Mikroreplikation für zuverlässige netzwerkbasierte Dienste

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Tobias Distler
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541017677

Netzwerkbasierte Dienste wie replizierte Datenbanken, verteilte Dateisysteme oder Blockchains sind grundlegende Bausteine heutiger IT-Infrastrukturen und müssen daher in der Lage sein, ein breites Spektrum an Problemszenarien zu bewältigen, das von Hardware-Ausfällen über Software-Fehlverhalten bis hin zu Angriffen reicht. Zwar existieren bereits diverse fehler- und einbruchstolerante Protokolle zur Replikation von Zustandsmaschinen, allerdings ist es alles andere als trivial diese auf Basis ihrer komplexen und oftmals unvollständigen Spezifikationen zu implementieren. Dies führt zumeist zu einer Anfälligkeit von Systemen gegenüber korrelierten Fehlern oder Angriffen, beispielsweise immer dann, wenn zur Reduzierung von Entwicklungs- und Wartungskosten bei allen Replikaten eines Systems dieselbe Implementierung zum Einsatz kommt. Ziel des Mirador-Projekts ist es, diese Lücke zwischen Theorie und Praxis verschwinden zu lassen, und zwar mit Hilfe einer neuen Herangehensweise zur Spezifizierung und Implementierung zuverlässiger Systeme: Mikroreplikation. Anders als traditionelle Systeme umfassen mikroreplizierte Architekturen keine komplexen Replikate, sondern bestehen stattdessen aus lose gekoppelten Mikroreplikatgruppen, die jeweils ausschließlich für einen bestimmten Protokollschritt verantwortlich sind. Der daraus folgende geringe Funktionsumfang jedes einzelnen Mikroreplikats macht es dabei deutlich einfacher, die Vollständigkeit und Korrektheit von sowohl Spezifikationen als auch Implementierungen zu beurteilen. Da Mikroreplikate darüber hinaus über einen einheitlichen inneren Aufbau verfügen, erleichtern sie zudem eine Diversifizierung auf Replikats-, Kommunikations- sowie Authentifizierungsebene. Ausgehend von diesem grundlegenden Konzept erforscht das Mirador-Projekt die Verwendung von Mikroreplikation als zentrales Instrument für den Bau zuverlässiger Systeme und untersucht ihre Flexibilität durch Entwicklung mikroreplizierter Architekturen für unterschiedliche Fehlermodelle (Ausfälle und byzantinische Fehler). Hierbei liegt der Fokus vor allem auf zwei Problemfeldern: Zum einen soll die Widerstandsfähigkeit mikroreplizierter Systeme gestärkt werden, indem man sie in die Lage versetzt, sich zur Laufzeit selbst zu heilen. Dies erfordert unter anderem Mechanismen zur Wiederherstellung bzw. nachträglichen Integration von Mikroreplikaten. Zum anderen soll eine hohe Performanz und Effizienz mikroreplizierter Systeme sowie den auf ihnen laufenden Anwendungen erreicht werden. Neben neuen Techniken zur Aufwandsreduzierung unter Zuhilfenahme optimistischer Ansätze umfasst dies auch die Auslagerung von Vorverarbeitungsschritten auf vorgeschaltete Mikroreplikatgruppen. Für die Evaluierung der entwickelten Konzepte, Protokolle und Mechanismen wird im Rahmen des Projekts eine mikroreplizierte Plattform aufgebaut, welche die Durchführung von Experimenten in diversen Konfigurationen und mit einer Vielfalt von Anwendungen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen