα κατάλληλα μέτρα προστασίας, ένας
|
||
πάροχος πρέπει να μπορεί να προστατευτεί από επιθέσεις, όπως η κατασκοπεία και
|
||
διείσδυση δικτύου (network penetration) \cite{arif2015virtualization}.
|
||
|
||
\subsubsection{Απειλές για τον πάροχο νέφους μέσω εικονικών μηχανών} \label{cloudProviderAttackOverVMs}
|
||
|
||
Όπως μια επιχείρηση πρέπει να εμπιστεύεται τον πάροχο νέφους ότι θα
|
||
προστατεύσει τα δεδομένα της, έτσι και ο πάροχος πρέπει να εμπιστεύεται την
|
||
επιχείρηση ότι δε θα προσπαθήσει να προκαλέσει ζημιά στις υπηρεσίες του. Αυτό
|
||
μπορεί να πραγματοποιηθεί με την εκτέλεση κακόβουλου λογισμικού στις εικονικές
|
||
μηχανές του παρόχου είτε από την επιχείρηση την ίδια, είτε από έναν επιτιθέμενο
|
||
που παραβίασε τις εικονικές μηχανές της.
|
||
|
||
Ουσιαστικά, κάθε εικονική μηχανή που έχει πρόσβαση στο διαδίκτυο είναι ευάλωτη
|
||
σε απειλές όπως δούρειοι ίπποι (Trojans), ιοί και κακόβουλα λογισμικά που
|
||
μπορεί να εξαπλωθούν στο σύστημα μεταπηδώντας από μια εικονική μηχανή στον
|
||
υπερ-επόπτη και από εκεί είτε να συνεχίσουν στο σύστημα είτε να μολύνουν και
|
||
τις υπόλοιπες εικονικές μηχανές που αυτός διαχειρίζεται. Επομένως, ο πάροχος
|
||
απαιτείται να έχει λάβει τα κατάλληλα μέτρα προστασίας έναντι μολυσμένων ή
|
||
κακόβουλων εικονικών μηχανών.
|
||
|
||
Με βάση την ανάλυση που έγινε στο \cite{virtualizationSecurity}, σχετικά με
|
||
απειλές από εικονική μηχανή σε εικονική μηχανή, οι πιο συνηθισμένες είναι η
|
||
επίθεση πλευρικού καναλιού (cross VM side channel attack), οι επιθέσεις βάσει
|
||
χρονοπρογραμματιστή (Scheduler based attacks) και οι επιθέσεις που στοχεύουν
|
||
τρωτότητες της διαδικασίας μετανάστευσης και επαναφοράς εικονικών μηχανών (VM
|
||
migration and rollback attacks). Από την άλλη, όσον αφορά τις απειλές από
|
||
εικονικές μηχανές προς τον υπερ-επόπτη, ανάμεσα στις πιο σημαντικές βρίσκονται
|
||
η μεταπήδηση εικονικής μηχανής (VM Hopping) και η απόδραση εικονικής μηχανής
|
||
(VM Escape). Τέλος, μερικές επιπρόσθετες απειλές σύμφωνα με τους
|
||
\citeauthor{Aalam_2021} \cite{Aalam_2021}, είναι η κλοπή εικονικών μηχανών και
|
||
η τροποποίηση του υπερ-επόπτη.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\subsubsection{Κατηγοριοποίηση απειλών στην εικονικοποίηση} \label{virtualizationThreatsCategorization}
|
||
|
||
Οι προαναφερόμενες απειλές σε συνδυασμό με μερικές πιθανές ευπάθειες, έχουν
|
||
κατηγοριοποιηθεί από τους \citeauthor{virtualizationSecurity} στο
|
||
\cite{virtualizationSecurity} ως εξής:
|
||
|
||
\begin{table}[!ht]
|
||
\caption{Κατηγοριοποίηση απειλών στην εικονικοποίηση}
|
||
\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
|
||
\aboverulesep=-0.1ex
|
||
\belowrulesep=-0.1ex
|
||
\centering
|
||
\newcolumntype{C}{>{\centering\arraybackslash}m{6cm}}
|
||
\textgreek{\begin{tabular}{||C|C||}
|
||
\hline
|
||
Κατηγορία & Απειλές και πιθανά ευπαθή σημεία \\ \hline\hline
|
||
\multirow{11}{*}{\hfil Απειλές Δικτύου} & XML Signature Wrapping Attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Flooding Attacks (DDoS) \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Metadata Spoofing Attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Insecure Web Apps \& APIs \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Cross Site Scripting Attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Port scanning \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Botnets \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Spoofing attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& DNS attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Sniffer attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Denial of Service (DoS) \\ \hline
|
||
\multirow{9}{*}{\hfil Απειλές για τον Πάροχο} & Sniffing Attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Spoofing Attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Denial of Service Attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& cross VM side channel attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& VM scheduler based attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& VM Hopping \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& VM Escape \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Dynamic Data Updates \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Data scavenging \\ \hline
|
||
\multirow{6}{*}{\hfil Απειλές για τις Εφαρμογές} & Malware injection \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Steganography attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Web services attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Protocol-based attacks \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& Security Misconfigurations \\ \cmidrule(lr){2-2}
|
||
& SQL Injection Attacks \\ \hline
|
||
\end{tabular}}
|
||
\label{table:virtualizationThreatCategories}
|
||
\renewcommand{\arraystretch}{1}
|
||
\end{table}
|
||
|
||
% Same result but with 23 warning about wrong hline usage
|
||
% \begin{table}[!ht]
|
||
% \caption{Κατηγοριοποίηση απειλών στην εικονικοποίηση}
|
||
% \renewcommand{\arraystretch}{1.5}
|
||
% \centering
|
||
% \newcolumntype{C}{>{\centering\arraybackslash}m{6cm}}
|
||
% \newcommand\Tstrut{\rule{0pt}{2.6ex}} % = `top' strut
|
||
% \newcommand\Bstrut{\rule[-0.9ex]{0pt}{0pt}} % = `bottom' strut
|
||
% \textgreek{\begin{tabular}{||C|C||}
|
||
% \hline
|
||
% %
|
||
% Κατηγορία & Απειλές και πιθανά ευπαθή σημεία \\ [0.5ex]
|
||
% %
|
||
% \hline\hline
|
||
% %
|
||
% Απειλές Δικτύου &
|
||
% %
|
||
% XML Signature Wrapping Attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Flooding Attacks (DDoS)\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Metadata Spoofing Attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Insecure Web Apps \& APIs\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Cross Site Scripting Attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Port scanning\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Botnets\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Spoofing attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% DNS attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Sniffer attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Denial of Service (DoS)\Tstrut\Bstrut \\
|
||
% %
|
||
% \hline
|
||
% %
|
||
% Απειλές για τον Πάροχο &
|
||
% %
|
||
% Sniffing Attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Spoofing Attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Denial of Service Attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% cross VM side channel attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% VM scheduler based attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% VM Hopping\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% VM Escape\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Dynamic Data Updates\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Data scavenging\Tstrut\Bstrut \\
|
||
% %
|
||
% \hline
|
||
% %
|
||
% Απειλές για τις Εφαρμογές &
|
||
% %
|
||
% Malware injection\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Steganography attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Web services attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Protocol-based attacks\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% Security Misconfigurations\Tstrut\Bstrut\hline
|
||
% SQL Injection Attacks\Tstrut\Bstrut \\
|
||
% %
|
||
% \hline
|
||
% \end{tabular}}
|
||
% \label{table:virtualizationThreatCategories}
|
||
% \renewcommand{\arraystretch}{1}
|
||
% \end{table}
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
Κατηγοριοποίηση με μεγαλύτερη λεπτομέρεια ως προς τις κατηγορίες αδυναμιών όπου
|
||
δύναται να υπάρχουν τρωτότητες και τις αντιστοιχούμενες αδυναμίες αυτών,
|
||
πραγματοποιήθηκε από τον οργανισμό \citeauthor{enisaSecurityOfVirtualization}
|
||
στο \cite{enisaSecurityOfVirtualization} όπου και απεικονίζεται στο ακόλουθο
|
||
σχήμα:
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .91\textwidth]{Figures/Enisa/enisaThreats.jpg}
|
||
\captionof{figure}{Πιθανά σημεία εμφάνισης τρωτοτήτων και οι απειλές που τους αντιστοιχούν}
|
||
\label{fig:virtualizationThreats.png}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\subsection{Η τριάδα της ασφάλειας} \label{securityTriad}
|
||
|
||
Εν γένει, ο λόγος που μια επιχείρηση ενδιαφέρεται για την ασφάλεια, είναι
|
||
προκειμένου να διασφαλίσει την ακεραιότητα, την εμπιστευτικότητα και τη
|
||
διαθεσιμότητα των δεδομένων της. Αυτά τα τρία στοιχεία αποτελούν την τριάδα της
|
||
ασφάλειας \cite{ciaTriad} και η απώλεια οποιουδήποτε από αυτά μπορεί να έχει
|
||
σοβαρές επιπτώσεις για την επιχείρηση. Η σημασία του καθενός, καθώς και γενικές
|
||
ορθές πρακτικές διατήρησής τους περιγράφονται ως εξής:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Ακεραιότητα δεδομένων} \label{dataIntegrity}
|
||
|
||
Η ακεραιότητα των δεδομένων είναι ένα από τα τρία βασικά στοιχεία της
|
||
ασφάλειας, δίχως την οποία οι επιχειρήσεις δε θα μπορούσαν να
|
||
παραμείνουν λειτουργικές. Αναφέρεται στην προστασία των δεδομένων από
|
||
μη εξουσιοδοτημένη αλλοίωση καθ' όλη τη διάρκεια της ύπαρξής τους, είτε
|
||
αυτά βρίσκονται στο στάδιο της μεταφοράς, την επεξεργασίας ή της
|
||
αποθήκευσης. Για κάθε επιχείρηση, απαιτείται μεγάλη προσοχή κατά τον
|
||
σχεδιασμό των βάσεων δεδομένων και της συντήρησής τους σε περιβάλλοντα
|
||
νέφους αλλά και η χρήση ορθών πρακτικών, όπως ο περιοδικός έλεγχος των
|
||
δεδομένων για την ανίχνευση πιθανών αλλοιώσεων και η χρήση μηχανισμών
|
||
αναγνώρισης και αποκατάστασης σφαλμάτων.
|
||
|
||
\item \textbf{Εμπιστευτικότητα δεδομένων} \label{dataConfidentiality}
|
||
|
||
Όπως η ακεραιότητα, έτσι και η εμπιστευτικότητα των δεδομένων είναι
|
||
κάτι για το οποίο μια επιχείρηση πρέπει να φροντίσει εκ των προτέρων.
|
||
Αναφέρεται στην προστασία των δεδομένων από μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση
|
||
κατά τη μεταφορά, την αποθήκευση και την επεξεργασία τους. Ένα κενό
|
||
ασφαλείας στην τελική εφαρμογή ενός χρήστη μπορεί να δώσει πρόσβαση σε
|
||
έναν εισβολέα παραβιάζοντας έτσι τις βάσεις δεδομένων της επιχείρησης.
|
||
Επειδή σε ένα περιβάλλον νέφους δεν έχει η ίδια η επιχείρηση πρόσβαση
|
||
στις υποδομές που χρησιμοποιεί, πέρα από μέτρα προστασίας που θα πρέπει
|
||
να λάβει η ίδια, είναι απαραίτητη και η επικοινωνία με τον πάροχο
|
||
νέφους προκειμένου να διαπιστωθεί ο τρόπος εξασφάλισης της
|
||
εμπιστευτικότητας των δεδομένων από μεριάς του.
|
||
|
||
\item \textbf{Διαθεσιμότητα δεδομένων} \label{dataAvailability}
|
||
|
||
Η διαθεσιμότητα των δεδομένων, που ολοκληρώνει την τριάδα της
|
||
ασφάλειας, είναι το στοιχείο που εξασφαλίζει πως μια επιχείρηση θα
|
||
μπορεί να παρέχει τις υπηρεσίες της στους τελικούς της χρήστες.
|
||
Αναφέρεται στην αποφυγή της διακοπής πρόσβασης στα δεδομένα της
|
||
επιχείρησης από εξουσιοδοτημένους φορείς και εξαρτάται άμεσα από τη
|
||
συνεχή παροχή υπηρεσιών υποδομών προς την επιχείρηση. Η απώλεια της
|
||
διαθεσιμότητας θα είχε ως αποτέλεσμα την διακοπή σημαντικών λειτουργιών
|
||
της επιχείρησης και δυνητικά την μείωση της αξιοπιστίας της. Για να
|
||
μπορέσει να διασφαλιστεί, πρέπει μια επιχείρηση να έχει προβλέψει για
|
||
ένα σχέδιο ανάκτησης εφεδρικών αντιγράφων προς αποφυγή της απώλειας
|
||
σημαντικών δεδομένων της, καθώς και για ένα σχέδιο επαναφοράς των
|
||
διαδικασιών παροχής τους ώστε να μειώσει στο ελάχιστο την οποιαδήποτε
|
||
διάρκεια διακοπής των υπηρεσιών της. Τέλος, πρέπει να υπάρχει
|
||
εμπιστοσύνη προς τον πάροχο νέφους πως δεν θα υπάρξει από μεριάς του
|
||
απρόσμενη διακοπή της λειτουργίας υποδομών που μπορεί να είναι
|
||
απαραίτητες για την επιχείρηση.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\subsection{Μέτρα ασφαλείας} \label{securityMeasures}
|
||
|
||
Προκειμένου να προστατευτεί μια επιχείρηση από τις απειλές που αναφέρθηκαν
|
||
παραπάνω, θα πρέπει αυτή να έχει λάβει τα κατάλληλα μέτρα ασφαλείας. Μερικές
|
||
ορθές πρακτικές με βάση τους οργανισμούς
|
||
\citeauthor{geeksforgeeksVirtualizationSecurityGoodPractices}
|
||
\cite{geeksforgeeksVirtualizationSecurityGoodPractices} και
|
||
\citeauthor{enisaSecurityOfVirtualization} \cite{enisaSecurityOfVirtualization}
|
||
είναι οι παρακάτω:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Συχνή ενημέρωση του υπερ-επόπτη}:
|
||
|
||
Ο υπερ-επόπτης είναι ο πυρήνας του συστήματος εικονικοποίησης και
|
||
επομένως η ασφάλειά του είναι ζωτικής σημασίας. Οι εταιρείες που
|
||
αναπτύσσουν το λογισμικό του, τον ενημερώνουν συχνά για να διορθώσουν
|
||
τυχόν ευπάθειες που έχουν ανακαλυφθεί. Επομένως, οι επιχειρήσεις πρέπει
|
||
να εφαρμόζουν τις ενημερώσεις αυτές το συντομότερο δυνατόν από την
|
||
στιγμή που θα είναι διαθέσιμες.
|
||
|
||
\item \textbf{Περιορισμός πρόσβασης στο διαχειριστικό πάνελ του υπερ-επόπτη}:
|
||
|
||
Η πρόσβαση στον υπερ-επόπτη παρέχει πλήρη έλεγχο στις λειτουργίες του
|
||
και επομένως, πρέπει να περιορίζεται μόνο σε ένα πολύ μικρό αριθμό από
|
||
εξουσιοδοτημένα άτομα. Επιπλέον, οι επιχειρήσεις πρέπει να επιβάλλουν
|
||
την χρήση πολύπλοκων κωδικών πρόσβασης και να τους αλλάζουν τακτικά,
|
||
καθώς και την χρήση αυθεντικοποίησης πολλαπλών παραγόντων.
|
||
|
||
\item \textbf{Έλεγχος των μηχανημάτων που έχουν πρόσβαση στον υπερ-επόπτη}:
|
||
|
||
Οι επιχειρήσεις πρέπει να ελέγχουν συχνά ποια μηχανήματα έχουν πρόσβαση
|
||
στον υπερ-επόπτη και να προσθέτουν ή να αφαιρούν μηχανήματα από την
|
||
σχετική λίστα εξουσιοδότησης. Ο συχνός έλεγχος πρόσβασης θα μπορέσει
|
||
επίσης να αναδείξει προσπάθειες μη εξουσιοδοτημένης πρόσβασης ώστε να
|
||
ληφθούν τα κατάλληλα μέτρα περιορισμού των ατόμων που επιχειρούν να
|
||
εισέλθουν στον υπερ-επόπτη.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Περιορισμός δικτυακής πρόσβασης στο διαχειριστικό πάνελ του υπερ-επόπτη}:
|
||
|
||
Η πρόσβαση στο διαχειριστικό πάνελ του υπερ-επόπτη πρέπει να
|
||
πραγματοποιείται μόνο από ασφαλή δίκτυα. Επομένως, για την επιβολή
|
||
περιορισμών θα πρέπει να γίνεται χρήση αναχωμάτων ασφαλείας και άλλων
|
||
εργαλείων ασφαλείας του δικτύου.
|
||
|
||
\item \textbf{Χρήση κρυπτογράφησης εικονικών μηχανών}:
|
||
|
||
Η κρυπτογράφηση των εικονικών μηχανών προστατεύει τα δεδομένα τους από
|
||
μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση. Επιπλέον, στην περίπτωση κλοπής εικονικής
|
||
μηχανής μετά από παραβίαση του υπερ-επόπτη, ο επιτιθέμενος δεν θα είναι
|
||
σε θέση να αποκτήσει πρόσβαση στα δεδομένα της.
|
||
|
||
\item \textbf{Απομόνωση των εικονικών μηχανών μεταξύ τους}:
|
||
|
||
Ένας υπερ-επόπτης πρέπει να επιτρέπει την αλληλεπίδραση μεταξύ
|
||
εικονικών μηχανών μόνο όταν αυτό είναι απαραίτητο (παραδείγματος χάριν,
|
||
για τον διαμοιρασμό αποθηκευτικού χώρου). Επιβάλλεται να εφαρμοστούν
|
||
πολιτικές που να διαχειρίζονται την φυσική και λογική κατάτμηση πόρων.
|
||
Αυτό θα αποτρέψει την μη εξουσιοδοτημένη πρόσβαση, θα μειώσει τις
|
||
επιθέσεις έγχυσης κώδικα από μια εικονική μηχανή σε μια άλλη, καθώς και
|
||
το ρίσκο επίθεσης τύπου άρνησης υπηρεσίας.
|
||
|
||
\item \textbf{Παρακολούθηση των πόρων}:
|
||
|
||
Η δικτυακή κίνηση, η μνήμη και οι διεργασίες των εκτελούμενων εικονικών
|
||
μηχανών πρέπει να παρακολουθούνται διαρκώς προκειμένου να ξεχωρίζουν οι
|
||
εικονικές μηχανές που παρουσιάζουν ασυνήθιστες συμπεριφορές. Αυτό θα
|
||
βοηθήσει στην ορθότερη εκτέλεση υπαρχόντων μηχανισμών ασφαλείας και
|
||
ανίχνευσης εισβολών.
|
||
|
||
\item \textbf{Ορθή διαχείριση στιγμιοτύπων εικονικών μηχανών}:
|
||
|
||
Κάθε στιγμιότυπο μιας εικονικής μηχανής, δύναται να περιέχει ευαίσθητα
|
||
δεδομένα, όπως κωδικοί και προσωπικά δεδομένα χρηστών. Συνεπώς, πρέπει
|
||
αυτά να προστατεύονται κατά την αποθήκευσή τους έναντι μη
|
||
εξουσιοδοτημένης πρόσβασης, τροποποίησης και αντικατάστασης. Αυτό
|
||
περιλαμβάνει την ορθή κρυπτογράφησή τους και την διαγραφή όσων
|
||
στιγμιοτύπων δεν χρειάζονται πλέον.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Ασφάλιση του μηχανήματος φιλοξενίας}:
|
||
|
||
Το μηχάνημα φιλοξενίας αποτελεί ένα από τα πιο σημαντικά σημεία που
|
||
πρέπει να προστατευτούν. Αν ένας εισβολέας καταφέρει να αποκτήσει
|
||
πρόσβαση σε αυτό, θα μπορεί να αποκτήσει πρόσβαση σε όλες τις εικονικές
|
||
μηχανές που αυτό φιλοξενεί. Επομένως, οι επιχειρήσεις πρέπει να εφαρμόζουν
|
||
τακτικά ενημερώσεις λογισμικού, να περιορίζουν την πρόσβαση στο
|
||
μηχάνημα, να εφαρμόζουν πολύπλοκους κωδικούς πρόσβασης και να
|
||
παρακολουθούν την πρόσβαση σε αυτό.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\section{Δοχεία και εικόνες δοχείων} \label{containersAndContainerImages}
|
||
|
||
Τα δοχεία αποτελούν και αυτά κομμάτι των τεχνολογιών εικονικοποίησης αλλά σε
|
||
επίπεδο λειτουργικού συστήματος. Κατά την περιγραφή της διαδικασίας δημιουργίας
|
||
δοχείων δεν χρησιμοποιείται πλέον ο όρος εικονικοποίηση αλλά δοχειοποίηση
|
||
(containerization). Σε αντίθεση με τις τεχνολογίες εικονικοποίησης που
|
||
αναφέρθηκαν στην Ενότητα \ref{virtualizationTechnologiesIntroduction}, για την
|
||
δοχειοποίηση δεν είναι αναγκαία η ύπαρξη υπερ-επόπτη αλλά έναν παρόμοιο ρόλο
|
||
αναλαμβάνει η μηχανή δοχείων. Επιπλέον, ενώ οι εικονικές μηχανές καταλήγουν να
|
||
περιέχουν εικονικό αντίγραφο του υλικού, δικό τους λειτουργικό σύστημα και
|
||
εγκατεστημένα πακέτα προς υποστήριξη ενός λογισμικού, τα δοχεία αποτελούνται
|
||
μονάχα από το λογισμικό προς εκτέλεση και τις εξαρτήσεις (βιβλιοθήκες και
|
||
προγράμματα) που χρειάζεται προκειμένου αυτό να είναι λειτουργικό.
|
||
|
||
Τα απαραίτητα συστατικά για την επίτευξη της δοχειοποίησης είναι μια εικόνα
|
||
δοχείου και μια μηχανή δοχείων. Στην εικόνα δοχείου εμπεριέχονται τα συστατικά
|
||
μέρη ενός λογισμικού και οδηγίες συναρμολόγησής του προς ανάγνωση από την
|
||
μηχανή δοχείων. Η συναρμολόγησή του πραγματοποιείται σε στρώσεις. Δηλαδή για να
|
||
φτάσουμε στο τελικό αποτέλεσμα, κάθε αυτοτελές κομμάτι του λογισμικού εισάγεται
|
||
πάνω από το προηγούμενό του. Από εκεί και πέρα, για την δημιουργία δοχείων από
|
||
τις αντίστοιχες εικόνες τους υπάρχει μια αλληλουχία βημάτων που πρέπει να
|
||
περαιωθεί. Αρχικά, η μηχανή δοχείων θα προσπελάσει την εικόνα δοχείου
|
||
προκειμένου να εξακριβώσει τις προδιαγραφές του. Έπειτα, με την βοήθεια των
|
||
μεθόδων απομόνωσης που έχει στην διάθεσή της μέσω των μηχανισμών
|
||
εικονικοποίησης του πυρήνα του λειτουργικού συστήματος φιλοξενίας, θα
|
||
δημιουργήσει ένα εικονικό περιβάλλον απομονωμένο από το ήδη υπάρχον φυσικό και
|
||
τέλος, θα πραγματοποιήσει εκκίνηση του δοχείου ως διεργασία του συστήματος.
|
||
|
||
Ορισμένα από αυτά τα βήματα περιλαμβάνουν και άλλες διαδικασίες για τις οποίες
|
||
είναι υπεύθυνα συγκεκριμένα προγράμματα με τα οποία συνεργάζεται η μηχανή
|
||
δοχείων. Υπάρχουν και μηχανές δοχείων χαμηλού επιπέδου έναντι των πιο γνωστών
|
||
υψηλού επιπέδου όπως το Docker, στις οποίες λείπουν ορισμένες λειτουργίες, όπως
|
||
η απόκτηση εικόνων δοχείων από ένα κεντρικό αποθετήριο και ο έλεγχος
|
||
εγκυρότητας των ρυθμίσεων των εικόνων αυτών. Οι μηχανές δοχείων υψηλού επιπέδου
|
||
είναι ουσιαστικά μια συλλογή εργαλείων που διευκολύνουν την δοχειοποίηση
|
||
απαλλάσσοντας τον χρήστη από την ανάγκη της χειροκίνητης εκτέλεσης των βημάτων
|
||
της \cite{sysdigContainerRuntime}.
|
||
|
||
Το τελικό επιθυμητό αποτέλεσμα είναι η δημιουργία ενός απομονωμένου
|
||
περιβάλλοντος στο οποίο πραγματοποιείται η εκτέλεση ενός λογισμικού με
|
||
βιβλιοθήκες και εξαρτήσεις διαφορετικών εκδόσεων συγκριτικά με αυτές που μπορεί
|
||
να προϋπάρχουν στο σύστημα. Το περιβάλλον αυτό είναι υποχρεωμένο να
|
||
χρησιμοποιήσει ένα υποσύνολο των πόρων του συστήματος που του απονεμήθηκε μέσω
|
||
της μηχανής δοχείων. Τα παραπάνω είναι εφικτά και με την χρήση εικονικών
|
||
μηχανών αλλά με κόστος την επιβάρυνση του συστήματος φιλοξενίας λόγω της
|
||
αδυναμίας διαμοιρασμού των πόρων με τον τρόπο που το επιτυγχάνουν τα δοχεία.
|
||
Κάθε δοχείο μοιράζεται τον πυρήνα του λειτουργικού συστήματος φιλοξενίας με τα
|
||
υπόλοιπα ενώ κάθε στρώση μιας εικόνας δοχείου αντιστοιχουμένη σε ένα
|
||
στιγμιότυπο λογισμικού, δύναται να χρησιμοποιηθεί ταυτοχρόνως από περισσότερα
|
||
του ενός δοχεία προς αποφυγή διπλής αποθήκευσης
|
||
\cite{codemotionContainerImages}. Επιπλέον, κάθε εικόνα δοχείου δύναται να
|
||
χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο για την δημιουργία μιας καινούριας, καθιστώντας έτσι
|
||
ευκολότερη την επεκτασιμότητα ενός λογισμικού σε αντίθεση με τις εικονικές
|
||
μηχανές, όπου κάθε νέο στιγμιότυπό τους απαιτεί την επαναληπτική εκτέλεση των
|
||
βημάτων δημιουργίας τους.
|
||
|
||
\subsection{Μηχανές δοχείων και εικονικοποίηση σε επίπεδο ΛΣ} \label{osVirtualization}
|
||
|
||
Πολλά λειτουργικά συστήματα, ειδικά αυτά που κάνουν χρήση του πυρήνα Linux,
|
||
διαθέτουν μηχανισμούς απομόνωσης διεργασιών και δυνατότητες εικονικοποίησης
|
||
(λειτουργικού συστήματος), όπως είναι οι ομάδες ελέγχου (control groups) με τις
|
||
οποίες μπορεί να επιτευχθεί ο περιορισμός πόρων σε ένα υποσύνολο διεργασιών,
|
||
καθώς και οι χώροι ονομάτων χρηστών (user namespaces) που προσφέρουν την
|
||
δυνατότητα περιορισμού των δικαιωμάτων που έχει μια διεργασία στο σύστημα
|
||
αρχείων. Με την βοήθεια των εργαλείων που έχουν οι μηχανές δοχείων στην διάθεσή
|
||
τους, δύναται να πραγματοποιηθεί εικονικοποίηση σε επίπεδο ΛΣ. Μια μέθοδος
|
||
εικονικοποίησης διακομιστών όπου ο πυρήνας ενός ΛΣ επιτρέπει την ύπαρξη
|
||
πολλαπλών απομονωμένων περιβαλλόντων \cite{teimouriOsVirtualizationDefinition},
|
||
τα οποία συμπεριφέρονται ως ξεχωριστοί διακομιστές
|
||
\cite{webopediaOsVirtualizationDefinition}.
|
||
|
||
Μια από τις υποχρεώσεις της μηχανής δοχείων είναι η επικοινωνία με τον πυρήνα
|
||
του λειτουργικού συστήματος φιλοξενίας για να επιτευχθεί αυτή η εικονικοποίηση.
|
||
Πρόκειται για μια διαδικασία κατά την οποία ένα λειτουργικό σύστημα επιτρέπει
|
||
την απομόνωση των διεργασιών που εκτελούνται σε χώρους ονομάτων και την ανάθεση
|
||
αποκλειστικών πόρων συστήματος σε αυτές. Με αυτό τον τρόπο, οι διεργασίες είναι
|
||
ανεξάρτητες μεταξύ τους και απομονωμένες ενώ διαμοιράζονται με ασφαλή τρόπο (σε
|
||
ένα βαθμό) τους πόρους του συστήματος. Ένα δοχείο μπορεί να θεωρηθεί πως
|
||
αντιστοιχεί σε μια τέτοια απομονωμένη διεργασία.
|
||
|
||
\section{Δοχειοποίηση (Containerization)} \label{containerizationDefinition}
|
||
|
||
Πέραν της πλήρους εικονικοποίησης και της παρα-εικονικοποίησης, εδώ και αρκετά
|
||
χρόνια πολλές επιχειρήσεις στρέφονται σε τεχνολογίες που χρησιμοποιούν μια
|
||
υποκατηγορία της εικονικοποίησης, ονόματι δοχειοποίηση (containerization). Με
|
||
βάση την \citeauthor{ibmContainerizationDefinition}
|
||
\cite{ibmContainerizationDefinition}, πρόκειται για το πακετάρισμα λογισμικού
|
||
μονάχα με τις βιβλιοθήκες και τις εξαρτήσεις που χρειάζεται για να εκτελεστεί,
|
||
δημιουργώντας ένα εκτελέσιμο \textquote{δοχείο} που πάντοτε θα εκτελείται με
|
||
την ίδια συμπεριφορά ανεξαρτήτως υποδομής. Με την παραδοσιακή μέθοδο ανάπτυξης
|
||
λογισμικού, υπήρχε πάντα το ρίσκο το πρόγραμμα που αναπτύχθηκε σε ένα
|
||
συγκεκριμένο περιβάλλον να μη λειτουργεί με τον αναμενόμενο τρόπο κατά τη
|
||
μεταφορά του σε ένα άλλο, εκτός εάν έχει ελεγχθεί ότι υπάρχουν όλες οι
|
||
εξαρτήσεις που χρειάζεται στις εκδόσεις που τις χρειάζεται. Ακόμα και σε αυτήν
|
||
την περίπτωση όμως, πέραν του κόπου για τον έλεγχο, είναι αρκετά πιθανό ένα
|
||
άλλο πρόγραμμα να χρειάζεται διαφορετικές εκδόσεις των ίδιων εξαρτήσεων. Αυτό
|
||
πρακτικά σήμαινε πως το έτερο αυτό πρόγραμμα θα έπρεπε να στεγαστεί σε
|
||
διαφορετικό διακομιστή, αυξάνοντας το σχετικό κόστος.
|
||
|
||
Τα προβλήματα αυτά έρχεται να λύσει η τεχνολογία της δοχειοποίησης. Με τη
|
||
δοχειοποίηση, είναι δυνατή η συστέγαση δοχείων, δηλ. διαφορετικών προγραμμάτων
|
||
ή συστατικών προγραμμάτων στο ίδιο μηχάνημα (είτε αυτό είναι φυσικό είτε
|
||
εικονικό). Όπως θα αναφέρουμε και στην Ενότητα \ref{containerManagement}, από
|
||
το 2013 και έπειτα, η άφιξη του Docker επιτάχυνε κατά πολύ την υιοθέτηση της
|
||
τεχνολογίας αυτής. Σε τέτοιο βαθμό που σε μια έρευνα της IBM
|
||
\cite{ibmContainerSurvey} βρέθηκε πως το 61\% όσων ξεκίνησαν να χρησιμοποιούν
|
||
δοχεία, το κάνουν στο 50\% ή παραπάνω των εφαρμογών που δημιούργησαν τα
|
||
τελευταία δύο χρόνια, ενώ 64\% αυτών, αναμένουν στο 50\% των υπαρχουσών
|
||
εφαρμογών τους να κάνουν χρήση δοχείων στα επόμενα δύο χρόνια.
|
||
|
||
Ένας από τους χαρακτηρισμούς των δοχείων είναι η \textquote{ελαφρότητα} τους σε
|
||
σχέση με μια εικονική μηχανή λόγω της ικανότητας τους να μοιράζονται τον πυρήνα
|
||
του ίδιου λειτουργικού συστήματος (ΛΣ). Η απαίτηση μιας εικονικής μηχανής να
|
||
χρειάζεται να έχει δικό της ΛΣ, την καθιστά μεγαλύτερη σε μέγεθος και λιγότερο
|
||
αποδοτική στη χρήση πόρων του συστήματος. Απεναντίας, τα δοχεία είναι εγγενώς
|
||
μικρότερα σε μέγεθος και έχουν και μικρότερο χρόνο εκκίνησης. Πράγμα που
|
||
τραβάει το ενδιαφέρον των επιχειρήσεων διότι αυτό μεταφράζεται σε υψηλότερη
|
||
αποδοτικότητα \& βαθμό χρήσης των διακομιστών και επομένως μειωμένα κόστη
|
||
λειτουργίας. Επίσης, τα δοχεία κλιμακώνονται αρκετά πιο γρήγορα σε σχέση με τις
|
||
εικονικές μηχανές, επιτρέποντας την αντίδραση σε οποιαδήποτε διακύμανση του
|
||
φόρτου εργασίας.
|
||
|
||
\subsection{Εργαλεία διαχείρισης δοχείων και έλευση του Docker} \label{containerManagement}
|
||
|
||
Στις μέρες μας, η δημοτικότητα του Docker έχει συνταυτίσει τους όρους Docker
|
||
και Container (δοχείο) αν και είναι διαφορετικοί. Παρ' όλα αυτά, η ιδέα της
|
||
δημιουργίας απομονωμένων περιβαλλόντων εκτέλεσης λογισμικού υπήρχε προτού βγει
|
||
το Docker στην αγορά. Ιστορικά, οι πρώτες τεχνολογίες περί δοχείων έκαναν την
|
||
είσοδό τους από το 1979, όταν εισήχθη το chroot \cite{chrootCommand} στην
|
||
έβδομη έκδοση του Unix \cite{containerHistory}. Πρόκειται για μια εντολή που
|
||
περιορίζει την πρόσβαση αρχείων που διαθέτει μια εφαρμογή, σε ένα συγκεκριμένο
|
||
φάκελο, ο οποίος ορίζεται ως ο καινούριος αρχικός (root) (για την εφαρμογή
|
||
αυτή). Ο κύριος σκοπός του chroot ήταν η ενίσχυση της ασφάλειας ούτως ώστε στην
|
||
περίπτωση εκμετάλλευσης μιας εσωτερικής ευπάθειας της εφαρμογής, να παραμένουν
|
||
ανεπηρέαστα τα μέρη του συστήματος εκτός του φακέλου στον οποίο είχε πρόσβαση.
|
||
Εκείνη την εποχή αυτό ήταν αρκετό, αλλά οι απαιτήσεις ασφαλείας με τον καιρό
|
||
αυξάνονταν και υπήρχε η ανάγκη διαφορετικών μεθόδων απομόνωσης μιας και από
|
||
κατασκευής του, το chroot δεν περιόριζε έναν χρήστη ή μια διεργασία με
|
||
διαχειριστικά δικαιώματα \cite{chrootRestrictions}. Μερικά χρόνια αργότερα, το
|
||
2004 δημιουργήθηκαν και ενσωματώθηκαν στον πυρήνα του Linux οι ομάδες ελέγχου,
|
||
με την βοήθεια των οποίων ήταν πλέον δυνατή η απομόνωση πόρων του συστήματος σε
|
||
ένα υποσύνολο διεργασιών.
|
||
|
||
Αυτές οι τεχνολογίες σήμαναν της έναρξη της ιδέας της δοχειοποίησης και έτσι το
|
||
2008 ήρθε στο προσκήνιο το LXC (Linux Container Technology) \footfullcite{LXC}.
|
||
Το πρώτο εργαλείο που χρησιμοποιούσε τεχνολογίες δοχείων για την δημιουργία και
|
||
εκτέλεση πολλαπλών λειτουργικών συστημάτων Linux στο ίδιο μηχάνημα.
|
||
Χρησιμοποιώντας μηχανισμούς που προσέφερε το λειτουργικό σύστημα, επέτρεπε
|
||
πλήρη εικονικοποίηση ενός στιγμιότυπου Linux σε μορφή δοχείου και παρείχε
|
||
αρκετές λειτουργίες, όπως η δημιουργία, η εκκίνηση και η διαγραφή LXC δοχείων.
|
||
Παρ' όλα αυτά, επικεντρωνόταν στην δοχειοποίηση λειτουργικών συστημάτων και όχι
|
||
εφαρμογών \cite{LXCvsDocker}, καθιστώντας δύσκολη και περίπλοκη την χρήση του
|
||
όταν η κύρια ανάγκη ήταν η απομόνωση εφαρμογών.
|
||
|
||
Ενώ λοιπόν προϋπήρχαν εργαλεία διαχείρισης δοχείων, τα οποία χρησιμοποιούνται
|
||
ακόμα και στις μέρες μας, λόγω του συνδυασμού της δυσκολίας στην χρήση τους και
|
||
του εξειδικευμένου σκοπού ύπαρξής τους δεν είχαν υιοθετηθεί ευρέως. Όλα τα
|
||
παραπάνω οδήγησαν στην δημιουργία του Docker το 2013, με την έλευση του οποίου
|
||
η τεχνολογία των δοχείων εκτοξεύτηκε. Το Docker είναι ένα σύνολο προϊόντων PaaS
|
||
(Platform-as-a-Service) (Πλατφόρμα ως Υπηρεσία). Κάθε τέτοιο προϊόν παρέχει μια
|
||
πλατφόρμα με μηχανισμούς για συναρμολόγηση, θέση σε λειτουργία, εκτέλεση,
|
||
ενημέρωση και διαχείριση προγραμμάτων σε μορφή δοχείων. Σε αντίθεση με το LXC,
|
||
το Docker αποτελεί μια μηχανή δοχείων υψηλού επιπέδου με κύριο στόχο την
|
||
δοχειοποίηση εφαρμογών. Εκτός από τον διαχωρισμό ανάμεσα στον πηγαίο κώδικα,
|
||
τις βιβλιοθήκες και εξαρτήσεις ενός λογισμικού από το κύριο σύστημα
|
||
(φιλοξενίας), παρέχει και δυνατότητες επικοινωνίας με αποθετήρια εικόνων
|
||
δοχείων, όπως είναι το Docker Hub \footfullcite{dockerhub}, το επίσημο
|
||
αποθετήριο του Docker, το Quay \footfullcite{quay}, ένα εναλλακτικό αποθετήριο
|
||
της Red Hat ή οποιοδήποτε άλλο αποθετήριο συμβατό με τις προδιαγραφές που έχει
|
||
ορίσει η ανοικτή δομή διοίκησης OCI (Open Container Initiative)
|
||
\footfullcite{oci}. Μέσω τέτοιων υπηρεσιών, οι χρήστες έχουν πρόσβαση και
|
||
διαμοιράζονται χιλιάδες εικόνες δοχείων που τους επιτρέπουν να ολοκληρώσουν
|
||
διάφορα μέρη μιας υπάρχουσας ή νέας εφαρμογής. Επιπλέον, όντας μια μηχανή
|
||
δοχείων υψηλού επιπέδου όλες οι λειτουργίες που θα απαιτούσαν εξειδικευμένες
|
||
γνώσεις προκειμένου να πραγματοποιηθούν, έχουν συμπυκνωθεί σε απλές εντολές,
|
||
καθιστώντας έτσι εύκολη την χρήση του για προγραμματιστές κάθε επιπέδου και
|
||
απλοποιώντας κατά πολύ την διαδικασία ανάπτυξης και παράδοσης κατανεμημένων
|
||
εφαρμογών. Προσφέροντας μια φιλική προς τον χρήστη διεπαφή, έλεγχο εκδόσεων
|
||
(version control) για δοχεία \cite{LXCvsDocker2} και ένα οικοσύστημα γύρω από
|
||
όλα αυτά, είναι εμφανής ο λόγος που κατάφερε να επισκιάσει το LXC.
|
||
|
||
\subsection{Χρήση δοχείων στην ανάπτυξη και παράδοση εφαρμογών} \label{containerUsage}
|
||
|
||
Οι μέθοδοι ανάπτυξης και παράδοσης εφαρμογών έχουν αλλάξει δραματικά τα
|
||
τελευταία χρόνια. Από τις παραδοσιακές μεθόδους, όπως το μοντέλο καταρράκτη
|
||
(waterfall) \cite{waterfall} βάσει του οποίου υπήρχε ένα συγκεκριμένο
|
||
αμετάβλητο σχέδιο ανάπτυξης που καλούνταν να ακολουθήσει μια ομάδα ανάπτυξης
|
||
λογισμικού, έχουμε φτάσει σε μια εποχή όπου οι απαιτήσεις της αγοράς αλλάζουν
|
||
συνεχώς, με αποτέλεσμα να υπάρχει ανάγκη για καινούριες μεθόδους που να
|
||
ανταποκρίνονται τάχιστα στις αλλαγές αυτές. Έτσι, έχουν δημιουργηθεί
|
||
μεθοδολογίες όπως η Agile \cite{agile} κατά την οποία η ανάπτυξη και η παράδοση
|
||
λογισμικού πραγματοποιείται σε πολλές μικρές και ευμετάβλητες φάσεις
|
||
προκειμένου να προσαρμόζεται στις αλλαγές που ενδέχεται να υπάρξουν στον αρχικό
|
||
σχεδιασμό. Η μεθοδολογία αυτή συνεργάζεται με πρακτικές όπως το DevOps
|
||
\cite{devops} όπου οι ομάδες υπεύθυνες για την ανάπτυξη και λειτουργία μιας
|
||
εφαρμογής επικοινωνούν στενά με σκοπό να υπάρχει μια συνεχής ροή παραγωγής και
|
||
παράδοσης λογισμικού. Αυτό επιτυγχάνεται με μια πρακτική του DevOps, το CI/CD
|
||
(Continuous Integration/Continuous Delivery) (Συνεχής Ενοποίηση/Συνεχής
|
||
Παράδοση) \cite{cicd}. Κατά το μοντέλο αυτό, δημιουργούνται αυτοματοποιημένες
|
||
διαδικασίες που εκτελούνται κατά την διάρκεια της ανάπτυξης και παράδοσης μιας
|
||
εφαρμογής προκειμένου να πραγματοποιείται έλεγχος της ποιότητας του κώδικα, να
|
||
εντοπίζονται σφάλματα και να παράγονται εκτελέσιμα πακέτα τα οποία έπειτα
|
||
παραδίδονται στους πελάτες. Μάλιστα, μπορεί να υποστηρίζεται και η Συνεχής
|
||
Διάταξη (Continuous Deployment - CD) όπου τα εκτελέσιμα πακέτα των εφαρμογών
|
||
διατάσσονται σε περιβάλλοντα παραγωγής και γίνονται άμεσα διαθέσιμα προς
|
||
απομακρυσμένη κατανάλωση από τους πελάτες τους.
|
||
|
||
Τα δοχεία αποτελούν ιδανική επιλογή για την εφαρμογή των παραπάνω μεθοδολογιών
|
||
και πρακτικών καθώς επιτρέπουν το γρήγορο και αποτελεσματικό πακετάρισμα
|
||
εφαρμογών και την εκτέλεσή τους σε οποιοδήποτε περιβάλλον. Λόγω των
|
||
χαρακτηριστικών τους, εξαλείφουν τυχόν προβλήματα ασυμβατότητας μεταξύ των
|
||
περιβαλλόντων εκτέλεσής τους και προσφέρουν μεγαλύτερη αποδοτικότητα πόρων αφού
|
||
μπορεί κανείς να εκτελέσει πολλά περισσότερα αντίγραφα ενός προγράμματος για
|
||
συγκεκριμένη ποσότητα πόρων σε σχέση με τον αριθμό που θα μπορούσε να εκτελέσει
|
||
χρησιμοποιώντας εικονικές μηχανές πάνω από αυτούς τους πόρους. Γεγονός που
|
||
μειώνει ιδιαίτερα το κόστος λειτουργίας και αυξάνει την κλιμακωσιμότητα.
|
||
Επιπλέον, λόγω της ταχείας διάθεσης και εκτέλεσής τους, συμβαδίζουν πλήρως με
|
||
τον ρυθμό ανάπτυξης και παράδοσης που υποστηρίζουν οι παραπάνω μεθοδολογίες.
|
||
Έχοντας αυτά υπόψιν, γίνεται εμφανής και ο λόγος που τα δοχεία είναι η
|
||
προτιμότερη επιλογή για την ανάπτυξη και παράδοση εφαρμογών που ακολουθούν την
|
||
αρχιτεκτονική μικρο-υπηρεσιών. Επιπρόσθετα, η ανεξαρτησία των δοχείων μεταξύ
|
||
τους, καθιστά πιο σταθερή την εφαρμογή αφού σε περίπτωση που κάποιο από αυτά
|
||
αποτύχει, η υπόλοιπη εφαρμογή θα συνεχίσει να λειτουργεί κανονικά και η
|
||
ανακατασκευή του δοχείου που απέτυχε μπορεί να επιτευχθεί εύκολα και γρήγορα με
|
||
μια απλή τροποποίηση της εκάστοτε εικόνας δοχείου.
|
||
|
||
\subsection{Χρήσεις του Docker στο νέφος} \label{dockerInCloudComputing}
|
||
|
||
Οι δυνατότητες που προσφέρει το Docker το καθιστούν την καταλληλότερη επιλογή
|
||
τόσο για επιχειρήσεις που λειτουργούν αποκλειστικά με ενοικιαζόμενους
|
||
υπολογιστικούς πόρους όσο και για αυτές που επιλέγουν να λειτουργούν με έναν
|
||
συνδυασμό ενοικιαζόμενων και ιδιόκτητων φυσικών εγκαταστάσεων. Υπάρχουν δύο
|
||
βασικές περιπτώσεις χρήσης του Docker στο νέφος. Συγκεκριμένα αυτές είναι: η
|
||
εγκατάσταση δοχείων σε εικονικές μηχανές και η εγκατάσταση δοχείων έμμεσα σε
|
||
πόρους χωρίς την ανάγκη δημιουργίας εικονικής μηχανής. Η δεύτερη περίπτωση
|
||
χρήσης εντάσσεται στην κατηγορία υπηρεσιών CaaS \cite{caas} (Container as a
|
||
Service), όπως η ECS (Elastic Container Service) της Amazon. Μια υπηρεσία όπου
|
||
ένας πάροχος νέφους αντί να παρέχει πρόσβαση σε υπολογιστικούς πόρους γενικού
|
||
σκοπού, παρέχει μια ευέλικτη υποδομή, έτοιμη για την εκτέλεση δοχείων
|
||
\cite{caasVsIaas}.
|
||
|
||
Από τις δύο αυτές επιλογές, η πρώτη προσφέρει μια ευελιξία ως προς την
|
||
διαμόρφωση του περιβάλλοντος εκτέλεσης των δοχείων. Οι χρήστες έχουν την
|
||
δυνατότητα να ακολουθήσουν ορισμένες ορθές πρακτικές ασφαλείας που μπορεί να
|
||
έχουν θεσπιστεί στην εταιρεία τους, να εγκαταστήσουν επιπλέον λογισμικό
|
||
παρακολούθησης και ελέγχου ποιότητας των δοχείων και να προσαρμόσουν το
|
||
περιβάλλον εκτέλεσης των δοχείων στις ανάγκες τους. Επιπλέον, η ύπαρξη μιας
|
||
επιπλέον στρώσης απομόνωσης μεταξύ των δοχείων και του κύριου συστήματος
|
||
αποτελεί ένα επιπρόσθετο εμπόδιο σε περιπτώσεις που ένα δοχείο βρεθεί σε
|
||
κατάσταση παραβίασης. Το Docker επιτρέποντας μέσω των δοχείων την περιορισμένη
|
||
έκθεση των πόρων του συστήματος στον έξω κόσμο, καθιστά ευκολότερη την
|
||
ανίχνευση και απομόνωση των προβλημάτων ασφαλείας, καθώς επίσης και την
|
||
αποκατάστασή τους.
|
||
|
||
Από την άλλη, η δεύτερη περίπτωση χρήσης επιτρέπει στις επιχειρήσεις/πελάτες να
|
||
επικεντρωθούν στην ανάπτυξη των δοχειοποιημένων εφαρμογών τους και να αφήσουν
|
||
την διαχείριση της υποδομής στον πάροχο νέφους. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε
|
||
περιπτώσεις που οι επιχειρήσεις δεν έχουν υπαλλήλους με την απαραίτητη εμπειρία
|
||
και ικανότητες σε αυτόν τον τομέα ή δεν έχουν τον απαραίτητο προϋπολογισμό για
|
||
αυτό. Η χρήση υπηρεσιών CaaS αυτομάτως εξασφαλίζει στις επιχειρήσεις τα
|
||
πλεονεκτήματα των υπηρεσιών IaaS όπως η κλιμάκωση, η αντοχή σε αποτυχίες και η
|
||
ευελιξία, ενώ ταυτόχρονα προσφέρει και τα πλεονεκτήματα των δοχείων, όπως η
|
||
ταχεία διάθεση και απόσυρσή τους αλλά και η υψηλή τους απόδοση κατά την
|
||
εκτέλεση. Συγκεκριμένα, μέσω των υπηρεσιών CaaS, οι χρήστες διαθέτουν
|
||
δυνατότητες ενορχήστρωσης δοχείων \cite{howCaasWorks} χωρίς την ανάγκη
|
||
χειροκίνητου στησίματος πλατφορμών, όπως το Kubernetes \cite{kubernetes} και το
|
||
Docker Swarm \cite{dockerSwarm}, που παρέχουν αυτή την δυνατότητα. Επιπρόσθετα,
|
||
οι πάροχοι υπηρεσιών CaaS έχουν την κατάλληλη τεχνογνωσία για να προστατεύσουν
|
||
τις υπηρεσίες τους, εξασφαλίζοντας ένα υψηλό επίπεδο ασφάλειας για τις
|
||
εφαρμογές που τις χρησιμοποιούν.
|
||
|
||
Σε κάθε περίπτωση, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρέχει η χρήση δοχείων, είναι
|
||
πολύ συνήθης η θέση σε λειτουργία, εφαρμογών μέσω Docker σε περιβάλλοντα νέφους
|
||
επειδή αυτό απομονώνει τις αναγκαίες βιβλιοθήκες και εξαρτήσεις τους από το
|
||
υπόλοιπο σύστημα και επιτρέπει την αποδοτικότερη διαχείριση των εφαρμογών αυτών
|
||
μέσω της διεπαφής του με εντολές για εκκίνηση, επιτήρηση πόρων, παύση και άλλες
|
||
λειτουργίες. Τα προβλήματα που μπορεί να προέκυπταν σε ένα περιβάλλον
|
||
ανάπτυξης, όπως μη συμβατές εκδόσεις προγραμμάτων και η δυσκολία διαχείρισής
|
||
τους, εξαλείφονται με την χρήση δοχείων αφήνοντας το Docker να εγκαθιδρύσει
|
||
έναν συστημικό τρόπο διανομής και ελέγχου εφαρμογών. Επιπροσθέτως, καθιστά πολύ
|
||
εύκολη τη μεταφορά τους σε οποιοδήποτε μηχάνημα (εφόσον αυτό υποστηρίζει την
|
||
εκτέλεση της μηχανής δοχείων του Docker) ή ακόμα και νέφος, θέτοντας το
|
||
κορυφαία επιλογή για επιχειρήσεις που επιλέγουν να ακολουθήσουν την στρατηγική
|
||
πολλαπλών νεφών (multi-cloud computing) κατά την κατασκευή εφαρμογών. Δηλαδή να
|
||
μην βασίζονται αποκλειστικά σε έναν πάροχο νέφους για όλες τις λειτουργίες μιας
|
||
εφαρμογής \cite{multiCloud} αλλά να εκμεταλλεύονται τα οφέλη (πχ. περισσότερη
|
||
ασφάλεια, ποιότητα και αυξημένη διαθεσιμότητα) χρήσης υπηρεσιών από πολλούς
|
||
παρόχους με βάση τις ανάγκες τους.
|
||
|
||
\subsection{Δοχειοποίηση Εφαρμογών (Application Containerization)} \label{applicationContainerization}
|
||
|
||
Τα δοχεία ενθυλακώνουν ένα λογισμικό ή ένα συστατικό (component) εφαρμογής ως
|
||
ένα αυτόνομο πακέτο που περιέχει τον κώδικα, τις βιβλιοθήκες και τις εξαρτήσεις
|
||
που χρειάζεται για να εκτελεστεί. Οι διεργασίες ενός δοχείου θεωρούνται
|
||
απομονωμένες με την έννοια ότι δεν έχουν ανάγκη για ένα αντίγραφο του
|
||
λειτουργικού συστήματος αλλά αντ' αυτού μιας μηχανής εκτέλεσης δοχείων
|
||
(container execution engine) στο μηχάνημα (φιλοξενίας) που λειτουργεί ως
|
||
διαμεσολαβητής των δοχείων για να μοιράζονται το ίδιο λειτουργικό σύστημα και
|
||
κατά προέκταση τους υποκείμενους πόρους του μεταξύ τους. Κοινές βιβλιοθήκες ή
|
||
εκτελέσιμα αρχεία μιας στρώσης εικόνας δοχείων μπορούν επίσης να
|
||
χρησιμοποιηθούν για την δημιουργία πολλών δοχείων, συμβάλλοντας έτσι στην
|
||
εξάλειψη περιττής υπολογιστικής ισχύος, καθιστώντας τα δοχεία μικρά στον χώρο
|
||
που καταλαμβάνουν, γρήγορα στην εκκίνηση και ικανά να εκτελεστούν σε
|
||
οποιαδήποτε πλατφόρμα ή περιβάλλον νέφους \cite{ibmContainerizationDefinition}.
|
||
|
||
Η δοχειοποίηση εφαρμογών αποτελεί εν γένει την πιο δημοφιλή μορφή δοχειοποίησης
|
||
που χρησιμοποιείται σήμερα. Είθισται να χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις χρήσης
|
||
μικρο-υπηρεσιών, CI/CD pipelines, επαναλαμβανόμενων διεργασιών και εφαρμογής
|
||
μεθόδων DevOps \cite{applicationContainerization}.
|
||
|
||
\subsection{Πλεονεκτήματα δοχείων έναντι εικονικών μηχανών} \label{containerAdvantages}
|
||
|
||
Ενώ μια εικονική μηχανή είναι μια πλήρης αναπαράσταση ενός φυσικού διακομιστή,
|
||
ένα δοχείο εξομοιώνει μονάχα το περιβάλλον εκτέλεσης ενός λογισμικού. Αυτό
|
||
σημαίνει πως εάν θεωρηθεί ως τελικός στόχος η εκτέλεση ενός λογισμικού
|
||
απομονωμένο από το υπόλοιπο σύστημα, αυτό επιτυγχάνεται με δύο διαφορετικούς
|
||
τρόπους, αφού οι εικονικές μηχανές και τα δοχεία χρησιμοποιούν διαφορετικού
|
||
είδους εικονικοποίηση. Στην περίπτωση των δοχείων δεν έχουμε απομόνωση μηχανών
|
||
αλλά διεργασιών. Γεγονός που συμβάλλει στην αποφυγή της επιβάρυνσης του
|
||
συστήματος που θα επιβάλλονταν από τις διεργασίες του υπερ-επόπτη και της
|
||
καθυστέρησης που θα υπήρχε για την εκκίνηση ενός ολόκληρου λειτουργικού
|
||
συστήματος. Επιπλέον, η μη χρήση τεχνολογιών εικονικοποίησης σε επίπεδο υλικού
|
||
αυξάνει την μεταφερσιμότητα των δοχείων αφού σε μια εικόνα δοχείου μπορούν να
|
||
ορισθούν όλες οι απαραίτητες εξαρτήσεις ενός λογισμικού και να αναδημιουργηθούν
|
||
σε οποιοδήποτε περιβάλλον νέφους.
|
||
|
||
Παρ' όλο που πολλές φορές τα δοχεία συγχέονται με τις εικονικές μηχανές, οι δύο
|
||
αυτές έννοιες έχουν αρκετές διαφορές στην αρχιτεκτονική τους. Στην παραδοσιακή
|
||
εικονικοποίηση είτε αυτή γίνεται στις υπάρχουσες υποδομές μιας επιχείρησης είτε
|
||
σε ένα περιβάλλον νέφους, ένας υπερ-επόπτης πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να
|
||
εικονικοποιήσει φυσικό υλικό. Κάθε εικονική μηχανή έχει ένα δικό της
|
||
λειτουργικό σύστημα και ένα εικονικό αντίγραφο του υλικού που απαιτεί για να
|
||
εκτελεστεί μαζί με μια εφαρμογή, τις βιβλιοθήκες και τις εξαρτήσεις της. Από
|
||
την άλλη, ένα δοχείο αντί να εικονικοποιήσει το υλικό, εικονικοποιεί το
|
||
λειτουργικό σύστημα ούτως ώστε κάθε δοχείο να περιέχει μόνο την εφαρμογή, τις
|
||
βιβλιοθήκες και τις εξαρτήσεις της \cite{ibmContainerVsVm}.
|
||
|
||
\noindent Το Σχήμα \ref{fig:containerVsVm} παρουσιάζει τις διαφορές ανάμεσα
|
||
στην αρχιτεκτονική της εικονικοποίησης και των δοχείων.
|
||
|
||
\begin{center}
|
||
\begin{figure}[!ht]
|
||
\centering
|
||
\includegraphics[width = .8\textwidth]{Figures/RedHat_Virtualization/virtualization-vs-containers_transparent.png}
|
||
\captionof{figure}{Χρήση εικονικοποίησης έναντι δοχείων \cite{redhatVirtualizationDefinition}}
|
||
\label{fig:containerVsVm}
|
||
\end{figure}
|
||
\vspace*{-30pt}
|
||
\end{center}
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
Η απουσία του εικονικού λειτουργικού υλικού είναι που καθιστά τα δοχεία
|
||
γρήγορα, φορητά και μικρότερα σε μέγεθος. Για να γίνει πιο εμφανής η διαφορά,
|
||
σύμφωνα με τη Red Hat \cite{redhatContainerVsVm}, το μέγεθος των εικονικών
|
||
μηχανών είναι της τάξεως των gigabyte ενώ των δοχείων είναι της τάξεως των
|
||
megabyte. Πολλές φορές, όπως αναφέρεται και σε μια δημοσίευση
|
||
\cite{ibmContainerVsVm} της \citeauthor{ibmContainerVsVm}, τα δοχεία
|
||
χρησιμοποιούνται για εφαρμογές αρχιτεκτονικής μικρο-υπηρεσιών (microservices),
|
||
όπου κάθε ξεχωριστό κομμάτι (δηλ. μικρο-υπηρεσία) αντιπροσωπεύει ένα συστατικό
|
||
της εφαρμογής που παίρνει την μορφή ενός δοχείου. Με αυτόν τον τρόπο, είναι
|
||
ευκολότερη η κλιμάκωση μιας εφαρμογής απ' ότι θα ήταν με μια μονολιθική
|
||
αρχιτεκτονική. Αυτό συμβαίνει διότι μπορεί να κλιμακώνεται μόνο το μέρος ή τα
|
||
μέρη της που έχουν αύξηση του φόρτου εργασίας τους, μέσω της χρήσης
|
||
περισσότερων δοχείων που αντιστοιχούν σε αυτά τα μέρη/μικρο-υπηρεσίες.
|
||
Αντιθέτως, η κλιμάκωση μιας μονολιθικής εφαρμογής θα απαιτούσε την δημιουργία
|
||
πολλαπλών δοχείων μεγάλου μεγέθους ή πολλαπλών εικονικών μηχανών, οδηγώντας σε
|
||
μεγάλη και αχρείαστη σπατάλη πόρων. Λόγω του γεγονότος πως μια εφαρμογή
|
||
αποτελείται από πολλαπλές μικρο-υπηρεσίες, οι οποίες μπορεί να έχουν πολλαπλά
|
||
στιγμιότυπα (δηλ. μεγάλο αριθμό δοχείων) ανά πάσα χρονική στιγμή, απαιτείται η
|
||
χρήση μιας πλατφόρμας ενορχήστρωσης δοχείων για την αυτοματοποίηση της
|
||
εγκατάστασης, εκτέλεσης και κλιμάκωσης της εφαρμογής κατά μήκος πολλαπλών πόρων
|
||
(δηλ. εικονικών ή φυσικών μηχανών), όπως είναι το Kubernetes ή το Docker Swarm.
|
||
Από την άλλη, αν είναι επιθυμητή η ενορχήστρωση των δοχείων μιας εφαρμογής σε
|
||
έναν πόρο (φυσικό ή εικονικό μηχάνημα), τότε είναι δυνατή η χρήση εργαλείων
|
||
όπως το Docker Compose.
|
||
|
||
Το μόνο μειονέκτημα της τεχνολογίας των δοχείων, το οποίο δεν επηρεάζει κατά
|
||
πολύ τη χρήση τους, είναι το γεγονός ότι δοχεία που δημιουργήθηκαν για να
|
||
εκτελούν προγράμματα που απαιτούν την ύπαρξη του λειτουργικού συστήματος
|
||
Windows δε μπορούν να εκτελεστούν σε ένα περιβάλλον με τον πυρήνα του Linux και
|
||
το ίδιο ισχύει και αντιστρόφως \cite{containerOSlimitations}.
|
||
|
||
Εν γένει, τα βασικότερα πλεονεκτήματα των δοχείων σε σχέση με τις εικονικές
|
||
μηχανές είναι ο διαμοιρασμός του πυρήνα του λειτουργικού συστήματος φιλοξενίας
|
||
και η μεταφερσιμότητά τους. Το γεγονός ότι μοιράζονται τον ίδιο πυρήνα έχει ως
|
||
αποτέλεσμα να μην χρειάζεται να απονεμηθούν πόροι για εικονικοποίηση μηχανών με
|
||
σκοπό την στέγαση ενός ολόκληρου ξεχωριστού λειτουργικού συστήματος (όπως
|
||
γίνεται στις εικονικές μηχανές). Επιπλέον, τα δοχεία μπορούν να εκτελεστούν σε
|
||
οποιοδήποτε περιβάλλον είναι ήδη εγκατεστημένη μια μηχανή δοχείων (όπως το
|
||
Docker) όπου μάλιστα η ταχύτητα δημιουργίας τους είναι πολύ πιο γρήγορη σε
|
||
σχέση με αυτή των εικονικών μηχανών λόγω του μικρού μεγέθους και των ελάχιστων
|
||
μη λειτουργικών απαιτήσεών τους.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
Τα δοχεία προσφέρουν μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παραδοσιακές
|
||
εικονικές μηχανές. Αυτά, σύμφωνα με την
|
||
\citeauthor{ibmContainerizationDefinition}
|
||
\cite{ibmContainerizationDefinition}, μπορούν να συνοψιστούν ως εξής:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Mεταφερσιμότητα}:
|
||
|
||
Τα δοχεία είναι ανεξάρτητα από το λειτουργικό σύστημα και το περιβάλλον
|
||
εκτέλεσής τους και ως εκ τούτου μπορούν να εκτελεστούν σε οποιαδήποτε
|
||
πλατφόρμα ή περιβάλλον νέφους ομοιόμορφα και με συνέπεια. Εφόσον τα
|
||
κομμάτια ενός προγράμματος μπορούν να ορισθούν σε ένα μονάχα αρχείο
|
||
κειμένου και να κατασκευαστούν με αυτοματοποιημένο τρόπο οπουδήποτε,
|
||
αυτό δίνει στα δοχεία πολύ μεγαλύτερο προβάδισμα στον τομέα της
|
||
μεταφερσιμότητας σε σχέση με τις εικονικές μηχανές.
|
||
|
||
\item \textbf{Ευελιξία}:
|
||
|
||
Το Docker Engine ξεκίνησε το βιομηχανικό πρότυπο Docker για τη χρήση
|
||
δοχείων προσφέροντας απλά εργαλεία ανάπτυξης και μια καθολική
|
||
προσέγγιση πακεταρίσματος που λειτουργεί εξίσου καλά σε όλες τις
|
||
πλατφόρμες. Το οικοσύστημα των δοχείων έχει μετατοπιστεί σε μηχανές
|
||
δοχείων που ακολουθούν τα πρότυπα της Open Container Initiative (OCI)
|
||
και οι προγραμματιστές μπορούν εύκολα και γρήγορα να πακετάρουν τις
|
||
εφαρμογές τους ως δοχεία, τα οποία μπορούν να παρέχονται χωρίς την
|
||
έγνοια υποστήριξης πολλών διαφορετικών πλατφορμών.
|
||
|
||
\item \textbf{Ταχύτητα}:
|
||
|
||
Τα δοχεία είναι ελαφρύτερα από τις παραδοσιακές εικονικές μηχανές λόγω
|
||
του διαμοιρασμού του ίδιου ΛΣ και γι' αυτό έχουν μικρότερο χρόνο
|
||
εκκίνησης. Αυτό τα καθιστά ιδανικά για την ανάπτυξη και την εκτέλεση
|
||
εφαρμογών σε περιβάλλοντα νέφους όπου η αποδοτικότητα αξιοποίησης των
|
||
υπολογιστικών πόρων αντανακλάται σε άμεση εξοικονόμηση κόστους.
|
||
|
||
\item \textbf{Απομόνωση σφαλμάτων}:
|
||
|
||
Εφόσον κάθε δοχείο είναι απομονωμένο και λειτουργεί ανεξάρτητα από τα
|
||
υπόλοιπα, η αποτυχία ενός δοχείου στο ίδιο ΛΣ δε θα επηρεάσει τη συνεχή
|
||
λειτουργία των υπόλοιπων δοχείων. Με αυτόν τον τρόπο, οι ομάδες
|
||
ανάπτυξης λογισμικού μπορούν να εντοπίζουν και να διορθώνουν τυχόν
|
||
τεχνικά προβλήματα χωρίς να υπάρχει διακοπή λειτουργίας σε άλλα δοχεία.
|
||
Επιπρόσθετα, ο εντοπισμός του προβλήματος είναι εύκολος διότι εστιάζει
|
||
σε ένα μόνο δοχείο και όχι σε περισσότερα. Αυτό οδηγεί σε πιο γρήγορη
|
||
αποσφαλμάτωση και εν τέλει στην πιο γρήγορη ανάπτυξη και συντήρηση
|
||
προγραμμάτων.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Μέγιστη χρηστικότητα πόρων}:
|
||
|
||
Το γεγονός ότι τα δοχεία μοιράζονται το ίδιο ΛΣ και κοινά κομμάτια μιας
|
||
στρώσης εικόνας δοχείου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ξανά για την
|
||
δημιουργία πολλών δοχείων, τα καθιστά αρκετά μικρά σε μέγεθος ώστε να
|
||
είναι δυνατόν να εκτελεστούν πολλά περισσότερα δοχεία σε έναν
|
||
διακομιστή απ' ότι θα μπορούσαν εικονικές μηχανές. Επομένως,
|
||
αξιοποιούνται καλύτερα οι πόροι του συστήματος.
|
||
|
||
\item \textbf{Ευκολία διαχείρισης}:
|
||
|
||
Τα δοχεία σε ένα σύστημα είναι εύκολα διαχειρίσιμα με απλές εντολές. Η
|
||
διαδικασία ενημέρωσης, εκκίνησης, τερματισμού και εν γένει διαχείρισής
|
||
τους είναι γρήγορη και απλή. Ακόμα και για μια επιχείρηση με πολλούς
|
||
διακομιστές, όπου ο αντίστοιχος φόρτος διαχείρισης θα ήταν αρκετά
|
||
υψηλός, υπάρχουν πλατφόρμες ενορχήστρωσης δοχείων που πέραν της
|
||
αυτοματοποίησης αυτών των λειτουργιών διαχείρισης, βοηθάνε και στην
|
||
κλιμάκωση και διαχείριση του φόρτου εργασίας των δοχειοποιημένων
|
||
εφαρμογών τους κατά μήκος πολλαπλών διακομιστών.
|
||
|
||
\item \textbf{Ασφάλεια}:
|
||
|
||
Η απομόνωση των εφαρμογών ως δοχεία, όταν εφαρμόζεται ακολουθώντας
|
||
ορθές πρακτικές, εγγενώς αποτρέπει την εισβολή κακόβουλου λογισμικού
|
||
από το να επηρεάσει τα υπόλοιπα δοχεία ή το σύστημα στο οποίο
|
||
εκτελούνται. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιώντας Kernel Security Modules,
|
||
όπως είναι το AppArmor ή το SELinux, μπορούν να ορισθούν άδειες
|
||
ασφαλείας με σκοπό τον περιορισμό του εύρους πρόσβασης του Docker στο
|
||
σύστημα, ενώ με access authorization plugins
|
||
\cite{accessAuthorizationPlugin}, περιορίζεται η πρόσβαση στον δαίμονα
|
||
του Docker. Επιπροσθέτως, πολύ εύκολα μπορεί να περιοριστεί και η
|
||
επικοινωνία μεταξύ δοχείων, καθώς και με το δίκτυο του συστήματος.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
\subsection{Διαφορές σε υλοποιήσεις της δοχειοποίησης} \label{containerizationImplementationDifferences}
|
||
|
||
Στην Ενότητα \ref{containerizationDefinition} αναφέραμε την έννοια της
|
||
δοχειοποίησης. Η ραγδαία αύξηση του ενδιαφέροντος και της χρήσης δοχείων
|
||
οδήγησε στην ανάγκη για πρότυπα γύρω από την τεχνολογία αυτή. Έτσι, η Open
|
||
Container Initiative (OCI), η οποία ιδρύθηκε τον Ιούνιο του 2015 από την Docker
|
||
και άλλους ηγέτες του κλάδου, προωθεί κοινά, ανοικτά πρότυπα και προδιαγραφές
|
||
γύρω από την τεχνολογία δοχείων. Εξαιτίας αυτού, η OCI συμβάλλει στη διεύρυνση
|
||
των επιλογών για μηχανές δοχείων ανοιχτού κώδικα και συνεπώς, οι χρήστες δε θα
|
||
είναι εγκλωβισμένοι στην τεχνολογία ενός συγκεκριμένου προμηθευτή. Απεναντίας,
|
||
θα μπορούν να επωφεληθούν από τις πιστοποιημένες από την OCI τεχνολογίες που θα
|
||
τους επιτρέπουν να δημιουργούν εφαρμογές σε δοχεία χρησιμοποιώντας ένα ευρύ
|
||
σύνολο εργαλείων DevOps, τις οποίες θα μπορούν να εκτελούν με τον ίδιο τρόπο σε
|
||
οποιεσδήποτε υποδομές της επιλογής τους.
|
||
|
||
Σήμερα, αν και το Docker αποτελεί μία από τις πιο γνωστές και ευρέως
|
||
χρησιμοποιούμενες μηχανές δοχείων, υπάρχουν πολλές άλλες εναλλακτικές
|
||
υλοποιήσεις. Για παράδειγμα, το Podman \cite{podman} είναι μια γνωστή
|
||
εναλλακτική μηχανή δοχείων ενώ το LXC και το containerd είναι εναλλακτικά
|
||
container runtimes - μάλιστα το τελευταίο ήταν για καιρό η προεπιλογή του
|
||
Docker για container runtime προτού υιοθετήσει το runC. Οι προαναφερόμενες
|
||
εναλλακτικές υλοποιήσεις μπορεί να έχουν διαφορετικά χαρακτηριστικά και
|
||
προεπιλογές αλλά η υιοθέτηση και η αξιοποίηση των προδιαγραφών της OCI καθώς
|
||
αυτές εξελίσσονται θα διασφαλίσει ότι οι εναλλακτικές αυτές παραμένουν
|
||
ανεξάρτητες από τους προμηθευτές, πιστοποιημένες για να τρέχουν σε πολλαπλά
|
||
λειτουργικά συστήματα και χρησιμοποιήσιμες σε πολλαπλά περιβάλλοντα
|
||
\cite{ibmContainerizationDefinition}.
|
||
|
||
Παρότι οι προδιαγραφές της OCI έχουν ως στόχο να διασφαλίσουν την ομοιόμορφη
|
||
λειτουργία της τεχνολογίας αυτής, υπάρχουν αρκετές διαφορές στην υλοποίηση της.
|
||
Παραδείγματος χάριν, το Podman, ενώ συμμορφώνεται στις προδιαγραφές της OCI
|
||
όπως το Docker, δουλεύει χωρίς δαίμονα από πίσω, πράγμα που επιδιώκει να
|
||
κατευνάσει τις ανησυχίες γύρω από τον τρόπο λειτουργίας του Docker. Αυτό
|
||
συμβαίνει διότι το Docker χρειάζεται διαχειριστικές άδειες για την λειτουργία
|
||
του δαίμονα του, γεγονός που αφήνει το σύστημα ευάλωτο σε επιθέσεις σε
|
||
περίπτωση που αυτός παραβιαστεί. Παρότι και οι δύο αυτές μηχανές δοχείων
|
||
χρησιμοποιούν το runC ως container runtime, το Podman χρησιμοποιεί το systemd
|
||
για την διαχείριση των δοχείων του, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από
|
||
χρήστες χωρίς διαχειριστικές άδειες. Συνεπώς, εξαιτίας του τρόπου λειτουργίας
|
||
του, αν και από το 2021, χάρη στη δουλειά του Akihiro Suda
|
||
\footfullcite{AkihiroSuda}, η αποφυγή χρήσης δαίμονα δεν ισχύει μόνο για αυτό
|
||
πλέον, το Podman δύναται να εκτελεστεί από έναν χρήστη πέραν του
|
||
διαχειριστή/ριζικού (root).
|
||
|
||
Ένα ακόμα εργαλείο που έχει παρόμοια αρχιτεκτονική με το Podman είναι το rkt
|
||
\footfullcite{rkt} το οποίο προσπαθούσε να κρατήσει μια προσέγγιση ασφαλούς
|
||
σχεδιασμού εξ αρχής (Secure-by-design). Μπορούσε να ενσωματώσει χαρακτηριστικά
|
||
ασφαλείας, όπως υποστήριξη SELinux, TPM measurement και εκτέλεση δοχείων σε
|
||
απομονωμένες από το υλικό εικονικές μηχανές. Παρ' όλα αυτά, σύμφωνα με τον
|
||
\citeauthor{dockerAlternatives} \cite{dockerAlternatives}, έπαψε να έχει ενεργή
|
||
ανάπτυξη και επομένως δεν θα συνεχίζει να ανταγωνίζεται παρόμοια εργαλεία στον
|
||
κλάδο των δοχείων.
|
||
|
||
Στην Ενότητα \ref{virtualizationImplementations} αναφέραμε την εικονικοποίηση
|
||
λειτουργικού συστήματος και στην \ref{containerManagement} το LXC. Αποτελεί και
|
||
αυτό ένα container runtime, με την διαφορά ότι αντί να επικεντρώνεται στην
|
||
δοχειοποίηση εφαρμογών, όπως κάνει το Docker χρησιμοποιώντας το runC, ο κύριος
|
||
σκοπός της δημιουργίας του ήταν η δοχειοποίηση λειτουργικών συστημάτων. Αν και
|
||
χρησιμοποιείται ακόμα στις μέρες μας, η δημοτικότητα του έχει πέσει από τότε
|
||
που το ενδιαφέρον τον επιχειρήσεων στράφηκε στην δοχειοποίηση εφαρμογών, με
|
||
αποτέλεσμα την ανάγκη δημιουργίας εργαλείων που να διευκολύνουν την διαδικασία
|
||
αυτή, η οποία οδήγησε στην δημιουργία του Docker.
|
||
|
||
Σχετικά με τα container runtimes runC και containerd, το πρώτο είναι ένα
|
||
container runtime χαμηλού επιπέδου ενώ το δεύτερο υψηλού επιπέδου.
|
||
Δημιουργήθηκαν και τα δύο από το Docker σε διαφορετικές χρονικές περιόδους. Από
|
||
τις αρχικές του εκδόσεις, το Docker χρησιμοποιούσε το containerd από
|
||
προεπιλογή. Μετέπειτα, αποφάσισε να το καταστήσει ένα αυτόνομο container
|
||
runtime και τον ρόλο του πήρε, το runC, προκειμένου να μπορέσουν τα δοχεία του
|
||
Docker να δουλεύουν ευκολότερα σε διαφορετικές πλατφόρμες όπως το Kubernetes
|
||
\cite{containerdRunc}. Επιπροσθέτως, η απόφαση αυτή κατέστησε το Docker πιο
|
||
διαχειρίσιμο διότι πλέον αποτελούνταν από πολλά μικρότερα εργαλεία, όπου το
|
||
καθένα από αυτά είχε συγκεκριμένους ρόλους. Αναλυτικότερα, το containerd πλέον
|
||
είναι υπεύθυνο για την απόκτηση εικόνων δοχείων και την διαχείρισή τους, προτού
|
||
τις μεταβιβάσει στο runC, το οποίο είναι το εργαλείο που θα αλληλεπιδράσει με
|
||
τον πυρήνα του Linux προκειμένου να χρησιμοποιήσει χαρακτηριστικά όπως, οι
|
||
ομάδες ελέγχου (control groups), για να δημιουργήσει δοχεία.
|
||
|
||
\subsection{Ασφάλεια στο Docker} \label{dockerSecurityMore}
|
||
|
||
Οι εφαρμογές σε δοχεία έχουν ένα εγγενές επίπεδο ασφαλείας αφού μπορούν να
|
||
εκτελούνται ως απομονωμένες διεργασίες και να λειτουργούν ανεξάρτητα από τα
|
||
υπόλοιπα δοχεία. Αν εξασφαλιζόταν πλήρης απομόνωση, θα μπορούσε να αποτραπεί,
|
||
στην περίπτωση μόλυνσης από κακόβουλο λογισμικό, ο κίνδυνος να επηρεαστούν άλλα
|
||
δοχεία ή το ίδιο το σύστημα. Ωστόσο, η απομόνωση τους δεν είναι πλήρης.
|
||
Επομένως, ενώ ο διαμοιρασμός κομματιών μιας εφαρμογής σε δοχεία βοηθάει στην
|
||
αποδοτικότητα του συστήματος, ανοίγει και ένα παράθυρο ευκαιρίας για επιθέσεις
|
||
λόγω αυτής της τρωτότητας. Το γεγονός, επίσης, πως μοιράζονται τον ίδιο πυρήνα
|
||
σημαίνει πως μια επίθεση με στόχο αυτόν, μπορεί δυνητικά να επηρεάσει όλα τα
|
||
δοχεία.
|
||
|
||
Σχετικά με τις εικόνες δοχείων που αναφέρθηκαν στο
|
||
\ref{virtualizationTechnologiesIntroduction} και το
|
||
\ref{containersAndContainerImages}, τα κομμάτια δηλαδή από τα οποία μια
|
||
εφαρμογή σε μορφή δοχείου αποτελείται και αντιστοιχούν σε καλούπια μέσω των
|
||
οποίων παράγονται τα δοχεία της εφαρμογής, η ασφάλεια δεν είναι πάντα
|
||
εγγυημένη. Αυτό είναι κάτι που συμβαίνει διότι ο καθένας έχει την δυνατότητα να
|
||
ανεβάσει μια εικόνα δοχείου προς χρήση από τρίτους. Σε περίπτωση που δεν
|
||
εξετασθεί το περιεχόμενό της μπορεί είτε να περιέχει κακόβουλο λογισμικό, είτε
|
||
να μην ακολουθούνται ορθές πρακτικές ασφαλείας με αποτέλεσμα να μένει το
|
||
σύστημα που την χρησιμοποιεί ευάλωτο σε επιθέσεις. Συνεπώς, πρέπει να ληφθούν
|
||
μέτρα προστασίας όπως η χρήση εικόνων προερχόμενες μόνο από εγκεκριμένες πηγές,
|
||
δηλαδή να υπάρχει εμπιστοσύνη ανάμεσα στον προμηθευτή μιας εικόνας δοχείου και
|
||
τον τελικό χρήστη. Επιπροσθέτως, πριν την χρήση μιας εικόνας δοχείου, πρέπει
|
||
αυτή να εξετάζεται με εργαλεία ανίχνευσης τρωτοτήτων, καθώς και να έχει
|
||
πραγματοποιηθεί επαρκώς σκλήρυνση του Docker ώστε να μειωθούν οι επιπτώσεις
|
||
κατά την χρήση της εαν περιέχει κακόβουλο λογισμικό.
|
||
|
||
Οι πάροχοι τεχνολογίας δοχείων έχουν αποκτήσει μια προσέγγιση ασφαλούς
|
||
σχεδιασμού ώστε πολλά από τα απαραίτητα μέτρα να είναι ενεργοποιημένα χωρίς την
|
||
απαίτηση επιπρόσθετης αλληλεπίδρασης από τον χρήστη. Πλέον, η μηχανή δοχείων
|
||
υποστηρίζει όλες τις ιδιότητες απομόνωσης που υποστηρίζει και το λειτουργικό
|
||
σύστημα στο οποίο εκτελείται, ενώ άδειες ασφαλείας μπορούν να δοθούν στα δοχεία
|
||
και τον δαίμονα του Docker μέσω του πυρήνα του ΛΣ, με σκοπό τον επιπρόσθετο
|
||
περιορισμό χρήσης πόρων και του εύρους του συστήματος στο οποίο έχει πρόσβαση η
|
||
μηχανή δοχείων \cite{ibmContainerizationDefinition}.
|
||
|
||
\subsubsection{Μετριασμός επιθέσεων στο Docker με χρήση χώρων ονομάτων} \label{dockerAttackVectorMitigation}
|
||
|
||
Με βάση το μοντέλο που περιγράφει το \cite{reshetova2014security}, όπως
|
||
αναφέρεται στο \cite{bui2015analysis}, έχουμε ένα μηχάνημα στο οποίο
|
||
εκτελούνται διάφορα δοχεία, από τα οποία ένα υποσύνολο έχει τεθεί υπό τον
|
||
έλεγχο ενός κακόβουλου χρήστη. Για να προστατευτούμε από επιθέσεις, όπως άρνηση
|
||
υπηρεσίας και κλιμάκωση δικαιωμάτων, πρέπει να πραγματοποιηθεί απομόνωση των
|
||
διεργασιών, των αρχείων της συσκευής, του IPC, του δικτύου και των πόρων.
|
||
|
||
Αυτά επιτυγχάνονται κατά σειρά με τη χρήση:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Χώρων ονομάτων (namespaces)} όπου οριοθετείται η ορατότητα
|
||
των διεργασιών ανάμεσα στα δοχεία και το σύστημα, όπως επίσης και τα
|
||
δικαιώματά τους.
|
||
|
||
\item \textbf{Mount namespaces}, με τα οποία οι διεργασίες κάθε δοχείου
|
||
βλέπουν με διαφορετικό τρόπο τη διάταξη των αρχείων του συστήματος.
|
||
Όλες οι δράσεις mount, που γίνονται στο εκάστοτε δοχείο, περιορίζονται
|
||
σε αυτό. Επίσης, οριοθετούνται τα δικαιώματα των αρχείων του πυρήνα σε
|
||
μονάχα ανάγνωσης και αποτρέπονται περαιτέρω remountings.
|
||
|
||
\item \textbf{Device Whitelist Controller}, ενός χαρακτηριστικού
|
||
\cite{deviceWhitelistController} των cgroups για περιορισμό
|
||
συσκευών, με τη βοήθεια του οποίου περιορίζεται το σύνολο τον συσκευών
|
||
στις οποίες έχει πρόσβαση ένα δοχείο και το αποτρέπει από το να
|
||
δημιουργήσει καινούριες αναπαραστάσεις συσκευών. Επιπροσθέτως, επειδή
|
||
τα mount γίνονται με τη χρήση της παραμέτρου
|
||
nodev\footnote{\textgreek{Μια παράμετρος της εντολής mount κατά την
|
||
οποία αποτρέπεται η δημιουργία και η πρόσβαση αναπαραστάσεων συσκευών
|
||
που βρίσκονται στον φάκελο /dev.}}, στην περίπτωση που μια αναπαράσταση
|
||
συσκευής είχε δημιουργηθεί σε προηγούμενο χρόνο μέσα στην εικόνα δοχείου που
|
||
χρησιμοποιήθηκε για να κατασκευαστεί το δοχείο, οι διεργασίες του δοχείου αυτού
|
||
δε δύνανται να τη χρησιμοποιήσουν για να επικοινωνήσουν με τον πυρήνα.
|
||
Επιπλέον, επειδή η προεπιλεγμένη συνθήκη είναι να μη δίνονται εκτεταμένα
|
||
προνόμια σε ένα δοχείο, δεν υπάρχει πρόσβαση σε καμία συσκευή παρά μόνο εάν
|
||
γίνει εκτέλεση δοχείου ως χρήστης με ανώτατα δικαιώματα, όπου τότε υπάρχει
|
||
πρόσβαση σε όλες (τις συσκευές).
|
||
|
||
\item \textbf{IPC namespaces} για περιορισμό IPC, δηλαδή της επικοινωνίας
|
||
των διεργασιών μεταξύ τους. Τα IPC namespaces καθιστούν δυνατή τη
|
||
δημιουργία ξεχωριστών συνόλων των διεργασιών που επικοινωνούν μεταξύ
|
||
τους, αλλά όχι με άλλες διεργασίες πέραν του υποσυνόλου.
|
||
|
||
\item \textbf{Network namespaces}. Μία από τις σημαντικότερες απομονώσεις
|
||
είναι αυτή του δικτύου. Χωρίς δικτυακή απομόνωση υπάρχει κίνδυνος
|
||
επιθέσεων, όπως ενδιάμεσου (Man in the middle), ARP, DNS πλαστογράφησης
|
||
(spoofing) και άλλες. Για να απομονωθεί η κίνηση δικτύου που λαμβάνει
|
||
μέρος σε ένα δοχείο από αυτήν των υπολοίπων και του συστήματος πρέπει
|
||
να γίνει χρήση των network namespaces. Κάθε δοχείο θα έχει δικές του
|
||
διευθύνσεις IP, συσκευές και ό,τι χρειάζεται, προκειμένου να γίνεται
|
||
αλληλεπίδραση μεταξύ των δοχείων μέσω της διεπαφής δικτύου του καθενός
|
||
σαν να είναι εξωτερικές οντότητες.
|
||
|
||
\item \textbf{Ομάδες ελέγχου (cgroups)}. Επιβάλλεται η οριοθέτηση των
|
||
υπολογιστικών πόρων προκειμένου να αποφευχθεί μια επίθεση τύπου άρνησης
|
||
υπηρεσίας, όπου μια διεργασία ή ένα σύνολο αυτών προσπαθεί να
|
||
καταναλώσει όλους τους πόρους του συστήματος. Με τη βοήθεια των ομάδων
|
||
ελέγχου, επιτυγχάνεται ο έλεγχος του (μέγιστου) ποσοστού πόρων όπως
|
||
CPU, μνήμης και χωρητικότητας, που μπορεί να έχει κάθε δοχείο στη
|
||
διάθεση του.
|
||
|
||
\end{itemize}
|
||
|
||
Αυτές οι δυνατότητες υποστηρίζονται από το Docker και μπορεί κανείς να τις
|
||
εκμεταλλευτεί για να προστατεύσει το περιβάλλον του από επιθέσεις. Επιπλέον,
|
||
υπάρχει και η δυνατότητα υποστήριξης Kernel Security Modules, όπως τα SELinux
|
||
\cite{selinux} και AppArmor \footfullcite{apparmor} αλλά και του Seccomp
|
||
\cite{seccomp} (στην περίπτωση χρήσης LXC), καθώς επίσης και συμβατότητα με
|
||
Linux capabilities (ικανότητες), που θα μπορούσαν να εισάγουν ένα ακόμα επίπεδο
|
||
ασφαλείας, αν χρησιμοποιηθούν σωστά, περιορίζοντας τα δικαιώματα των διεργασιών
|
||
των δοχείων σε μονάχα όσα χρειάζονται. Το Docker παρέχει αρκετά υπάρχοντα μέσα
|
||
άμυνας προκειμένου να προστατευτεί από επιθέσεις ακόμα και χωρίς επιπρόσθετες
|
||
ρυθμίσεις. Παρ' όλα αυτά, οι αρχικές ρυθμίσεις ασφαλείας του είναι πιο
|
||
ελαστικές απ' όσο χρειάζεται προκειμένου να συνεχίζει να λειτουργεί κανονικά
|
||
για όλους τους χρήστες, αφήνοντας έτσι τους διαχειριστές ασφαλείας υπεύθυνους
|
||
να χρησιμοποιήσουν όσες δυνατότητες είναι απαραίτητες προκειμένου να
|
||
ανταπεξέλθουν σε κάθε επίθεση ανάλογα με το περιβάλλον και τις ανάγκες τους.
|
||
|
||
\subsubsection{Συχνά είδη επιθέσεων σε δοχεία και μέθοδοι πρόληψής τους} \label{commonAttacksAndPrevention}
|
||
|
||
Μερικά είδη επιθέσεων σε δοχεία με τους τρόπους αντιμετώπισής τους, όπως
|
||
αναφέρονται στο \cite{yasrab2018mitigating}, είναι τα εξής:
|
||
|
||
\begin{itemize}
|
||
|
||
\item \textbf{Εκμεταλλεύσεις πυρήνα (Kernel Exploits)}:
|
||
|
||
Ο πυρήνας είναι υπεύθυνος για τη διαχείριση των λειτουργιών και
|
||
διεργασιών των δοχείων. Λόγω του διαμοιρασμού του πυρήνα του συστήματος
|
||
με κάθε δοχείο το οποίο εκτελείται σε αυτό, εάν οποιοδήποτε από αυτά
|
||
τεθεί υπό τον έλεγχο ενός κακόβουλου χρήστη, αυτός μπορεί δυνητικά να
|
||
πάρει τον έλεγχο του συστήματος και όλων των δοχείων αυτού. Ο τρόπος
|
||
αντιμετώπισης που προτείνεται είναι η χρήση SELinux ή AppArmor κατά την
|
||
εκτέλεση δοχείων σε συνδυασμό με εκμετάλλευση των user namespaces.
|
||
Επιπλέον, συνίσταται να μην εκτελούνται εφαρμογές με δικαιώματα
|
||
διαχειριστικού λογαριασμού. Μερικά ακόμα μέτρα προστασίας που μπορεί να
|
||
παρθούν αλλά πιθανώς να μην είναι εφικτά γιατί ενδεχομένως να πηγαίνουν
|
||
ενάντια στις λειτουργίες του εκάστοτε δοχείου, είναι να τεθεί το
|
||
σύστημα του σε επίπεδο πρόσβασης που επιτρέπει μόνο την ανάγνωση των
|
||
αρχείων, να απενεργοποιηθεί η επικοινωνία μεταξύ δοχείων και να
|
||
αποφευχθεί η εγκατάσταση περιττών προγραμμάτων σε αυτά.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Άρνηση υπηρεσίας}:
|
||
|
||
Μια από τις πιο συνηθισμένες επιθέσεις σε πόρους διαθέσιμους μέσω
|
||
δικτύου είναι η άρνηση υπηρεσίας. Κατά τη διάρκεια μιας τέτοιας
|
||
επίθεσης, μια διεργασία ή ένα σύνολο διεργασιών επιχειρεί να
|
||
καταναλώσει όλους τους πόρους του συστήματος προκειμένου να μην μπορεί
|
||
να εξυπηρετήσει άλλους χρήστες. Αυτό μπορεί να συμβεί εάν ένα δοχείο
|
||
βρεθεί υπό τον έλεγχο ενός επιτιθέμενου και επιχειρήσει να διεκδικήσει
|
||
πόρους που κανονικά δε χρειάζεται. Για να ανταπεξέλθει ένα σύστημα σε
|
||
μια επίθεση άρνησης υπηρεσίας, πρέπει να γίνει χρήση των δυνατοτήτων
|
||
που αναφέραμε στο \ref{dockerAttackVectorMitigation} με σκοπό τον
|
||
αυστηρότερο έλεγχο διαμοιρασμού των πόρων του συστήματος. Με τον
|
||
καθορισμό μέγιστων διαθέσιμων πόρων για κάθε δοχείο εξ αρχής, δεν
|
||
υπάρχει κίνδυνος να προσπαθήσει κάποιο δοχείο να διεκδικήσει
|
||
περισσότερους από αυτούς που μπορούν να του ανατεθούν.
|
||
|
||
\item \textbf{Αποδράσεις Δοχείων (Container Breakouts)}:
|
||
|
||
Σε τέτοιου είδους επιθέσεις, ένας επιτιθέμενος προσπαθεί αφού απέκτησε
|
||
πρόσβαση σε ένα δοχείο, να καταφέρει μέσω αυτού να έχει πρόσβαση στα
|
||
αρχεία του κύριου συστήματος. Αυτό μπορεί να συμβεί με τη χρήση μιας
|
||
συνάρτησης που απαιτεί δικαιώματα διαχειριστικού λογαριασμού μέσα από
|
||
το δοχείο προκειμένου να κάνει κλήση μιας ικανότητας (capability) στην
|
||
οποία είχε πρόσβαση εξ αρχής. Σύμφωνα με το Docker, η μόνη έκδοσή του
|
||
που μπορούσε να επηρεαστεί από αυτή την ευπάθεια ήταν η 0.11 και στην
|
||
επόμενη διορθώθηκε. Για την πρόληψη μελλοντικών μεθόδων διεκπεραίωσης
|
||
τέτοιου είδους επίθεσης, συνίσταται να τίθενται τα δοχεία και οι
|
||
αποθηκευτικοί τους χώροι σε κατάσταση μονάχα ανάγνωσης, καθώς και να
|
||
αποφεύγεται η χρήση της παραμέτρου \textquote{privileged}.
|
||
|
||
\item \textbf{Δηλητηριασμένες εικόνες δοχείων}:
|
||
|
||
Οι εικόνες δοχείων μπορεί να περιέχουν κακόβουλο λογισμικό ή λογισμικό
|
||
για το οποίο έχουν βρεθεί (πλέον) ευπάθειες. Ο τωρινός τρόπος ελέγχου
|
||
εγκυρότητάς τους βασίζεται μονάχα στην παρουσία ενός υπογεγραμμένου
|
||
manifest αλλά δε γίνεται ποτέ αυθεντικοποίηση του αθροίσματος ελέγχου
|
||
(checksum) της κάθε εικόνας. Αυτό αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο ένας
|
||
επιτιθέμενος να διαδώσει οποιαδήποτε εικόνα μαζί με το υπογεγραμμένο
|
||
manifest της. Επιβάλλεται οι χρήστες να κατεβάζουν εικόνες από
|
||
εγκεκριμένους προμηθευτές και επιπρόσθετα να τις ελέγχουν με κατάλληλα
|
||
εργαλεία ανίχνευσης τρωτοτήτων προτού τις χρησιμοποιήσουν.
|
||
|
||
\clearpage
|
||
|
||
\item \textbf{Απόκτηση μυστικών κωδικών/κλειδιών}:
|
||
|
||
Η απόκτηση επιχειρησιακών ή προσωπικών μυστικών ελλοχεύει πολλούς
|
||
κινδύνους για μια επιχείρηση. Σε περίπτωση που κάτι τέτοιο συμβεί, ένας
|
||
επιτιθέμενος μπορεί να έχει πρόσβαση σε βάσεις δεδομένων ή άλλα
|
||
κομμάτια του συστήματος απειλώντας έτσι την ακεραιότητα, την
|
||
εμπιστευτικότητα και διαθεσιμότητα των δεδομένων. Προκειμένου να
|
||
αποφευχθεί η εισβολή σε κάποιο δοχείο που θα προκαλούσε την απόκτηση
|
||
τέτοιων μυστικών, καθίσταται επιτακτική η χρήση δοχείων σε κατάσταση
|
||
ανάγνωσης και όχι εγγραφής αλλά και η αποφυγή χρήσης μεταβλητών για την
|
||
αποθήκευση κωδικών. Χρήσιμη επίσης θα ήταν και η εσκεμμένη παράλειψη
|
||
της παραμέτρου \textquote{privileged}.
|
||
|
||
\item \textbf{Ενδιάμεσου (Man-in-the-Middle - MitM)}:
|
||
|
||
Σε μια τέτοια επίθεση ένας κακόβουλος χρήστης προσπαθεί να μπει ανάμεσα
|
||
στην επικοινωνία δύο οντοτήτων με σκοπό να αλλοιώσει, να υποκλέψει ή να
|
||
παρακολουθεί πληροφορίες. Το καλύτερο αντίμετρο είναι η απομόνωση
|
||
δικτύου. Πρέπει να γίνει ρύθμιση των δοχείων με τέτοιο τρόπο ώστε αυτά
|
||
να μην έχουν πρόσβαση στη δικτυακή επικοινωνία του κύριου μηχανήματος ή
|
||
άλλων δοχείων. Αυτά επιτυγχάνονται με χρήση network namespaces, καθώς
|
||
και με την ορθότερη ρύθμιση των API που χρησιμοποιεί το Docker για την
|
||
επικοινωνία μέσω δικτύου.
|
||
|
||
\item \textbf{Πλαστογράφηση ARP (ARP spoofing)}:
|
||
|
||
Σε μια επίθεση πλαστογράφησης Address Resource Protocol (ARP), ο
|
||
επιτιθέμενος επιχειρεί να στείλει ψεύτικα ARP μηνύματα σε ένα δίκτυο
|
||
τοπικής περιοχής (Local Area Network - LAN). Είναι πιθανό να
|
||
προσποιηθεί πως η συσκευή του είναι μια από τις συσκευές της
|
||
επιχείρησης, αλλάζοντας τη MAC διεύθυνσή του στην IP μιας συσκευής που
|
||
το σύστημα αναγνωρίζει. Επομένως, το σύστημα της επιχείρησης, θα
|
||
συμπεριφέρεται στην συσκευή του επιτιθέμενου με τον ίδιο τρόπο που θα
|
||
συμπεριφερόταν στην αυθεντική συσκευή. Δηλαδή, στέλνοντας σε αυτόν όλα
|
||
τα πακέτα και τα δεδομένα που προορίζονταν για εκείνη. Το Docker
|
||
χρησιμοποιεί το ARP για να κάνει την αντιστοίχιση IPv4 σε MAC
|
||
διευθύνσεις, οι οποίες χρησιμοποιούνται από την εικονική γέφυρα δικτύου
|
||
για να διανέμουν σωστά τα πλαίσια (frames) Ethernet αφού δεν υπάρχει
|
||
φίλτρο για τα πακέτα ARP και επομένως κανένας μηχανισμός άμυνας. Γι'
|
||
αυτό τον λόγο ένα δοχείο μπορεί να προσποιηθεί ότι είναι ένα άλλο ή
|
||
ακόμα και το κύριο μηχάνημα. Στην περίπτωση παραβίασης ενός δοχείου,
|
||
υπάρχει κίνδυνος ο επιτιθέμενος να υποκλέψει μυστικά της επιχείρησης ή
|
||
των τελικών χρηστών της υπηρεσίας που η επιχείρηση προσφέρει. Ένας από
|
||
τους τρόπους που βοηθάει στην αποφυγή τέτοιας επίθεσης είναι η εκτέλεση
|
||
δοχείων δίχως το NET\_RAW capability, αφού έτσι τα προγράμματα μέσα στο
|
||
δοχείο δε θα μπορούν να δημιουργήσουν PF\_PACKET sockets και θα ήταν
|
||
αδύνατη η διεκπεραίωση της επίθεσης. Βέβαια, αυτή η μέθοδος έχει
|
||
μειονεκτήματα αφού μπορεί αυτή η ικανότητα να ήταν άκρως απαραίτητη για
|
||
την ορθή λειτουργία της υπηρεσίας. Επομένως, μια εναλλακτική μέθοδος
|
||
προστασίας είναι η χρήση \textquote{ebtables} για φιλτράρισμα πλαισίων
|
||
Ethernet ούτως ώστε ARP πακέτα με λάθος πρωτόκολλο αποστολέα ή
|
||
διεύθυνση MAC να ανιχνεύονται εγκαίρως και να απορρίπτονται.
|
||
|
||
\end{itemize}
|