數(shù)據(jù)庫自主安全防護(hù)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)

近年來，有關(guān)數(shù)據(jù)庫的安全事故不斷出現(xiàn)，例如銀行內(nèi)部數(shù)據(jù)信息泄露造成的賬戶資金失密等。因此，高度重視數(shù)據(jù)庫安全防護(hù)很有必要。但一直以來，國內(nèi)數(shù)據(jù)庫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢，市場(chǎng)份額中較大一部分被國外大型數(shù)據(jù)庫企業(yè)占有。這對(duì)于國內(nèi)用戶而言，信息的安全性、穩(wěn)定性等方面都會(huì)受到威脅。有的系統(tǒng)涉及使用多個(gè)數(shù)據(jù)庫，并且對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)庫的安防功能要求各不相同。這樣，在保障整個(gè)系統(tǒng)安全的目標(biāo)下就需要對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行專門配置管理，不但維護(hù)難度很大，而且工作也比較繁重。面對(duì)這些實(shí)際問題，目前的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自帶的安全防護(hù)配置方式已不能勝任,如何提出一個(gè)靈活獨(dú)立的安全防護(hù)系統(tǒng)迫在眉睫。
1 相關(guān)安全防護(hù)技術(shù)介紹
    目前，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面臨的主要威脅有：(1)對(duì)數(shù)據(jù)庫的不正確訪問引起數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤。(2)為了某種目的，故意破壞數(shù)據(jù)庫。(3)非法訪問不該訪問的信息，且又不留痕跡；未經(jīng)授權(quán)非法修改數(shù)據(jù)。(4)使用各種技術(shù)攻擊數(shù)據(jù)庫等。多年來，人們?cè)诶碚摵蛯?shí)踐上對(duì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全的研究做出了巨大的努力，也取得了很多成果。參考文獻(xiàn)[1-2]介紹了保護(hù)數(shù)據(jù)庫安全的常用技術(shù)，包括：存取管理技術(shù)、安全管理技術(shù)、以及數(shù)據(jù)庫加密技術(shù)，并給出了一些實(shí)現(xiàn)途徑。其中，訪問控制和安全審計(jì)作為數(shù)據(jù)庫安全的主要保障措施受到了人們廣泛關(guān)注，參考文獻(xiàn)[3]對(duì)訪問控制技術(shù)中的基本策略進(jìn)行了總結(jié)，給出了實(shí)現(xiàn)技術(shù)及各自的優(yōu)缺點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[4]主要針對(duì)權(quán)限建模過程中的權(quán)限粒度問題做了分析，并提出一個(gè)基于角色的訪問控制框架。進(jìn)入21世紀(jì)以后，訪問控制模型的研究重點(diǎn)開始逐漸由集中式封閉環(huán)境轉(zhuǎn)向開放式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，一方面結(jié)合不同的應(yīng)用，對(duì)原有傳統(tǒng)模型做改進(jìn)，另一方面，也提出一些新的訪問控制技術(shù)和模型，比較著名的有信任管理、數(shù)字版權(quán)管理和使用控制模型 [5]。審計(jì)通過對(duì)數(shù)據(jù)庫內(nèi)活動(dòng)的記錄和分析來發(fā)現(xiàn)異常并產(chǎn)生報(bào)警的方式來加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的安全性[6]。目前，在我國使用的商品化關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)大都提供了C2級(jí)的審計(jì)保護(hù)功能，但實(shí)現(xiàn)方式和功能側(cè)重有所不同。周洪昊等人[7]分析了Oracle、SQL Server、DB2、Sybase的審計(jì)功能，分別從審計(jì)系統(tǒng)的獨(dú)立性、自我保護(hù)能力、全面性和查閱能力四個(gè)方面對(duì)審計(jì)功能做出改進(jìn)[7]。參考文獻(xiàn)[8]則針對(duì)審計(jì)信息冗余、審計(jì)配置方式死板以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析能力不足等問題，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已有的審計(jì)模塊基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種新型的數(shù)據(jù)庫安全審計(jì)系統(tǒng)。
　但所有的這些工作都是從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的角度出發(fā)，并沒有從本質(zhì)上解決安全防護(hù)對(duì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的依賴性問題，用戶還是很難對(duì)數(shù)據(jù)庫提供自主的安全防護(hù)功能。如果能將安全防護(hù)從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中徹底獨(dú)立出來，針對(duì)不同的應(yīng)用需求允許用戶自己實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)功能模塊并在邏輯上加入到數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)中，這樣問題也就迎刃而解了。
    通過以上分析，本文提出一種獨(dú)立于具體數(shù)據(jù)庫、可組態(tài)的安全防護(hù)模型，并給出具體的實(shí)現(xiàn)方法。該模型將安全防護(hù)從數(shù)據(jù)庫完全獨(dú)立出來，在多數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)集中配置安防，滿足用戶對(duì)于自主防護(hù)功能的需求。并在開源的嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品SQLITE中做了功能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型切實(shí)可行，達(dá)到了預(yù)想的效果，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，又大大提高了系統(tǒng)的靈活性。
2 自主安全防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　自主安全防護(hù)系統(tǒng)DSS(Discretionary Safety System)的主要功能是阻止用戶對(duì)信息的非法訪問，在可疑行為發(fā)生時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)設(shè)的告警流程，盡可能防范數(shù)據(jù)庫風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，在非法操作發(fā)生時(shí)，觸發(fā)事先設(shè)置好的防御策略，實(shí)行阻斷，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)防御，并按照設(shè)置對(duì)所發(fā)生的操作進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便事后的分析和追查。
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　在DSS中，安全管理員使用角色機(jī)制對(duì)用戶的權(quán)限進(jìn)行管理，通過制定安全策略來設(shè)置核心部件Sensor以及訪問控制部件。核心部件Sensor偵聽用戶的數(shù)據(jù)庫操作請(qǐng)求，采用命令映射表將不同的命令映射為系統(tǒng)識(shí)別的命令，提取出安全檢查所需要的信息，發(fā)送到訪問控制模塊進(jìn)行安檢。安檢通過了則允許用戶訪問數(shù)據(jù)庫，否則拒絕訪問，同時(shí)根據(jù)審計(jì)規(guī)則生成記錄存入審計(jì)日志。DSS結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    DSS作為獨(dú)立的功能模塊主要通過向Sensor提供數(shù)據(jù)庫的調(diào)用接口的方式保障對(duì)數(shù)據(jù)庫信息安全合理地訪問。系統(tǒng)有一個(gè)默認(rèn)的訪問控制流程，用戶也可以自己設(shè)定安全策略，系統(tǒng)自動(dòng)生成相應(yīng)訪問控制流程。本文約定被訪問的對(duì)象為客體，請(qǐng)求操作的用戶為主體，DSS訪問控制流程如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
     系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主要分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)、用戶登錄與用戶管理、系統(tǒng)相關(guān)策略制定、偵聽器（Sensor）的實(shí)現(xiàn)、訪問控制以及日志審計(jì)六部分。原數(shù)據(jù)庫API信息（dll）、用戶的自主防護(hù)策略作為輸入，Sensor核心一方面將用戶的防護(hù)策略融合在原數(shù)據(jù)庫的API接口中，另一方面記錄用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作并生成日志，提供給用戶做審計(jì)。用戶在使用過程中不需要修改原有系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)自主防護(hù)。系統(tǒng)核心Sensor的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Sensor由API處理模塊、訪問控制模塊(Access Control)、Sensor核心模塊（Core）、注射模塊四部分組成。Core是Sensor的核心部件，主要負(fù)責(zé)攔截接口，解析并分離接口中的重要信息，使程序轉(zhuǎn)入自定義的安檢程序中執(zhí)行安全檢查。Access Control組件實(shí)現(xiàn)不同級(jí)別的訪問控制,根據(jù)用戶提供的安檢信息，組態(tài)出對(duì)應(yīng)的安防模塊，并在合適的時(shí)候調(diào)用其進(jìn)行訪問控制。API（dll）主要將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的接口信息,轉(zhuǎn)化為dll以便Sensor偵聽時(shí)使用。Inject/Eject為Sensor提供遠(yuǎn)程注射的功能。
    Core通過攔截對(duì)API的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)定制功能。程序在調(diào)用API函數(shù)之前，首先要把API所在的動(dòng)態(tài)鏈接庫載入到程序中；然后將API函數(shù)的參數(shù)、返回地址（也就是函數(shù)執(zhí)行完后，下一條語句的地址）、系統(tǒng)當(dāng)前的環(huán)境（主要是一些寄存器的值）壓入系統(tǒng)調(diào)用棧；接著，進(jìn)入到API函數(shù)的入口處開始執(zhí)行API函數(shù)，執(zhí)行過程中從系統(tǒng)調(diào)用棧中取出參數(shù)，執(zhí)行函數(shù)的功能，返回值存放在EAX寄存器中，最終從堆棧中取出函數(shù)的返回值并返回(參數(shù)壓棧的順序還要受到調(diào)用約定的控制，本文不詳細(xì)介紹）。
    舉例說明函數(shù)調(diào)用時(shí)堆棧的情況。假設(shè)調(diào)用約定采用_stdcall,堆棧由高向低遞減，API為Int  func(int a, int b, int c)。系統(tǒng)調(diào)用棧的部分內(nèi)容如表1所示。

    攔截主要通過HOOK API技術(shù)實(shí)現(xiàn)，可以攔截的操作包括DOS下的中斷、Windows中的API調(diào)用、中斷服務(wù)、IFS和NDIS過濾等。目前微軟提供了一個(gè)實(shí)現(xiàn)HOOK的函數(shù)庫Detours。其實(shí)現(xiàn)原理是：將目標(biāo)函數(shù)的前幾個(gè)字節(jié)改為jmp指令跳轉(zhuǎn)到自己的函數(shù)地址，以此接管對(duì)目標(biāo)函數(shù)的調(diào)用，并插入自己的處理代碼。
　HOOK API技術(shù)的實(shí)質(zhì)是改變程序流程。在CPU的指令集中,能夠改變程序流程的指令包括JMP、CALL、INT、RET、RETF、IRET等。理論上只要改變API入口和出口的任何機(jī)器碼，都可以實(shí)現(xiàn)HOOK。但實(shí)際實(shí)現(xiàn)上要復(fù)雜得多,主要需要考慮如何處理好以下問題：(1)CPU指令長(zhǎng)度。在32 bit系統(tǒng)中,一條JMP/CALL指令的長(zhǎng)度是5 B，因此只需要替換API中入口處的前5 B的內(nèi)容，否則會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的后果。(2)參數(shù)。為了訪問原API的參數(shù)，需要通過EBP或ESP來引用參數(shù)，因此需要明確HOOK代碼中此時(shí)的EBP/ESP的值。(3)時(shí)機(jī)問題。有些HOOK必須在API的開頭，如CreateFileA( )。有些必須在API的尾部，如RECV()。(4)程序上下文內(nèi)容的保存。在程序執(zhí)行中會(huì)涉及修改系統(tǒng)棧的內(nèi)容，因此注意保存棧中原有內(nèi)容，以便還原。(5)在HOOK代碼里盡量杜絕全局變量的使用，以降低程序之間的耦合性。通過以上的分析，整理出如圖4所示的實(shí)現(xiàn)的流程。

　DSS與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的安全防護(hù)功能相比，具有以下特點(diǎn)：
　(1)獨(dú)立于具體的數(shù)據(jù)庫。這種獨(dú)立性體現(xiàn)在：①DSS只需要數(shù)據(jù)庫提供其接口信息即可工作。②支持不同標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句，通過數(shù)據(jù)庫命令映射表可將非標(biāo)準(zhǔn)的SQL語句映射為系統(tǒng)設(shè)置的SQL命令。③系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)是獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫的。
    (2)靈活性和針對(duì)性的統(tǒng)一。用戶可以根據(jù)自己的需要配置針對(duì)特定應(yīng)用的相關(guān)規(guī)則。
    (3)完善的自我安全保護(hù)措施。DSS只有數(shù)據(jù)庫安全管理員和安全審計(jì)員才能訪問。安全管理員和安全審計(jì)員是一類特殊的用戶，他們只負(fù)責(zé)安全方面的操作，而不能訪問數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。這與Oracle等的數(shù)據(jù)庫不同,在這些數(shù)據(jù)庫中，DBA可以進(jìn)行所有的操作。DSS系統(tǒng)本身具有故障恢復(fù)能力，能使系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)恢復(fù)到一個(gè)安全的狀態(tài)。
　(4)完備的信息查閱和報(bào)警功能。在DSS中，本文提供了便利的設(shè)計(jì)查閱工具，方便用戶對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。另外，用戶也可以自己定義報(bào)警條件和報(bào)警處理措施，一旦滿足報(bào)警條件，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)地做出響應(yīng)。
3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
　DSS的開發(fā)主要采用VS 2005實(shí)現(xiàn),開發(fā)完成后在一臺(tái)主頻為2.8 GHz、內(nèi)存2 GB、裝有Windows 2000操作系統(tǒng)的普通 PC機(jī)上對(duì)其進(jìn)行了功能和性能的測(cè)試，使用的數(shù)據(jù)庫是開源的嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite 3.6。為了搭建測(cè)試環(huán)境，需要在SQLite中添加初始化系統(tǒng)自身的數(shù)據(jù)字典，并開發(fā)應(yīng)用程序。測(cè)試內(nèi)容包括：登錄、用戶管理、Sensor、訪問控制、日志審計(jì)以及增加DSS前后數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全性變化等功能性測(cè)試和增加DSS系統(tǒng)后對(duì)數(shù)據(jù)庫性能的影響兩方面。其中，性能測(cè)試主要從時(shí)間和資源的增加情況來說明，針對(duì)不同數(shù)據(jù)庫對(duì)象分別在五個(gè)級(jí)別(20 000、40 000、60 000、80 000、100 000)的數(shù)據(jù)上進(jìn)行了插入和查詢操作測(cè)試。為了做好性能對(duì)比，在SQLite中也添加了相同的訪問控制功能,記為Inline Processing。插入操作的測(cè)試結(jié)果如圖5所示,查詢操作的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

    從功能測(cè)試結(jié)果可以看出，DSS可以為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供自主防護(hù)。從性能測(cè)試的結(jié)果中看出，查詢操作和插入操作耗時(shí)相差比較大，這主要是SQLite工作方式引起的，在執(zhí)行用戶的插入操作時(shí)，數(shù)據(jù)庫需將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤數(shù)據(jù)庫文件中，占用了一部分時(shí)間。而查詢時(shí)，SQLite會(huì)將數(shù)據(jù)庫文件部分內(nèi)容緩存起來，加快了查詢的速度。另外,增加DSS會(huì)對(duì)性能有略微的影響，但是它能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自主保護(hù)。
    本文針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全防護(hù)功能配置不靈活的問題，提出了一種基于HOOK技術(shù)的數(shù)據(jù)庫通用安全防護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)在于，它不受數(shù)據(jù)庫自身的約束，完全獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為用戶提供一種按需定制的功能，不僅增加了安防配置的靈活性而且提高了通用性，可以用于不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中。