Confiabilidade de Sistemas Distribuídos

Caracterização geral

Pré-requisitos

Não existe um sistema de precedências formal ou obrigatório no cursp de Mestrado Integrado em Engenharia Informática, para além do que resulta da estrutura curricular e adequabilidade de  matérias relacionadas no plano curricular, como requisitos para os objetivos da cadeira de Confiabilidade de Sisemas Distribuídos, enquanto cadeira de especialziação no curso. Apontam-se os seguintes requisitos como aspectos a serem considerados pelos alunos que pretendam frequentar a unidade curricular de CSD:

• Conhecimentos prévios associados à frequência das disciplinas de Redes de Computadores, Sistemas Distribuídos e Segurança de Redes e Sistemas de Computadores e Fundamentos de Sistemas Operativos
• Podem ser particularmente interessantes o domínio de conhecimentos em Algorimos de SIstemas Distribuídos e Programação de Algoritmos para Sistemas Distribuídos, incluindo conhecmentos de concorrência, com prática de programação de sistemas multi-thread em linguagens de programação anteriormente utilizadas (ex., Java)
• Muito implortante ter conhecimentos prévios de criptografia aplicada e programação com métodos e algoritmos criptográficos (ex., Java / Java JCE), programação com canais TLS (Java JSSE), desenvolvimento de serviços e endpoints REST/HTTPS)
• Conhecimentos de Redes de Computadores e domínio de protocolos da pilha TCP/IP (ex., HTTP, DNS, TCP, UDP, IP, IEEE802.1/802.11)
• Competências práticas anteriores em programação (ex., linguagens Java, Go or C#), e domínio de ambientes de desenvolvimento para programação nessas linguagems (ex., Eclipse IDE ou outro), bem como ferramentas associadas ao desenvolvimento de projetos Java, C#, Maven e interação com repsositórios de gestão de projetos, como por exemplo GitHub e respetivas ferramentas
• É bastante recomendável que os alunos possuam boa autonomia e bons conhecimentos em sistemas operativos de base UNIX (ex., Distribuições Linux ou Mac OS X), prática e autonomia para trabalhar em ambienet shell / consola, bem como  prática de instalação e uso de ambientes para virtualização  (ex., plataformas VMWare, VirtualBox e instalação/setup de máquinas virtuais) ou prática inicial com contentorização de serviços e aplciações (ex., Docker, Docker Compose)

Bibliografia

• W. Zhao, Building Dependable Distributed Systems, Wiley, 2014
• C. Cachin, R. Guerraoui, L. Rodrigues, Introduction to Reliable and Secure Distributed Programming, 2nd Ed - Springer, 2011
• Michel Raynal. Fault-Tolerant Message-Passing Distributed Systems: An Algorithmic Approach. Springer. 2018.

Referências complementares

• W. Stallings, Information Privacy Engineeirng and Privacy by Design, Pearson, 2020
• W. Stallings, Cryptography and Network Security 8th Ed. Pearson, 2020
• M. Correia, P. Sousa, Segurança no Software, FCA Ed. 2017
• R. Anderson, A Guide to Building Dependable Distributed Systems, Wiley, 2020

Obs) Nas aulas são enquadradas leituras especificas de artigos para casos de estudo no programa. Materias de orientação para atividades em laboratório e para suporte de trabalhos práticos serão também disponibilizados durante as aulas

Método de ensino

Dependendo do número de turmas e alunos, as aulas podem ser leccionadas em português ou em inglês. Os materiais e a bibliografia estão dipsoníveis em língua inglesa.

No funcionamento da unidade curricular as aulas teóricas são enquadradas para transmissão  e discussão de conceitos fundamentais e leituras sugeridas, abrangendo os tópicos do programa. As aulas práticas são desenvolvidas em ambiente laboratorial para realização de exercícios "hands-on" e trabalhos práticos com respetiva análise e avaliação experimental, incluindo o desenvolvimento ou demonstrações de trabalhos de avaliação obrigatória. 

Nas aulas práticas decorrem também apresentações ou demonstrações tutoriais, com enquadramento teórico-prático ou de demonstração de técnicas, ferramentas e operação de algoritmos, podendo estes serem motivados por exercícios de verificação e correção. Na fase de desenvolvimento de trabalhos práticos de avaliação a realizar pelos alunos as aulas práticas enquadram ainda o esclarecimento de dúvidas ou suporte ao desenvolvimento desses trabalhos.

Componentes de avaliação

• Testes de frequência: 2 testes de frequência com avaliação individual (T1, T2)
• Os testes avaliam os conhecimentos teóricos cobrindo os tópicos do programa leccionado nas aulas teóricas e leituras recomendadas para preparação dos testes. 
• Os testes são realizados presencialmente na FCT/UNL.
• Os testes são individuais e podem conter questões para resposta com e sem consulta (em partes diferenciadas). Para a parte com cosulta os alunso podem usar materiais impressos e para uso individual, não sendo permitido o uso de dispositivos eletrónicos.

• Avaliação prática para obtenção de frequência
• Avaliação de dois projetos de implementação obrigatórios realizados em grupo (com 2 alunos/grupo), com parte de avaliação individualizada
• Avaliação contínua opcional (cobrindo desenvolvimentos, participação individual e realização de objetivos nas aulas)

Condições de Aprovação e Critérios de Avaliação

As condições de obtenção de frequência bem como as regras de avaliação e condições de aprovação estão definidos na secção "Métodos de Avaliação".

Método de avaliação

Componentes de avaliação:

• T1, T2: 2 testes de frequência com duas partes: sem consulta (PSC) e com consulta (PCC) 
• Parte com consulta: apenas podem ser usados materiais individuais impressos em papel
• Parte sem consulta pode conter questões sobre o desnvolvimento prático dos projetos
• P1, P2: 2 projectos com realização e entrega obrigatória nos prazos que forem definidos
• Projetos desenvolvidos em grupo (ref. 2 alunos/grupo)
• E: Exame final de recurso
• Todos os elementos de avaliação são avaliados na escala de 0-20 valores, com classificação arredondada à décima de valor.

Regras de avaliação dos testes (T1 e T2):

• Nota de cada teste (NT) é avaliada da seguinte forma: 
• NT = max (45% PSC + 55% PCC; 55% PSC + 45% PCC)

Regras de avaliação dos projetos (P1 e P2):

• Avaliação de cada projeto (P): 
• P = 75% G + 25% I
• G: avaliação do trabalho de grupo
• I: componente de avaliação individualizada decorrente de demostração, conhecimento individual demonstrado (10%), contribuição para o desenvolvimento no trabalho do grupo (10%) e autoavaliação interna do grupo (5%)

Avaliação e obtenção de frequência (F):

• Classificação da frequência (F):
• F = 50% P1 + 50% P2
• Condições de obtenção de frequência
• F deve ser maior que 7,5 em escala de 0-20 valores
• A avaliação de qualquer um dos projetos deve ser maior que 7,5 em escala de 0-20 valores

Obtenção de aprovação com avaliação de frequência (AF)

• O cálculo da avaliação de frequência (AF) faz-se do seguinte modo:
• AF = 45% F + 25% T1 + 30% T2
• Condições conjugadas para aprovação com frequência:
• AF maior ou igual a 9,5/20 
• T1 maior ou igual a 7,5/20 
• T2 maior ou igual a 7,5/20

Obtenção de aprovação com exame final (EF)

• Avaliação com exame final (AEF):
• AEF = 45% AF + 55% EF
• Para obtenção de aprovação é necessário que se verifiquem todas as seguintes condições:
• EF  maior ou igual a 7,5/20
• F maior ou igual a 7,5/20
• AEF maior ou igual a 9,5/20

Conteúdo

Programa resumido

• Introdução
• Canais para comunicação fiável e segura
• Técnicas, mecanismos e serviços para sistemas distribuídos confiáveis
• Tolerância a falhas bizantinas e tolerância a intrusões
• Prevenção, deteção e recuperação de intrusões
• Plataformas Blockchain
• Preservação de privacidade
• Ambientes de computação confiável e computação confidencial

Programa detalhado:

1. Introdução

• Conceitos, propriedades, atributos e métricas para sistemas confiáveis
• Modelos de falha e modelos de adversário
• Modelação e representação para sistemas distribuídos confiáveis
• Descentralização de bases de confiança
• Pilhas de software, mecanismos e serviços para sistemas confiáveis
• Descentralização, Web3 e descentralização em Blockchains

2. Canais para comunicação fiável e segura

• Comunicação ponto a ponto, multiponto e por difusão
• Técnicas criptográficas relevantes
• Protocolos e padrões de segurança para canais de comunicação
• Túneis de comunicação segura extremo-a-extremo
• Canais de difusão fiável e segura de mensagens
• Abstrações e primitivas para canais de comunicação fiável
• Estudo de casos: pilhas de protocolos e algoritmos para comunicação fiável e segura

3. Técnicas e mecanismos para sistemas distribuídos confiáveis

• Logging e checkpointing
• Recuperação de estado com técnicas rollback e rollforward
• Registos de escrita e leitura
• Quóruns
• Replicação de máquinas de estado
• Consistência e durabilidade
• Soluções com diversidade
• Aleatoriedade confiável
• Isolamento ou confinamento e ambientes de computação confiável

4. Tolerância a falhas bizantinas e tolerância a intrusões

• Quóruns e quóruns bizantinos
• Consenso. Impossibilidade FLP e técnicas de contorno do problema
• Consenso síncrono
• Consenso assíncrono
• Consenso com tolerância a falhas bizantinas
• Ataques sibilinos e sua proteção
• Concepção e estudo de implementações práticas:
• RAFT and Byzantine-RAFT; Minisec, BFT-SMaRt 
• Consenso probabilístico e consenso com aleatoriedade
• Consenso com diversidade
• Estudo de casos

5. Prevenção e deteção de intrusões

• Técnicas e meios de defesa de perímetro. 
• Sistemas de prevenção de intrusões
• Sistemas de deteção de intrusões
• HIDS, NIDS, HIDS, Honeypots e Honeynets
• Plataformas SIEM
• Recuperação reativa e proativa de intrusões
• Técnicas com diversidade e exemplos de aproximações
• Pilhas de software com diversidade
• Programação com versionamento (N-Versioing)
• Solução com nuvens de nuvens
• Ataques de negação de serviço (DoS, DDoS, Botnets) e contramedidas

6. Plataformas e tecnologias Blockchain

• Origens e tipologias de plataformas Blockchain e suas aplicações
• Casos de estudo: Bitcoin, Ethereum, HLF e CORDA
• Bitcoin scripts e programação com smartcontracts
• Planos de serviços e componentes numa plataforma Blockchain
• Consensos com tolerância a falhas bizantinas e soluções de consenso para Blockchains
• Métricas de desempenho em Blockchains
• Noção de finalidade e latência da finalidade
• Modelos e mecanismos de consenso: PoW, PoS, PBFT, PoET, PoH, PoB e outras soluções
• Limitações em plataformas Blockchain e desafios para soluções melhoradas de escalabilidade, operação sustentavel e desempenho 
• Estudo de casos

7. Preservação de privacidade

• Técnicas de preservação de privacidade e tipologias de soluções
• Técnicas de criptografia aplicada à privacidade
• Operações com dados cifrados: técnicas security-at-the-rest e criptografia homomórfica
• Criptografia pesquisável
• Criptografia funcional
• Cifras baseadas em propriedades e cifras por atributos
• Outras técnicas: 
• Anonimização de dados
• Privacidade diferencial
• Ténicas de partilha de segredos
• Criptografia de limiar
• Privacidade de computações multiparticipante
• Comunicação, memória e armazenamento com esquecimento
• Fragmentação com códigos de apagamento
• Técnicas para comunicação anonimizada e privada
• Estudo de casos: 
• Rede Tor e Mixnets
• Soluções de privacidade para bases de dados
• Blockchains com privacidade

8. Computação confiável e confidencial

• Hardware criptográfico, HSMs e TPMs
• Confiabilidade com atestação de software
• Tecnologias e ambientes de execução confiável
• Virtualização e isolamento em hardware
• Tecnologias de referência:  IntelSGX, TrustZone, AMD-SEV
• Programação com ambientes de execução confiável 
• Computação confidencial

Cursos

Cursos onde a unidade curricular é leccionada: