基于三維球體模型的XML通信協(xié)議安全評估方法

楊宏宇，于巾博，謝麗霞

（中國民航大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，天津 300300）

1 引言

XML作為數(shù)據(jù)表示和信息交換的通用標(biāo)準(zhǔn)格式，在Web服務(wù)協(xié)議棧（SOAP、WSDL、UDDI等）及其他通信協(xié)議中廣泛應(yīng)用，這類協(xié)議使用約定結(jié)構(gòu)的XML數(shù)據(jù)文件完成通信雙方的信息交換，具有易擴展、跨平臺、異構(gòu)通信等特性。由于基于XML的通信協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)通信中的基礎(chǔ)作用十分突出，一旦協(xié)議中的漏洞被利用，將直接影響Web服務(wù)應(yīng)用的安全性。因此，研究XML通信協(xié)議的安全評估方法已成為信息安全研究領(lǐng)域的一個熱點問題。

目前，國內(nèi)外已陸續(xù)開展針對XML通信協(xié)議的安全性評估研究。文獻[1]設(shè)計了一種威脅模型STRIDE（spoofing, tampering, repudiation, information disclosure elevation），從詐騙、篡改、否認、信息泄露、拒絕服務(wù)和權(quán)限提升6個方面獲取Web協(xié)議消息的安全風(fēng)險值，為查找Web服務(wù)安全漏洞提供了有價值的參考依據(jù)，但該方法不能評估由于組件的交互作用而導(dǎo)致的關(guān)聯(lián)性威脅，也缺少對協(xié)議整體的綜合評估。文獻[2]提出了一種面向服務(wù)的簡單對象訪問協(xié)議(SOAP, simple object access procotol)消息交互的安全機制，從加密、簽名、服務(wù)時間等角度對SOAP協(xié)議進行安全評估。該方法可實現(xiàn)SOAP協(xié)議消息的完整性和機密性，但該機制評估對象單一，不適用于其他的XML通信協(xié)議。文獻[3]針對 Web服務(wù)協(xié)議消息安全措施選擇問題，從用戶非對稱密鑰、安全證書、安全令牌等7項技術(shù)進行實驗評估，為Web服務(wù)安全措施的選擇提供依據(jù)。但該方法未建立完整的安全指標(biāo)評估體系，缺乏對Web服務(wù)協(xié)議的定性分析。文獻[4]使用SOAP擴展對Web服務(wù)進行壓縮和記錄日志，并將XML簽名和加密技術(shù)規(guī)范融入到SOAP協(xié)議中，優(yōu)化了Web服務(wù)的傳輸效率，但研究重點僅從完整性、不可否認性和身份驗證角度對SOAP協(xié)議進行安全擴展。文獻[5]主要針對XML通信協(xié)議中的UDDI協(xié)議存在的安全問題提供身份認證、訪問控制、XML簽名等多項安全保障措施和負載，該方法僅提高了UDDI注冊庫及數(shù)據(jù)的訪問和傳輸?shù)陌踩阅埽狈τ行У陌踩u估，不能對協(xié)議漏洞引起的威脅進行主動防御。文獻[6]依據(jù)現(xiàn)有PKI的XML安全技術(shù)和驗證機制，對SAML協(xié)議的機密性和完整性進行評估，但評估的指標(biāo)和性能較低。

從上述研究可以看出，在目前針對XML通信協(xié)議的安全性研究中，大多局限于協(xié)議某一層面的安全評估，主要關(guān)注XML通信協(xié)議的安全實現(xiàn)機制，并未從綜合評估角度研究基于XML通信協(xié)議的安全性。本文針對XML通信協(xié)議的安全性評估問題，提出了一種基于三維球體模型的安全評估方法，設(shè)計了XML通信協(xié)議的安全評估指標(biāo)三維坐標(biāo)系，采用球體各坐標(biāo)投影面積作為評估指標(biāo)的權(quán)值和安全分量指標(biāo)取值的度量標(biāo)準(zhǔn)，有效地解決了指標(biāo)重合問題，彌補了國內(nèi)外在XML通信協(xié)議的相關(guān)評估指標(biāo)體系和評估方法上的不足。

2 基于三維球體模型的安全評估指標(biāo)體系

2.1 模型層次結(jié)構(gòu)

前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家馬庫雪維奇把人腦儲存的信息分為核與殼2類，提出信息構(gòu)建的球體模式[7]，本文將該思想引入到協(xié)議安全性評估的應(yīng)用之中，提出XML通信協(xié)議的三維球體模型。在該球體模型中，根據(jù)協(xié)議評估價值和發(fā)展成熟度，可將球體劃分為一定邏輯關(guān)系組成的層次化結(jié)構(gòu)。從內(nèi)向外依次為網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層及應(yīng)用層協(xié)議（如圖1所示）。

圖1 三維球體模型層次結(jié)構(gòu)

2.2 評估指標(biāo)體系

XML通信協(xié)議隸屬應(yīng)用層，因此本文借助球體模型的外殼層構(gòu)建XML通信協(xié)議的安全評估指標(biāo)體系。首先，設(shè)計了針對XML通信協(xié)議安全性評估的一、二級評估指標(biāo)——三維坐標(biāo)系，設(shè)定一、二級評估指標(biāo)的坐落面（如圖 2所示）。該三維坐標(biāo)系由xOy、xOz和yOz 3個平面劃分為8個象限，設(shè) XML通信協(xié)議的安全性總目標(biāo)為 A，而后從XML協(xié)議內(nèi)容、通信載荷、安全隱患3個面確定一級評估指標(biāo)Bi、二級評估指標(biāo)Cij及其坐落面。

1) XML協(xié)議內(nèi)容的安全性B1。評估指標(biāo)B1位于第1、2、3、4象限，按XML內(nèi)容要素劃分為機密性C11、完整性C12、不可否認性C13和可用性C14。

2) 通信載荷的安全性B2。評估指標(biāo)B2位于第1、4、5、8象限，按語義三要素劃分為可用性C21、完備性C22和可控性C23。

3) 安全隱患的安全性B3。評估指標(biāo)B3位于第6、7象限，按4種基本攻擊類型劃分為截獲C31、篡改C32、偽造C33和中斷C34。

需要說明的是，為加強對某方面的重點調(diào)查和評價，有時評估指標(biāo)之間會出現(xiàn)一定程度的重合[8]。三維球體模型與一般評估模型的區(qū)別在于解決評估指標(biāo)的重復(fù)問題，去除冗余值，從而保障了評估結(jié)果的合理性。

圖2 一、二級評估指標(biāo)坐落面設(shè)定

2.3 評估指標(biāo)權(quán)值的計算

依據(jù)所構(gòu)建的安全評估指標(biāo)體系，首先采用層次分析法[9]對一、二級評估指標(biāo)的權(quán)值進行計算，根據(jù)球體模型的特點，以球體xOz坐標(biāo)平面的投影面積分配評估指標(biāo)的權(quán)值。利用球體半徑以及扇面的開合角度對一、二級評估指標(biāo)權(quán)重進行直觀表示，保證了安全評估的全面性。評估指標(biāo)的權(quán)值計算過程設(shè)計如下。

步驟1 一、二級評估指標(biāo)權(quán)值計算

1) 構(gòu)造一級評估指標(biāo)Bi的判斷矩陣P0，以及隸屬于XML內(nèi)容安全性、通信載荷安全性和隱患安全性的二級評估指標(biāo) Cij的判斷矩陣，分別記為P1、P2、P3。

2) 采用方根法計算權(quán)向量，設(shè)一級評估指標(biāo)權(quán)向量 W0=(W1,W2,W3)T，二級評估指標(biāo)權(quán)向量 W1=(W21,W22,W13,W14)T、W2= (W21,W22,W23)T、W3= (W31,W32,W33,W34)T，計算公式為

其中，mi為判斷矩陣各行元素乘積的n次方根，經(jīng)一致檢驗，各矩陣的相對一致性指標(biāo)均小于0.10，故判斷結(jié)果合理。

3) 評估指標(biāo)的權(quán)值分配

采用坐標(biāo)xOz平面上的投影面積作為評估指標(biāo)的權(quán)值，設(shè)三維球體模型初始半徑r0為1，總面積S0為π。一、二級評估指標(biāo)的權(quán)值集合即投影面積集合為

步驟2 重合指標(biāo)的處理

在實際評估中，評估指標(biāo)需要從不同角度相互彌補和驗證，因此不可避免地會發(fā)生重合。為保障評估的合理性，依據(jù)基本不等式原理，以縮減的方式去除重合指標(biāo)C14和C21的冗余值。

步驟3 計算半徑數(shù)據(jù)

重合指標(biāo)處理前，球體半徑ri可通過下式計算。

重合指標(biāo)處理后，對指標(biāo)坐落區(qū)域進行重新劃分。其中，B1的非重合指標(biāo)C11、C12、C13置于第2、3象限， B1與B2的重合指標(biāo)C14、C21置于第1、4象限， B2的非重合指標(biāo)C22、C23置于第5、8象限，潛在隱患安全性B3仍位于第6、7象限，重新計算半徑數(shù)據(jù)R’，公式如下。

半徑數(shù)據(jù)直觀地反映了一級評估指標(biāo)權(quán)重，從所繪制的XML協(xié)議的三維球體模型Y軸正方向視圖及更新視圖（如圖3所示）可以看出，球體評估模型所帶來的優(yōu)勢之一就是能有效地解決評估指標(biāo)重復(fù)的問題。

圖3 y軸正方向半徑數(shù)據(jù)示意

步驟4 計算上下開合角度

開合角度是指在三維坐標(biāo)系中以球心為原點發(fā)出的射線沿 xOz平面的上下開合角，根據(jù)α= S扇S圓× 3 60°，可求得各二級評估指標(biāo)開合角度，并據(jù)此繪制球體模型y軸正方向上下開合角度示意（如圖 4所示）?？梢钥闯?，開合角度能夠直觀地反映二級評估指標(biāo)的權(quán)重。

圖4 y軸正方向上下開合角示意

3 安全評估

在XML協(xié)議的三維球體模型中，基于xOz坐標(biāo)平面的投影用于評估指標(biāo)的權(quán)值度量，其他各坐標(biāo)平面中的投影用于評估指標(biāo)取值度量。在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種XML通信協(xié)議的安全性分量評估方法，通過對第二、三級評估指標(biāo)的定量計算和分析獲得安全評估量化值。

3.1 基于xOy坐標(biāo)的XML協(xié)議內(nèi)容安全分量評估

首先，建立安全評估指標(biāo)集B1(C11,C12,C13,C14)的XML內(nèi)容三級安全分量評估指標(biāo)，如表1所示。

表1 面向XML協(xié)議內(nèi)容的安全分量評估指標(biāo)

根據(jù)三級評估指標(biāo)各自的特點，自底向上設(shè)計二級評估指標(biāo)評估函數(shù)。4個內(nèi)容安全分量的二級評估指標(biāo)計算式為

在式（5）中，機密性 V11反映加密強度 D111與信息重要度D112的博弈度量，其中，

通過密鑰位數(shù) key_bits、密鑰重復(fù)利用次數(shù)key_times以及密鑰保密性tsafe3方面數(shù)據(jù)獲?。籚112按信息泄露的危害程度劃分為一般(0～0.3)、嚴重（0.3～0.8）和特別嚴重（0.8～1）。

在式（5）中，完整性V12采用以公鑰算法為基礎(chǔ)的數(shù)字簽名技術(shù)，其中，P12P21表示完整性發(fā)生時通信鏈路轉(zhuǎn)換的概率；取值V121按設(shè)施保護等級劃分為一級(0～0.2)、二級(0.2～0.4)、三級(0.4～0.6)、四級(0.6～0.8)和五級(0.8～1)；V122依據(jù)實際防護手段劃分為強(0.8～1)，中(0.4～0.8)和弱(0～0.4)。

在式(5)中，不可否認性V13以是否使用某項技術(shù)Tech作為V131、V132的取值依據(jù)，其中，

在式(5)中，可用性評估V14以XML部分抵御拒絕服務(wù)攻擊作為主要考量因素。根據(jù)文獻[10]對XML拒絕服務(wù)攻擊的描述，將XML攻擊類型劃分為直接XML解析器攻擊、XML驗證攻擊和XML文件引用攻擊，由此可設(shè)計評估指標(biāo) D141、D142的評分表，分別按 XML部分抵御拒絕服務(wù)攻擊能力和災(zāi)難恢復(fù)能力劃分為強(0.8～1)、較強(0.6～0.8)、中等(0.4～0.6)、較弱(0.2～0.4)和弱(0～0.2) 5類評估值。

3.2 基于yOz坐標(biāo)投影的通信載荷安全分量評估

首先，在安全評估指標(biāo)集 B2(C21,C22,C23)的基礎(chǔ)上建立通信載荷安全三級安全評估指標(biāo)，如表2所示。

根據(jù)協(xié)議三要素語義、語法和時序的特點，建立通信載荷安全分量的二級評估指標(biāo)函數(shù)。3個通信載荷的安全分量評估指標(biāo)公式為

在式(9)中，可用性V21函數(shù)以通信載荷部分的抵御拒絕服務(wù)攻擊能力為主要考量因素，其中，

其中，x表示關(guān)聯(lián)度值，field_num為協(xié)議首部字段的個數(shù)，vul_numi為協(xié)議首部第i字段已發(fā)現(xiàn)相關(guān)漏洞的個數(shù)；取值V212復(fù)用D142設(shè)定的評分規(guī)則。

在式(9)中，完備性V22面臨的安全威脅主要是對定界字符的惡意利用，其中，

式(11)和式(12)中，參數(shù) 2代表均分操作，deletion_num為去除相應(yīng)定界字符后對通信造成危害性影響的首部字段數(shù)目，injection_num為注入相應(yīng)定界字符后對通信造成危害性影響的首部字段數(shù)目。

在式(9)中，可控性V23評估以數(shù)據(jù)庫事務(wù)的弱化屬性集為參照，其中，

式(13)中的 sequece_num為完成交互事件所需交互次數(shù)，并且

其中，coefficient代表標(biāo)識生成的隨機度，具體取值為優(yōu)(0.8～1)、良(0.5～0.8)或一般(0～0.5)?？芍?，V232由協(xié)議數(shù)據(jù)標(biāo)識字段的位數(shù)identifier_bits決定。

3.3 基于yOz坐標(biāo)負投影的安全隱患分量評估

首先，建立安全評估指標(biāo)集B3(C31,C32,C33,C34)的安全隱患三級安全評估指標(biāo)（如表3所示）。

表 3中的二級指標(biāo)截獲 C31、篡改 C32、偽造C33和中斷C34具有相同的三級評估指標(biāo)集。

表3 面向安全隱患的安全分量評估指標(biāo)

本文采用模糊論評估方法[11]，對XML通信協(xié)議的各安全分量進行評估，所設(shè)計的評估過程如下。

1) 設(shè)定評估指標(biāo)因素集 U=[u1,u2,u3]=[可發(fā)現(xiàn)性，可重現(xiàn)性，可利用性]；

2) 設(shè)定評語集 L=[l1,l2,l3,l4,l5] =[低，較低，一般，較高，高]；

3) 確定評估指標(biāo)權(quán)重，構(gòu)造三級評估指標(biāo)判斷矩陣為

由此計算權(quán)重向量A=[a1,a2, a3]。

4) 根據(jù)各個元素在評語集中的隸屬關(guān)系，建立隸屬函數(shù)，確定模糊評價向量R及模糊綜合評估向量B。

5) 根據(jù)加權(quán)平均法，計算得出最終的安全分量綜合評價結(jié)果。

3.4 綜合評估

基于以上內(nèi)容，結(jié)合三維球體模型在xOz平面上的投影面積（作為評估指標(biāo)的權(quán)值）和以三級評估指標(biāo)為基礎(chǔ)計算得到的分量評估值（作為評估指標(biāo)的取值）計算安全性綜合評估結(jié)果。一、二級安全評估指標(biāo)的安全分量評估結(jié)果如表4所示。

表4 綜合評估結(jié)果計算

其中，一級評估指標(biāo) Ci的取值用 Vi表示，二級評估指標(biāo)Cij取值用Vij表示，且Vij由所屬評估函數(shù)計算所得，并且規(guī)定Vij∈[0,1]，可知評估結(jié)果Q的取值區(qū)間為 Q∈[0, π]。

最后，將最終評估結(jié)果Q的取值范圍劃分為7個區(qū)間，定義各區(qū)間的安全性評價，如表5所示。

表5 綜合評估結(jié)果評價

4 實驗與分析

為了對基于三維球體模型評估方法的適用性和有效性進行驗證和比較，本文設(shè)計了2組實驗，采用基于三維球體模型的評估方法分別對SOAP協(xié)議和SAML協(xié)議進行安全性評估。

4.1 典型協(xié)議的安全性評估實驗

4.1.1 基于XML的SOAP協(xié)議安全性評估

本實驗的評估對象為安全電子銀行仿真系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)由 apache jakarta tomcat、apache axis、apache XML security等組件構(gòu)成并部署在真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，能完成電子銀行的余額查詢、資金轉(zhuǎn)賬等主要功能。系統(tǒng)Web架構(gòu)如圖5所示。

圖5 安全電子銀行仿真系統(tǒng)Web服務(wù)架構(gòu)

首先，利用 Soap Monitor分組抓捕工具截取SOAP協(xié)議數(shù)據(jù)分組[13,14]，然后參照協(xié)議數(shù)據(jù)、設(shè)計文檔，采用第3節(jié)所描述的量化算法計算SOAP協(xié)議的安全性指標(biāo)。仿真實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表6所示。

根據(jù)安全評估指標(biāo)和一、二級安全評估指標(biāo)的安全分量評估結(jié)果（如表 4所示），可得到該電子銀行系統(tǒng)的綜合評估結(jié)果為Q=V·S'T= 0.712 1π，根據(jù)綜合評估結(jié)果的評價分區(qū)，如表 5所示，可得SOAP協(xié)議的安全性為“中上”。

從表6可知，在該仿真系統(tǒng)協(xié)議評估中，XML部分的不可否認性指標(biāo)值點最低，可通過加入數(shù)字時間戳技術(shù)增強不可否認性指標(biāo)的安全性。類似地，對于其他較低的安全指標(biāo)點，可通過相關(guān)安全技術(shù)提高其安全性。

表6 評估指標(biāo)取值結(jié)果匯總

4.1.2 基于XML的SAML協(xié)議安全性評估

由于SAML只提出了一個標(biāo)準(zhǔn)的、用于交換認證和授權(quán)信息的、基于XML的架構(gòu)，并沒有提出如何確保這些信息安全的機制，所以SAML協(xié)議也面臨安全問題。

該實驗以一個經(jīng)典的基于 SAML的單點登錄系統(tǒng)（SSSO, SAML-based single sign on）為評估對象。在該系統(tǒng)中，服務(wù)請求方（SP, service provider）通過向身份認證服務(wù)器（IDP, identity provider）發(fā)送SAML請求，由IDP返回SAML響應(yīng)來獲得認證信息。其SAML協(xié)議斷言獲取流程如圖6所示。

圖6 SAML協(xié)議斷言獲取流程

首先，使用 apache group發(fā)布的小程序 TCP tunnel/ monitor截獲該系統(tǒng)運行過程中站點之間傳輸?shù)腟OAP消息，提取SAML請求數(shù)據(jù)后對其進行安全評估，仿真實驗數(shù)據(jù)及計算結(jié)果如表7所示。

表7 SAML評估指標(biāo)取值結(jié)果匯總

通過式（16）計算，可得該單點登錄系統(tǒng)的評估結(jié)果為 Q=V·S'T= 0.604 6π，該系統(tǒng)所使用的SAML協(xié)議的安全性為“中下”。

從表7可知，在SSSO系統(tǒng)中，SAML協(xié)議的機密性和安全漏洞分量指標(biāo)值較低，易被攻擊者截獲和篡改。可以通過采用符合WS-Security規(guī)范的XML數(shù)字簽名和XML加密技術(shù)來滿足數(shù)據(jù)機密性和對消息發(fā)送方驗證的需求，通過添加自定義的標(biāo)識元素（時間戳、隨機數(shù)等）防止惡意用戶截獲等方法提高SAML協(xié)議的安全性。

由于在XML通信協(xié)議的安全性問題的研究中尚無統(tǒng)一的安全評估標(biāo)準(zhǔn)，因此邀請了十位業(yè)內(nèi)專家依據(jù)經(jīng)驗對SOAP協(xié)議、SAML協(xié)議進行綜合評判。評判結(jié)果如表8所示，通過比較可知，基于三維球體模型的安全性綜合評估方法所得出的評價結(jié)果與多數(shù)專家的評判結(jié)果是一致的。

表8 專家經(jīng)驗評判結(jié)果

4.2 對比評估實驗

為了進一步驗證基于三維球體模型的評估方法的有效性，采用可靠性模型評估方法[15]、STRIDE模型評估方法[1]、信息熵評估方法[16]對SOAP協(xié)議和SAML協(xié)議進行安全性評估的對比實驗。

采用文獻[15]的可靠性模型評估，對4.1節(jié)的2個仿真系統(tǒng)的XML通信協(xié)議進行攻擊測試，通過計算每個攻擊的可能性權(quán)值、后果權(quán)值、抵御難度權(quán)值獲取各攻擊的危險度量，通過綜合計算得到協(xié)議內(nèi)容層面的安全度量值，評估結(jié)果如表9所示。

表9 可靠性模型評估指標(biāo)值

采用文獻[1]的STRIDE威脅模型，獲取4.1節(jié)2個仿真系統(tǒng)的 XML通信協(xié)議的抗假冒能力、抗篡改能力、抗否認能力、抗信息泄露能力、抗拒絕服務(wù)能力、抗提升特權(quán)能力6個屬性的風(fēng)險值及協(xié)議漏洞層面的安全度，評估結(jié)果如表10所示。

表10 STRIDE模型評估指標(biāo)值

采用文獻[16]的多屬性決策理論，將 4.1節(jié) 2個仿真系統(tǒng)的XML通信協(xié)議的安全屬性值組成決策矩陣，利用信息熵的方法計算各屬性的客觀權(quán)重，最后以風(fēng)險值的形式給出其安全程度，評估結(jié)果如表11所示。

表11 信息熵評估指標(biāo)值

通過評估對比實驗可以得出以下結(jié)論。

1) 基于三維球體模型的評估方法與 STRIDE威脅模型得到的評估結(jié)果一致，均符合多數(shù)專家的評判，因此，可以有效地評估XML通信協(xié)議。

2) 可靠性模型評估、STRIDE威脅模型雖然都能對協(xié)議的安全性進行建模與分析，但都局限于某個維度，而基于三維球體模型的評估方法的評估角度相對全面，并在分量評估的基礎(chǔ)上能進行安全性的綜合評判。

3) 信息熵評估方法中的各安全屬性都是簡單模糊化值，并沒用對安全屬性進行量化，而本文的綜合評估方法量化到三級指標(biāo)，為XML通信協(xié)議評估提供了更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

4) 基于三維球體模型的評估方法在指標(biāo)體系建立、重合指標(biāo)處理及評估結(jié)果的直觀反映等具有更大的優(yōu)勢，使得其對XML通信協(xié)議的安全評估更具客觀性。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合XML通信協(xié)議特點，提出了一種面向XML通信協(xié)議的三維球體模型，提出基于三維球體模型的協(xié)議安全性綜合評估方法。通過對SOAP協(xié)議、SAML協(xié)議的安全評估實驗和3種評估方法的評估對比實驗，驗證了本文提出的安全評估方法對XML通信協(xié)議的適用性和有效性。

未來研究工作的重點是進一步實現(xiàn)XML通信協(xié)議評估的自動化，包括協(xié)議數(shù)據(jù)的自動采集、評估指標(biāo)數(shù)據(jù)的自動識別等內(nèi)容。

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