基于G/S模式下中間件系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)傳輸安全研究

張遠(yuǎn)紅, 苗 放, 任 淯

(1．成都理工大學(xué) 地球物理學(xué)院, 成都 610059；2．成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 成都 610059)

0 引言

在2004年美國(guó)《自然》雜志中，名為“Mapping opportunities”的文章[3]把地球空間信息技術(shù)(Geotechnology)、生物技術(shù)和納米技術(shù)定為21世紀(jì)的三大前沿科學(xué)。由于新地理(Neogeography)時(shí)代的來(lái)臨，讓更多的人們學(xué)會(huì)利用空間的思維和地理思考為自己服務(wù)。伴隨著全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GNSS)的應(yīng)用、各種專業(yè)地理信息平臺(tái)、數(shù)字城市和數(shù)字地球建設(shè)，對(duì)空間數(shù)據(jù)需求越來(lái)越強(qiáng)烈。G/S模式是一種空間數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，它基于新型的超圖形(或超地理)標(biāo)記語(yǔ)言HGML(Hyper Graphic Markup Language或Hyper Geographic Markup Language)，其中G是空間信息瀏覽器，S是空間信息服務(wù)器。中間件是未來(lái)云服務(wù)的核心[2]，它介于應(yīng)用軟件和操作系統(tǒng)之間，處于應(yīng)用軟件的下層，位于空間數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)和操作系統(tǒng)之上，主要用于幫助用戶高效地、靈活地集成和開(kāi)發(fā)比較復(fù)雜的應(yīng)用軟件[4]。由于空間數(shù)據(jù)極其復(fù)雜，加之系統(tǒng)環(huán)境中的用戶和資源都具有數(shù)量大、動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，由此帶來(lái)了空間數(shù)據(jù)安全的新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇。將中間件技術(shù)與新型的G/S模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)連接、應(yīng)用程序、消息的加密解密等多個(gè)層次的安全[9]，并對(duì)其架構(gòu)體系中空間數(shù)據(jù)傳輸安全性機(jī)制研究，為探索和建立新地理信息時(shí)代下以服務(wù)為核心的大眾化空間信息服務(wù)應(yīng)用平臺(tái)的可用性，提供理論依據(jù)和應(yīng)用模型[8]。

大數(shù)據(jù)應(yīng)用的爆發(fā)性增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)的安全性問(wèn)題越來(lái)越值得我們高度重視。由大數(shù)據(jù)衍生出的不同架構(gòu)，將推動(dòng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的收集、處理、存儲(chǔ)及應(yīng)用，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)技術(shù)而言也是新的挑戰(zhàn)[11]。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù)(IaaS)、軟件即服務(wù)(SaaS)及平臺(tái)即服務(wù)(PaaS)的理念將是以后軟件服務(wù)業(yè)的發(fā)展方向。

1 G/S模式

從空間信息流動(dòng)過(guò)程的角度來(lái)說(shuō)，G/S模式是基于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的空間信息服務(wù)模式，它采用“請(qǐng)求—聚合—服務(wù)”的工作機(jī)制，通過(guò)客服端實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚合。G/S模式通過(guò)HGML標(biāo)記語(yǔ)言統(tǒng)一的、多層次化的、靈活的對(duì)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理[12]。G/S模式不僅是統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)的交換模式，而且也是G/S模式中數(shù)據(jù)的管理、組織、交換和展示的規(guī)范。G/S模式與B/S模式、C/S模式最大的區(qū)別在于G/S模式的核心——HGML。HGML針對(duì)空間數(shù)據(jù)提供了靈活、層次化統(tǒng)一的組織和管理。它不僅是G/S模式中組織數(shù)據(jù)、交換、展示、管理的標(biāo)準(zhǔn)，也是G/S模式區(qū)別于B/S、C/S模式的最顯著特性。同時(shí)，HGML它本身是統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換方式。

表1 G/S與B/S、C/S的對(duì)比情況

G/S與B/S、C/S的對(duì)比較情況見(jiàn)表1。

2 G/S模式下中間件系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)安全

G/S模式下空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)用程序的安全認(rèn)證、系統(tǒng)連接的安全認(rèn)證[6]以及對(duì)消息的加解密等多層次的安全，而其中對(duì)消息的加解密是安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題[7]。從通信機(jī)制和程序設(shè)計(jì)風(fēng)格的角度出發(fā)，中間件可以分為遠(yuǎn)程過(guò)程調(diào)用中間件、消息中間件、面向?qū)ο笾虚g件、面向服務(wù)中間件等[5]。由于云應(yīng)用與云平臺(tái)是松散耦合的，多類型應(yīng)用、多種用戶和多種服務(wù)同時(shí)運(yùn)行在云平臺(tái)上，用戶之間可能存在著某種復(fù)雜的交互關(guān)系，其中惡意破壞、賬戶或服務(wù)劫持、數(shù)據(jù)泄密等信息安全問(wèn)題處理在G/S模式下中間件系統(tǒng)中顯得非常重要[10]。G/S模式下中間件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。訪問(wèn)接入點(diǎn)AP(Access Point)支持?jǐn)?shù)據(jù)加密、多用戶接入以及多速率發(fā)送[1]。本系統(tǒng)中，用戶通過(guò)自己申請(qǐng)的AP進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)中間件下級(jí)進(jìn)行安全注冊(cè)，然后通過(guò)系統(tǒng)管理員配置的密碼建立連接訪問(wèn)中間件上級(jí)。由于加密密鑰主要集成在中間件上級(jí)，因此當(dāng)數(shù)據(jù)從AP進(jìn)入系統(tǒng)，從中間件上級(jí)流出之后即完成加密過(guò)程。

圖1 G/S模式下中間件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig．1 Middleware architecture based on G/S model

3 空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?/h2>

G/S模式空間數(shù)據(jù)傳輸安全性中間件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)密鑰保存的方法，從而實(shí)現(xiàn)密鑰分發(fā)及接收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)端對(duì)端加密的進(jìn)程。

3.1 密鑰保存

在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中，遇到下面情況就要求系統(tǒng)能夠保存舊密鑰：①當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的密鑰更新后，還可能會(huì)繼續(xù)接收到其他節(jié)點(diǎn)使用舊密鑰對(duì)消息進(jìn)行加密的消息，這種情況要求系統(tǒng)能夠保存舊密鑰；②當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)在可靠性和安全性中間件系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)死亡(coredump)，如果在它重新啟動(dòng)后收到了可靠傳輸?shù)募用芟ⅲ惨髮?duì)舊密鑰進(jìn)行保存。

在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中，密鑰通常被保存到緩存中或文件中。對(duì)用舊密鑰加密消息進(jìn)行解密的過(guò)程，首先在緩存中尋找解密密鑰，如果沒(méi)有找到密鑰，然后采用主密鑰來(lái)對(duì)密鑰文件進(jìn)行解密，再在密鑰文件里查找是否有解密密鑰，如果還是沒(méi)找到解密密鑰則對(duì)該接收消息解密失敗。

(1)將密鑰存放在cache中。在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中，當(dāng)建立密鑰表的共享內(nèi)存時(shí)，通常系統(tǒng)在密鑰表后建立一個(gè)可設(shè)置長(zhǎng)度的cache，用來(lái)對(duì)舊的密鑰進(jìn)行保存。每當(dāng)有節(jié)點(diǎn)對(duì)密鑰更新后，與此同時(shí)會(huì)把舊密鑰存放在cache密鑰表以及密鑰文件里。由于設(shè)置的cache密鑰表的長(zhǎng)度有限，因此當(dāng)cache密鑰表存放滿后會(huì)溢出，也就是說(shuō)最開(kāi)始存入cache密鑰表中的密鑰就將被新進(jìn)入密鑰的擠掉而不再存在。

(2)將密鑰保存在文件中。G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中對(duì)密鑰文件采用主密鑰加密后保存在原系統(tǒng)中。如果要查詢密鑰文件內(nèi)相應(yīng)內(nèi)容時(shí)，必須利用主密鑰把密鑰文件解密之后再查找。①對(duì)主密鑰的存放：對(duì)主密鑰的存放一種是對(duì)主密鑰保存在系統(tǒng)里，這種方式不好之處是如果主密鑰被清理刪除后將無(wú)法恢復(fù)；另一種是不在系統(tǒng)里進(jìn)行保存，而是通過(guò)管理員自己記憶保存；②對(duì)主密鑰初始化：主密鑰的主要作用是對(duì)系統(tǒng)信息和密鑰的傳輸過(guò)程進(jìn)行加密，所以對(duì)主密鑰的初始化的目標(biāo)就是針對(duì)系統(tǒng)中的相關(guān)信息對(duì)象(圖2)；③主密鑰的更換：當(dāng)將要更新主密鑰時(shí)，首先解密所有使用原來(lái)的主密鑰進(jìn)行加密的文件，再用新的主密鑰加密這些文件，重新加密完后再保存(圖3)。

圖2 主密鑰的初始化過(guò)程Fig．2 The initialization process of master key

3.2 密鑰分發(fā)

G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)基于對(duì)實(shí)際應(yīng)用模型使用基礎(chǔ)之上，提出了一種本地組內(nèi)密鑰分發(fā)的密鑰分發(fā)技術(shù)，該技術(shù)很好地解決了端對(duì)端的加密問(wèn)題，并且還對(duì)整個(gè)G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)的使用效率起到有效的保證。

(1)密鑰進(jìn)行分發(fā)的過(guò)程。密鑰進(jìn)行分發(fā)的過(guò)程是上級(jí)節(jié)點(diǎn)將所有與它進(jìn)行密鑰交換成功的節(jié)點(diǎn)密鑰發(fā)送給本地組里節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程(圖4)。

(2)密鑰表進(jìn)行分發(fā)的過(guò)程。分發(fā)密鑰表的過(guò)程是指本地組節(jié)點(diǎn)在與它的對(duì)應(yīng)的上級(jí)節(jié)點(diǎn)交換密鑰后，該本地組節(jié)點(diǎn)將接收該上級(jí)節(jié)點(diǎn)分發(fā)的密鑰表的全部密鑰(圖5)。

圖3 主密鑰更新流程圖Fig．3 Update flow chart of master key

圖4 分發(fā)密鑰的過(guò)程 Fig．4 The process of key distribution

圖5 密鑰表發(fā)送Fig．5 The transmission of the keytab

(3)接收密鑰及密鑰表的過(guò)程。當(dāng)密鑰或密鑰表被當(dāng)?shù)亟M的節(jié)點(diǎn)接收后，該節(jié)點(diǎn)把接收到的密鑰的本地組屬性值設(shè)置為YES，同時(shí)依據(jù)解密的密鑰來(lái)更新自己的密鑰表和密鑰文件，今后系統(tǒng)加解密消息時(shí)就使用這些新的密鑰。

3.3 加密

在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中,依據(jù)對(duì)方的節(jié)點(diǎn)名來(lái)找到相應(yīng)的密鑰加密消息，同時(shí)在包頭將解密密鑰的節(jié)點(diǎn)名放在里面(圖6、圖7)。

圖6 消息的加密過(guò)程Fig．6 Message encryption process

圖7 消息的加密示例Fig．7 The diagram of message encryption process

(1)t201加密消息到t20時(shí)，加密密鑰是key_t20，解密密鑰是key_t201。

(2)t201當(dāng)加密消息到t202(或t2、t3)時(shí)，key_t202(或key_t2、key_t3)就是加密密鑰，其解密密鑰為t201的上級(jí)key_t20，這三個(gè)密鑰都是通過(guò)t20的分發(fā)所得到的密鑰，因此具有本地組屬性。

(3)當(dāng)t2加密消息到t201時(shí)，其加密密鑰為t20；而t2的掩碼為3，那么就取t201的前三位t20，因此當(dāng)t2加密消息到t201時(shí)，其子網(wǎng)密鑰是key_t20。

(4) 所有的前端節(jié)點(diǎn)都不在t3 的子網(wǎng)里面，因此t3就只有把消息加密到t20節(jié)點(diǎn)，而消息不可以被加密到t200節(jié)點(diǎn)或者t201節(jié)點(diǎn)、t202節(jié)點(diǎn)以及t203節(jié)點(diǎn)。

在系統(tǒng)中，加密消息和文件，提供了以下兩個(gè)API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)：

CommEncryptData(node , in , inlen, out , outlen)加密消息

node 使用node節(jié)點(diǎn)的密鑰加密

in 輸入的消息

inlen 輸入消息的長(zhǎng)度

out 加密后的消息

outlen 加密后消息的長(zhǎng)度

CommEncryptFile(node, in, inlen, out, outlen)加密文件

其中in表示輸入文件名，而out就是輸出文件名。另外的參數(shù)跟上面相同。文件加密就是將系統(tǒng)輸入的文件每次都讀出256 bytes大小的塊 ，然后進(jìn)行分塊加密，最后保存在out的過(guò)程。

3.4 解密

很多節(jié)點(diǎn)的密鑰都可以被保存在一個(gè)G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，很多個(gè)新舊密鑰可以被保存在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的密鑰里。在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中，每個(gè)密鑰都是使用節(jié)點(diǎn)名+keyed 來(lái)區(qū)分的。所以在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中，當(dāng)消息頭被加密時(shí)，為了標(biāo)識(shí)使用的哪一個(gè)密鑰，不僅需要用一個(gè)keyID來(lái)標(biāo)識(shí)，還要有一個(gè)解密密鑰節(jié)點(diǎn)名字。由于KeyID在不斷地?cái)U(kuò)大(達(dá)到設(shè)定值后，從新從“0”開(kāi)始)，因此后面生成的密鑰肯定比先生成的密鑰大。在G/S模式空間數(shù)據(jù)安全中間件系統(tǒng)中，依據(jù)消息頭的解密密鑰節(jié)點(diǎn)名字以及通過(guò)keyID來(lái)尋找密鑰。

4 測(cè)試結(jié)果分析

為了研究該技術(shù)的可行性和有效性，首先在Linux系統(tǒng)的服務(wù)器上進(jìn)行試驗(yàn)。該服務(wù)器是由六臺(tái)IBM機(jī)架式服務(wù)器組成，首先當(dāng)有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，給出提示生成公鑰和私鑰，如圖8所示。然后查看服務(wù)器是否生成公鑰和私鑰，如圖9和圖10所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知道，中間件系統(tǒng)條件下的加密技術(shù)完全具有一定的可行性。

圖8 生成公鑰和私鑰Fig．8 Generate public and private keys

圖9 生成的公鑰Fig．9 Generate public keys

圖10 生成的私鑰Fig．10 Generate private keys

5 結(jié)論

作者對(duì)空間數(shù)據(jù)傳輸安全的研究進(jìn)一步完善了G/S模式的理論架構(gòu)，為今后空間信息系統(tǒng)在空間數(shù)據(jù)安全和可靠性方面做了前瞻性研究。從密鑰的保存、分發(fā)、加密到解密，完成了空間數(shù)據(jù)的安全傳輸。但文章對(duì)中間件系統(tǒng)安全可靠性的研究未進(jìn)行普適性的研究。如果能將這一空間數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩碚撨M(jìn)一步運(yùn)用，將會(huì)取得更好的效果。

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