數(shù)據(jù)庫自主安全防護技術的研究與實現(xiàn)

喬建峰,王晨升,杜冀秦,朱廷劭,徐新國

(1.信息產(chǎn)業(yè)部電子第六研究所，北京 100083；2.北京郵電大學，北京 100876；3.中國科學院研究生院 信息科學與工程學院，北京 100080)

近年來，有關數(shù)據(jù)庫的安全事故不斷出現(xiàn)，例如銀行內部數(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)庫安全防護很有必要。但一直以來，國內數(shù)據(jù)庫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展緩慢，市場份額中較大一部分被國外大型數(shù)據(jù)庫企業(yè)占有。這對于國內用戶而言，信息的安全性、穩(wěn)定性等方面都會受到威脅。由此，用戶希望通過自主安全防護來加強系統(tǒng)的安全性。但出于商業(yè)利益及其他緣由，國外企業(yè)對安全技術進行嚴格封鎖，只提供針對特定數(shù)據(jù)庫的安全措施，很少提供公開調用的內核接口，這些舉措都降低了安全防護的靈活性，加大了自主安全保護的技術難度。此外，應用需求正變得越來越復雜，對數(shù)據(jù)庫安全防護配置的靈活性以及獨立性的要求也在提高。如有的系統(tǒng)涉及使用多個數(shù)據(jù)庫，并且對每個數(shù)據(jù)庫的安防功能要求各不相同。這樣，在保障整個系統(tǒng)安全的目標下就需要對每個數(shù)據(jù)庫進行專門配置管理，不但維護難度很大，而且工作也比較繁重。面對這些實際問題，目前的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自帶的安全防護配置方式已不能勝任,如何提出一個靈活獨立的安全防護系統(tǒng)迫在眉睫。

1 相關安全防護技術介紹

目前，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)面臨的主要威脅有：(1)對數(shù)據(jù)庫的不正確訪問引起數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的錯誤。(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)授權非法修改數(shù)據(jù)。(4)使用各種技術攻擊數(shù)據(jù)庫等。多年來，人們在理論和實踐上對數(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[1-2]介紹了保護數(shù)據(jù)庫安全的常用技術，包括：存取管理技術、安全管理技術、以及數(shù)據(jù)庫加密技術，并給出了一些實現(xiàn)途徑。其中，訪問控制和安全審計作為數(shù)據(jù)庫安全的主要保障措施受到了人們廣泛關注，參考文獻 [3]對訪問控制技術中的基本策略進行了總結，給出了實現(xiàn)技術及各自的優(yōu)缺點。參考文獻[4]主要針對權限建模過程中的權限粒度問題做了分析，并提出一個基于角色的訪問控制框架。進入21世紀以后，訪問控制模型的研究重點開始逐漸由集中式封閉環(huán)境轉向開放式網(wǎng)絡環(huán)境，一方面結合不同的應用，對原有傳統(tǒng)模型做改進，另一方面，也提出一些新的訪問控制技術和模型，比較著名的有信任管理、數(shù)字版權管理和使用控制模型[5]。審計通過對數(shù)據(jù)庫內活動的記錄和分析來發(fā)現(xiàn)異常并產(chǎn)生報警的方式來加強數(shù)據(jù)庫的安全性[6]。目前，在我國使用的商品化關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)大都提供了C2級的審計保護功能，但實現(xiàn)方式和功能側重有所不同。 周洪昊等人[7]分析了 Oracle、SQL Server、DB2、Sybase的審計功能，分別從審計系統(tǒng)的獨立性、自我保護能力、全面性和查閱能力四個方面對審計功能做出改進[7]。參考文獻[8]則針對審計信息冗余、審計配置方式死板以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力不足等問題，在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)已有的審計模塊基礎上，重新設計和實現(xiàn)了一種新型的數(shù)據(jù)庫安全審計系統(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)，并沒有從本質上解決安全防護對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的依賴性問題，用戶還是很難對數(shù)據(jù)庫提供自主的安全防護功能。如果能將安全防護從數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中徹底獨立出來，針對不同的應用需求允許用戶自己實現(xiàn)安全防護功能模塊并在邏輯上加入到數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)中，這樣問題也就迎刃而解了。

通過以上分析，本文提出一種獨立于具體數(shù)據(jù)庫、可組態(tài)的安全防護模型，并給出具體的實現(xiàn)方法。該模型將安全防護從數(shù)據(jù)庫完全獨立出來，在多數(shù)據(jù)庫應用中實現(xiàn)集中配置安防，滿足用戶對于自主防護功能的需求。并在開源的嵌入式數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品SQLITE中做了功能測試，實驗結果表明，該模型切實可行，達到了預想的效果，既能實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護，又大大提高了系統(tǒng)的靈活性。

2 自主安全防護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

自主安全防護系統(tǒng)DSS(Discretionary Safety System)的主要功能是阻止用戶對信息的非法訪問，在可疑行為發(fā)生時自動啟動預設的告警流程，盡可能防范數(shù)據(jù)庫風險的發(fā)生，在非法操作發(fā)生時，觸發(fā)事先設置好的防御策略，實行阻斷，實現(xiàn)主動防御，并按照設置對所發(fā)生的操作進行詳細記錄，以便事后的分析和追查。

2.1 系統(tǒng)結構

在DSS中，安全管理員使用角色機制對用戶的權限進行管理，通過制定安全策略來設置核心部件Sensor以及訪問控制部件。核心部件Sensor偵聽用戶的數(shù)據(jù)庫操作請求，采用命令映射表將不同的命令映射為系統(tǒng)識別的命令，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，同時根據(jù)審計規(guī)則生成記錄存入審計日志。DSS結構如圖1所示。

圖1 DSS結構示意圖

DSS作為獨立的功能模塊主要通過向Sensor提供數(shù)據(jù)庫的調用接口的方式保障對數(shù)據(jù)庫信息安全合理地訪問。系統(tǒng)有一個默認的訪問控制流程，用戶也可以自己設定安全策略，系統(tǒng)自動生成相應訪問控制流程。本文約定被訪問的對象為客體，請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)實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)主要分為系統(tǒng)數(shù)據(jù)字典設計、用戶登錄與用戶管理、系統(tǒng)相關策略制定、偵聽器（Sensor）的實現(xiàn)、訪問控制以及日志審計六部分。原數(shù)據(jù)庫API信息（dll）、用戶的自主防護策略作為輸入，Sensor核心一方面將用戶的防護策略融合在原數(shù)據(jù)庫的API接口中，另一方面記錄用戶對數(shù)據(jù)庫的操作并生成日志，提供給用戶做審計。用戶在使用過程中不需要修改原有系統(tǒng)，即可實現(xiàn)自主防護。系統(tǒng)核心Sensor的結構如圖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，主要負責攔截接口，解析并分離接口中的重要信息，使程序轉入自定義的安檢程序中執(zhí)行安全檢查。Access Control組件實現(xiàn)不同級別的訪問控制,根據(jù)用戶提供的安檢信息，組態(tài)出對應的安防模塊，并在合適的時候調用其進行訪問控制。API（dll）主要將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供的接口信息,轉化為dll以便Sensor偵聽時使用。Inject/Eject為Sensor提供遠程注射的功能。

Core通過攔截對API的調用來實現(xiàn)定制功能。程序在調用API函數(shù)之前，首先要把API所在的動態(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)當前的環(huán)境（主要是一些寄存器的值）壓入系統(tǒng)調用棧；接著，進入到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用約定的控制，本文不詳細介紹）。

圖2 DSS訪問控制流程

圖3 Sensor結構圖

舉例說明函數(shù)調用時堆棧的情況。假設調用約定采用_stdcall,堆棧由高向低遞減，API為 Intfunc(int a,int b,int c)。系統(tǒng)調用棧的部分內容如表1所示。

攔截主要通過HOOK API技術實現(xiàn)，可以攔截的操作包括DOS下的中斷、Windows中的API調用、中斷服令長度。在32 bit系統(tǒng)中,一條JMP/CALL指令的長度是5 B，因此只需要替換API中入口處的前5 B的內容，否則會產(chǎn)生不可預料的后果。(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代碼中此時的EBP/ESP的值。(3)時機問題。有些HOOK必須在API的開頭，如CreateFileA()。有些必須在API的尾部，如RECV()。(4)程序上下文內容的保存。在程序執(zhí)行中會涉及修改系統(tǒng)棧的內容，因此注意保存棧中原有內容，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所示的實現(xiàn)的流程。

DSS與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的安全防護功能相比，具有以下特點：

(1)獨立于具體的數(shù)據(jù)庫。這種獨立性體現(xiàn)在：①DSS只需要數(shù)據(jù)庫提供其接口信息即可工作。②支持不同標準的SQL語句，通過數(shù)據(jù)庫命令映射表可將非標準的SQL語句映射為系統(tǒng)設置的SQL命令。③系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)的物理存儲是獨立于數(shù)據(jù)庫的。

(2)靈活性和針對性的統(tǒng)一。用戶可以根據(jù)自己的需要配置針對特定應用的相關規(guī)則。

(3)完善的自我安全保護措施。DSS只有數(shù)據(jù)庫安全管理員和安全審計員才能訪問。安全管理員和安全審計員是一類特殊的用戶，他們只負責安全方面的操作，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可以進行所有的操作。DSS系務、IFS和NDIS過濾等。目前微軟提供了一個實現(xiàn)HOOK的函數(shù)庫Detours。其實現(xiàn)原理是：將目標函數(shù)的前幾個字節(jié)改為jmp指令跳轉到自己的函數(shù)地址，以此接管對目標函數(shù)的調用，并插入自己的處理代碼。

表1 系統(tǒng)調用棧的部分內容

HOOK API技術的實質是改變程序流程。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器碼，都可以實現(xiàn)HOOK。但實際實現(xiàn)上要復雜得多,主要需要考慮如何處理好以下問題：(1)CPU指統(tǒng)本身具有故障恢復能力，能使系統(tǒng)出現(xiàn)問題時恢復到一個安全的狀態(tài)。

圖4 HOOK程序的基本流程

(4)完備的信息查閱和報警功能。在DSS中，本文提供了便利的設計查閱工具，方便用戶對系統(tǒng)進行監(jiān)控。另外，用戶也可以自己定義報警條件和報警處理措施，一旦滿足報警條件，系統(tǒng)就會自動地做出響應。

3 實驗及結果分析

DSS的開發(fā)主要采用VS 2005實現(xiàn),開發(fā)完成后在一臺主頻為2.8 GHz、內存2 GB、裝有 Windows 2000操作系統(tǒng)的普通 PC機上對其進行了功能和性能的測試，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)應用程序。測試內容包括：登錄、用戶管理、Sensor、訪問控制、日志審計以及增加 DSS前后數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)安全性變化等功能性測試和增加DSS系統(tǒng)后對數(shù)據(jù)庫性能的影響兩方面。其中，性能測試主要從時間和資源的增加情況來說明，針對不同數(shù)據(jù)庫對象分別在五個級別(20 000、40 000、60 000、80 000、100 000)的數(shù)據(jù)上進行了插入和查詢操作測試。為了做好性能對比，在SQLite中也添加了相同的訪問控制功能,記為Inline Processing。插入操作的測試結果如圖5所示,查詢操作的測試結果如圖6所示。

圖5 在三種方式下執(zhí)行插入操作執(zhí)行時間對比圖

圖6 在三種方式下執(zhí)行查詢操作執(zhí)行時間對比圖

從功能測試結果可以看出，DSS可以為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供自主防護。從性能測試的結果中看出，查詢操作和插入操作耗時相差比較大，這主要是SQLite工作方式引起的，在執(zhí)行用戶的插入操作時，數(shù)據(jù)庫需將內存中的數(shù)據(jù)寫入磁盤數(shù)據(jù)庫文件中，占用了一部分時間。而查詢時，SQLite會將數(shù)據(jù)庫文件部分內容緩存起來，加快了查詢的速度。另外,增加DSS會對性能有略微的影響，但是它能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自主保護。

本文針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫安全防護功能配置不靈活的問題，提出了一種基于HOOK技術的數(shù)據(jù)庫通用安全防護系統(tǒng)。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點在于，它不受數(shù)據(jù)庫自身的約束，完全獨立于數(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。在嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite上的實驗結果表明，該系統(tǒng)在不影響原系統(tǒng)正常運行的前提下，解決了數(shù)據(jù)庫面臨的“越權使用、權限濫用、權限盜用”等安全威脅，能滿足不同用戶的需求，適用于政府、金融、運營商、稅務、教育及企業(yè)等所有使用數(shù)據(jù)庫的各個行業(yè)。

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