數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全技術(shù)框架綜述

2019-11-03 08:58:51

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供稿：網(wǎng)友

林育生曹磊張堯弼

　　1. 前言

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用十分廣泛，深入到各個領(lǐng)域，但隨之而來產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的安全問題。各種應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)的安全問題、敏感數(shù)據(jù)的防竊取和防篡改問題，越來越引起人們的高度重視。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)作為信息的聚集體，是計算機(jī)信息系統(tǒng)的核心部件，其安全性至關(guān)重要，關(guān)系到企業(yè)興衰、國家安全。因此，如何有效地保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保密性、完整性和有效性，已經(jīng)成為業(yè)界人士探索研究的重要課題之一，本文就安全防入侵技術(shù)做簡要的討論。

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全除依賴自身內(nèi)部的安全機(jī)制外，還與外部網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、應(yīng)用環(huán)境、從業(yè)人員素質(zhì)等因素息息相關(guān)，因此，從廣義上講，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全框架可以劃分為三個層次：

　?、?網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層次；

　?、?宿主操作系統(tǒng)層次；

　?、?數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層次。

　　這三個層次構(gòu)筑成數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全體系，與數(shù)據(jù)安全的關(guān)系是逐步緊密的，防范的重要性也逐層加強(qiáng)，從外到內(nèi)、由表及里保證數(shù)據(jù)的安全。下面就安全框架的三個層次展開論述。

　　2. 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層次安全技術(shù)

　　從廣義上講，數(shù)據(jù)庫的安全首先倚賴于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。隨著Internet的發(fā)展普及，越來越多的公司將其核心業(yè)務(wù)向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)移，各種基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，面向網(wǎng)絡(luò)用戶提供各種信息服務(wù)。可以說網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的外部環(huán)境和基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)要發(fā)揮其強(qiáng)大作用離不開網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的支持，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的用戶（如異地用戶、分布式用戶）也要通過網(wǎng)絡(luò)才能訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全是數(shù)據(jù)庫安全的第一道屏障，外部入侵首先就是從入侵網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開始的。網(wǎng)絡(luò)入侵試圖破壞信息系統(tǒng)的完整性、機(jī)密性或可信任的任何網(wǎng)絡(luò)活動的集合，具有以下特點(diǎn)：

　　a）沒有地域和時間的限制，跨越國界的攻擊就如同在現(xiàn)場一樣方便；

　　b）通過網(wǎng)絡(luò)的攻擊往往混雜在大量正常的網(wǎng)絡(luò)活動之中，隱蔽性強(qiáng)；

　　c）入侵手段更加隱蔽和復(fù)雜。

　　計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開放式環(huán)境面臨的威脅主要有以下幾種類型：a)欺騙（Masquerade）；b)重發(fā)(Replay)；c)報文修改(Modification of message)；d)拒絕服務(wù)(Deny of service)；e)陷阱門(Trapdoor)；f)特洛伊木馬(Trojan horse)；g)攻擊如透納攻擊（Tunneling Attack）、應(yīng)用軟件攻擊等。這些安全威脅是無時、無處不在的，因此必須采取有效的措施來保障系統(tǒng)的安全。

　　從技術(shù)角度講，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)層次的安全防范技術(shù)有很多種，大致可以分為防火墻、入侵檢測、協(xié)作式入侵檢測技術(shù)等。

　　⑴防火墻。防火墻是應(yīng)用最廣的一種防范技術(shù)。作為系統(tǒng)的第一道防線，其主要作用是監(jiān)控可信任網(wǎng)絡(luò)和不可信任網(wǎng)絡(luò)之間的訪問通道，可在內(nèi)部與外部網(wǎng)絡(luò)之間形成一道防護(hù)屏障，攔截來自外部的非法訪問并阻止內(nèi)部信息的外泄，但它無法阻攔來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的非法操作。它根據(jù)事先設(shè)定的規(guī)則來確定是否攔截信息流的進(jìn)出，但無法動態(tài)識別或自適應(yīng)地調(diào)整規(guī)則，因而其智能化程度很有限。防火墻技術(shù)主要有三種：數(shù)據(jù)包過濾器(packet filter)、代理(PRoxy)和狀態(tài)分析(stateful inspection)。現(xiàn)代防火墻產(chǎn)品通?；旌鲜褂眠@幾種技術(shù)。

　?、迫肭謾z測。入侵檢測(IDS-- Instrusion Detection System)是近年來發(fā)展起來的一種防范技術(shù)，綜合采用了統(tǒng)計技術(shù)、規(guī)則方法、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、人工智能、密碼學(xué)、推理等技術(shù)和方法，其作用是監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)系統(tǒng)是否出現(xiàn)被入侵或?yàn)E用的征兆。1987年，Derothy Denning首次提出了一種檢測入侵的思想，經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，作為監(jiān)控和識別攻擊的標(biāo)準(zhǔn)解決方案，IDS系統(tǒng)已經(jīng)成為安全防御系統(tǒng)的重要組成部分。

　　入侵檢測采用的分析技術(shù)可分為三大類：簽名、統(tǒng)計和數(shù)據(jù)完整性分析法。

　　①簽名分析法。主要用來監(jiān)測對系統(tǒng)的已知弱點(diǎn)進(jìn)行攻擊的行為。人們從攻擊模式中歸納出它的簽名，編寫到IDS系統(tǒng)的代碼里。簽名分析實(shí)際上是一種模板匹配操作。

　?、诮y(tǒng)計分析法。以統(tǒng)計學(xué)為理論基礎(chǔ)，以系統(tǒng)正常使用情況下觀察到的動作模式為依據(jù)來判別某個動作是否偏離了正常軌道。

　?、蹟?shù)據(jù)完整性分析法。以密碼學(xué)為理論基礎(chǔ)，可以查證文件或者對象是否被別人修改過。

　　IDS的種類包括基于網(wǎng)絡(luò)和基于主機(jī)的入侵監(jiān)測系統(tǒng)、基于特征的和基于非正常的入侵監(jiān)測系統(tǒng)、實(shí)時和非實(shí)時的入侵監(jiān)測系統(tǒng)等。

　　⑶協(xié)作式入侵監(jiān)測技術(shù)

　　獨(dú)立的入侵監(jiān)測系統(tǒng)不能夠?qū)V泛發(fā)生的各種入侵活動都做出有效的監(jiān)測和反應(yīng)，為了彌補(bǔ)獨(dú)立運(yùn)作的不足，人們提出了協(xié)作式入侵監(jiān)測系統(tǒng)的想法。在協(xié)作式入侵監(jiān)測系統(tǒng)中，IDS基于一種統(tǒng)一的規(guī)范，入侵監(jiān)測組件之間自動地交換信息，并且通過信息的交換得到了對入侵的有效監(jiān)測，可以應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　3. 宿主操作系統(tǒng)層次安全技術(shù)

　　操作系統(tǒng)是大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的運(yùn)行平臺，為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供一定程度的安全保護(hù)。目前操作系統(tǒng)平臺大多數(shù)集中在Windows NT 和Unix，安全級別通常為C1、C2級。主要安全技術(shù)有操作系統(tǒng)安全策略、安全管理策略、數(shù)據(jù)安全等方面。

　　操作系統(tǒng)安全策略用于配置本地計算機(jī)的安全設(shè)置，包括密碼策略、賬戶鎖定策略、審核策略、ip安全策略、用戶權(quán)利指派、加密數(shù)據(jù)的恢復(fù)代理以及其它安全選項[7]。具體可以體現(xiàn)在用戶賬戶、口令、訪問權(quán)限、審計等方面。

　　用戶賬戶：用戶訪問系統(tǒng)的"身份證"，只有合法用戶才有賬戶。

　　口令：用戶的口令為用戶訪問系統(tǒng)提供一道驗(yàn)證。

　　訪問權(quán)限：規(guī)定用戶的權(quán)限。

　　審計：對用戶的行為進(jìn)行跟蹤和記錄，便于系統(tǒng)管理員分析系統(tǒng)的訪問情況以及事后的追查使用。

　　安全管理策略是指網(wǎng)絡(luò)管理員對系統(tǒng)實(shí)施安全管理所采取的方法及策略。針對不同的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境需要采取的安全管理策略一般也不盡相同，其核心是保證服務(wù)器的安全和分配好各類用戶的權(quán)限。

　　數(shù)據(jù)安全主要體現(xiàn)在以下幾個方面：數(shù)據(jù)加密技術(shù)、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)存儲的安全性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘??？梢圆捎玫募夹g(shù)很多，主要有Kerberos認(rèn)證、IPSec、SSL、TLS、VPN（PPTP、L2TP）等技術(shù)。

　　4. 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層次安全技術(shù)

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全性很大程度上依賴于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。如果數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)安全機(jī)制非常強(qiáng)大，則數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全性能就較好。目前市場上流行的是關(guān)系式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其安全性功能很弱，這就導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全性存在一定的威脅。

　　由于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在操作系統(tǒng)下都是以文件形式進(jìn)行管理的，因此入侵者可以直接利用操作系統(tǒng)的漏洞竊取數(shù)據(jù)庫文件，或者直接利用OS工具來非法偽造、篡改數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)容。這種隱患一般數(shù)據(jù)庫用戶難以察覺，分析和堵塞這種漏洞被認(rèn)為是B2級的安全技術(shù)措施。

　　數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層次安全技術(shù)主要是用來解決這一問題，即當(dāng)前面兩個層次已經(jīng)被突破的情況下仍能保障數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的安全，這就要求數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須有一套強(qiáng)有力的安全機(jī)制。解決這一問題的有效方法之一是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行加密處理，使得即使數(shù)據(jù)不幸泄露或者丟失，也難以被人破譯和閱讀。

　　我們可以考慮在三個不同層次實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加密，這三個層次分別是OS層、DBMS內(nèi)核層和DBMS外層。

　?、旁贠S層加密。在OS層無法辨認(rèn)數(shù)據(jù)庫文件中的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而無法產(chǎn)生合理的密鑰，對密鑰合理的管理和使用也很難。所以，對大型數(shù)據(jù)庫來說，在OS層對數(shù)據(jù)庫文件進(jìn)行加密很難實(shí)現(xiàn)。

　?、圃贒BMS內(nèi)核層實(shí)現(xiàn)加密。這種加密是指數(shù)據(jù)在物理存取之前完成加/脫密工作。這種加密方式的優(yōu)點(diǎn)是加密功能強(qiáng)，并且加密功能幾乎不會影響DBMS的功能，可以實(shí)現(xiàn)加密功能與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的無縫耦合。其缺點(diǎn)是加密運(yùn)算在服務(wù)器端進(jìn)行，加重了服務(wù)器的負(fù)載，而且DBMS和加密器之間的接口需要DBMS開發(fā)商的支持。

　　定義加密要求工具

　　DBMS

　　數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)

　　加密器

　?。ㄜ浖蛴布?

　?、窃贒BMS外層實(shí)現(xiàn)加密。比較實(shí)際的做法是將數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)做成DBMS的一個外層工具，根據(jù)加密要求自動完成對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加/脫密處理：

　　定義加密要求工具加密器

　　（軟件或硬件）

　　DBMS

　　數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)

　　采用這種加密方式進(jìn)行加密，加/脫密運(yùn)算可在客戶端進(jìn)行，它的優(yōu)點(diǎn)是不會加重數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的負(fù)載并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上傳輸?shù)募用?，缺點(diǎn)是加密功能會受到一些限制，與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的耦合性稍差。

　　下面我們進(jìn)一步解釋在DBMS外層實(shí)現(xiàn)加密功能的原理：

　　數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)分成兩個功能獨(dú)立的主要部件：一個是加密字典管理程序，另一個是數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎。數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)將用戶對數(shù)據(jù)庫信息具體的加密要求以及基礎(chǔ)信息保存在加密字典中，通過調(diào)用數(shù)據(jù)加/脫密引擎實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表的加密、脫密及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。數(shù)據(jù)庫信息的加/脫密處理是在后臺完成的，對數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是透明的。

　　加密字典管理程序

　　加密系統(tǒng)

　　應(yīng)用程序

　　數(shù)據(jù)庫加脫密引擎

　　數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

　　加密字典

　　用戶數(shù)據(jù)

　　按以上方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)：首先，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的最終用戶是完全透明的，管理員可以根據(jù)需要進(jìn)行明文和密文的轉(zhuǎn)換工作；其次，加密系統(tǒng)完全獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，無須改動數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密功能；第三，加解密處理在客戶端進(jìn)行，不會影響數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的效率。

　　數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎是數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)的核心部件，它位于應(yīng)用程序與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器之間，負(fù)責(zé)在后臺完成數(shù)據(jù)庫信息的加/脫密處理，對應(yīng)用開發(fā)人員和操作人員來說是透明的。數(shù)據(jù)加/脫密引擎沒有操作界面，在需要時由操作系統(tǒng)自動加載并駐留在內(nèi)存中，通過內(nèi)部接口與加密字典管理程序和用戶應(yīng)用程序通訊。數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎由三大模塊組成：加/脫密處理模塊、用戶接口模塊和數(shù)據(jù)庫接口模塊，如圖4所示。其中，"數(shù)據(jù)庫接口模塊"的主要工作是接受用戶的操作請求，并傳遞給"加/脫密處理模塊"，此外還要代替"加/脫密處理模塊"去訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并完成外部接口參數(shù)與加/脫密引擎內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換。"加/脫密處理模塊"完成數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎的初始化、內(nèi)部專用命令的處理、加密字典信息的檢索、加密字典緩沖區(qū)的管理、SQL命令的加密變換、查詢結(jié)果的脫密處理以及加脫密算法實(shí)現(xiàn)等功能，另外還包括一些公用的輔助函數(shù)。

　　數(shù)據(jù)加/脫密處理的主要流程如下：

　　1）對SQL命令進(jìn)行語法分析，如果語法正確，轉(zhuǎn)下一步；如不正確，則轉(zhuǎn)6），直接將SQL命令交數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理。

　　2）是否為數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎的內(nèi)部控制命令？如果是，則處理內(nèi)部控制命令，然后轉(zhuǎn)7）；如果不是則轉(zhuǎn)下一步。

　　3）檢查數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎是否處于關(guān)閉狀態(tài)或SQL命令是否只需要編譯？如果是則轉(zhuǎn)6），否則轉(zhuǎn)下一步。

　　4）檢索加密字典，根據(jù)加密定義對SQL命令進(jìn)行加脫密語義分析。

　　5） SQL命令是否需要加密處理？如果是，則將SQL命令進(jìn)行加密變換，替換原SQL命令，然后轉(zhuǎn)下一步；否則直接轉(zhuǎn)下一步。

　　6）將SQL命令轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)庫服務(wù)器處理。

　　7） SQL命令執(zhí)行完畢，清除SQL命令緩沖區(qū)。

　　以上以一個例子說明了在DBMS外層實(shí)現(xiàn)加密功能的原理。

　　5. 結(jié)束語

　　本文對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全防入侵技術(shù)進(jìn)行綜述，提出了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的安全體系三個層次框架，并對三個層次的技術(shù)手段展開描述。文中還以在DBMS外層實(shí)現(xiàn)加密功能的原理為例，詳細(xì)說明了如何應(yīng)用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)層次的安全技術(shù)。

　　數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全框架的三個層次是相輔相承的，各層次的防范重點(diǎn)和所采取的技術(shù)手段也不盡相同，一個好的安全系統(tǒng)必須綜合考慮核運(yùn)用這些技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)的安全。

摘自　上海市計算機(jī)用戶協(xié)會

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