協(xié)同開發(fā)環(huán)境中基于角色和屬性的訪問控制模型

李 陽，劉 更，王海偉

（西北工業(yè)大學(xué) 機電傳動與控制陜西省工程實驗室，陜西 西安 710072）

0 引言

產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)環(huán)境充分利用計算機技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展成果，能夠提高信息利用率和產(chǎn)品開發(fā)的工作效率，因此，協(xié)同開發(fā)環(huán)境的理論研究和實踐得到了廣泛的關(guān)注。協(xié)同開發(fā)環(huán)境信息共享和交互的特點同時也帶來了信息安全問題，作為企業(yè)重要財富的產(chǎn)品信息必須得到安全保證，能夠使協(xié)同開發(fā)環(huán)境得到更大范圍的應(yīng)用。

訪問控制是保證信息安全的重要環(huán)節(jié)，其目標(biāo)是保證具有相應(yīng)權(quán)限的用戶才能訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)。訪問控制模型將安全策略進行規(guī)范化的表達，并為訪問控制的實現(xiàn)提供指導(dǎo)，是訪問控制領(lǐng)域的研究重點。對客體和主體的抽象和描述是建立訪問控制模型的關(guān)鍵，它直接影響訪問控制模型對安全策略的表達能力。訪問控制中的客體（object）是包含信息的被動實體，一般指用戶的訪問對象；主體（subject）是指造成客體信息流動或改變的主動實體［1］，在基于角色的訪問控制（Role Based Access Control，RBAC）模型中，用戶通過角色獲得權(quán)限對客體進行授權(quán)范圍內(nèi)的操作，因此把用戶和角色視為主體。2004年，美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（National Institute of Standards and Technology，NIST）的RBAC［2］發(fā)布之后，RBAC在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用研究，取得了大量研究成果［3］。

協(xié)同工作方面，MATTAS等［4－5］針對基于 Web的協(xié)同環(huán)境下角色管理效率不高的問題，對角色進行動態(tài)授權(quán)，實現(xiàn)了細粒度的、適時的授權(quán)管理。CRUZ等［6］通過建立多個局部策略中心與一個全局策略中心的聯(lián)系，實現(xiàn)了不同地域之間的角色映射。在產(chǎn)品開發(fā)和數(shù)據(jù)管理方面，李濤等［7］通過分析操作之間的約束關(guān)系，進行了類操作和角色之間的約束管理，給出了權(quán)限授予規(guī)則和權(quán)限控制規(guī)則。龍勤等［8］提出了一種基于角色的可管理訪問控制模型，在模型中增加了客體角色的概念，對NIST RBAC參考模型進行了有效的擴展，使該模型具有了更強的表達能力。這些研究成果針對產(chǎn)品開發(fā)或管理中出現(xiàn)的安全訪問問題提出了優(yōu)秀的解決方案，但是尚不能滿足協(xié)同開發(fā)環(huán)境下的訪問控制需求。

RBAC模型的廣泛應(yīng)用暴露出了模型存在的問題。LI等［9］指出了NIST RBAC標(biāo)準(zhǔn)模型中存在的問題和錯誤，并提出了相應(yīng)的修改建議。FERRAIOLO等［10］回應(yīng)了文獻［9］提出的問題，并對這些問題進行了深入分析。KUHN等［11］提出可在RBAC模型中融入屬性以解決RBAC中存在的一些問題，但未提出明確的方案。JIN等［12］提出以角色為中心的基于角色和屬性的訪問控制模型，通過增加以用戶屬性和客體屬性為基礎(chǔ)的權(quán)限過濾策略，限制用戶激活角色的可用權(quán)限，從而在一定程度上避免了出現(xiàn)大量權(quán)限配置差異不大的相似角色，但是，這種處理方式只是通過約束機制限制用戶的訪問，未在角色權(quán)限配置過程中考慮用戶屬性和客體屬性，且缺乏對訪問控制中的屬性進行深入分析，難以滿足客體屬性動態(tài)變化對訪問控制的要求。

國家863課題（2006AA04Z161）研究成果“協(xié)同設(shè)計仿真平臺”在企業(yè)中的應(yīng)用表明，產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)環(huán)境對訪問控制的要求包括：①訪問控制必須適應(yīng)客體屬性的動態(tài)變化；②采用分布式授權(quán)，授權(quán)應(yīng)受到全局約束的限制。由于產(chǎn)品協(xié)同開發(fā)環(huán)境的訪問控制策略需要不斷調(diào)整，應(yīng)降低業(yè)務(wù)模塊和訪問控制模塊的耦合度。

本文提出一種針對協(xié)同開發(fā)環(huán)境的基于角色和屬性的訪問控制模型，采用客體公共屬性作為定義權(quán)限的基本元素，采用主體組織屬性作為約束角色權(quán)限配置策略的基本元素，將屬性融入權(quán)限配置階段，以適應(yīng)客體屬性動態(tài)變化的要求，提高授權(quán)管理的靈活性，滿足協(xié)同開發(fā)環(huán)境對訪問控制的要求。

1 擴展模型

1．1 NIST RBAC標(biāo)準(zhǔn)模型

NIST提出的RBAC標(biāo)準(zhǔn)模型［2］如圖1所示，RBAC的基本特征是用戶的訪問權(quán)限通過角色間接獲得。

標(biāo)準(zhǔn)模型中相關(guān)的集合、函數(shù)和關(guān)系描述如下：

（1）U，R，OP，O 和SESSION 分別表示用戶集、角色集、操作集、客體集和會話集。

（2）URA?U×R，表示用戶角色配置關(guān)系的多對多映射。

（3）assigned＿users（r）＝ ｛u∈U｜（u，r）∈URA｝，表示被賦予角色r的用戶集。

（4）P＝2（OP×O），表示權(quán)限集。

（5）PRA?P×R，表示角色權(quán)限配置關(guān)系的多對多映射。

（6）assigned＿permissions（r）＝｛p∈P｜（p，r）∈PRA｝，表示賦予角色r的權(quán)限集。

（7）session＿users（session）→U，表示會話session所對應(yīng)的用戶集中的用戶。

（8）session＿roles（session）→2R，表示會話session所對應(yīng)的角色集。

（9）RH?R×R，表示角色繼承的偏序關(guān)系。

1．2 基于角色和屬性的模型

針對協(xié)同開發(fā)環(huán)境的要求，在標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上，增加客體公共屬性和主體組織屬性，定義以客體公共屬性為基礎(chǔ)的權(quán)限，在訪問控制的權(quán)限配置階段融入屬性，能夠增加訪問模型的靈活性和表達力，使模型能夠表達協(xié)同開發(fā)環(huán)境針對客體屬性變化和協(xié)同工作特點而提出的安全策略，例如不同設(shè)計階段的零件數(shù)據(jù)的訪問范圍不同，不同協(xié)作單位對相同數(shù)據(jù)的訪問權(quán)限不同?；诮巧蛯傩缘哪Ｐ腿鐖D2所示。

（1）客體公共屬性

定義1 客體公共屬性。根據(jù)訪問控制需求確定的一組客體通用屬性，公共屬性的值域為容量有限的離散域。

協(xié)同開發(fā)環(huán)境中，客體的某些屬性是動態(tài)變化的，客體在不同屬性狀態(tài)下的可訪問性是不同的。例如：產(chǎn)品開發(fā)的不同階段能夠參與的角色和人員不同；不同學(xué)科的工作由不同專業(yè)的人員完成，但是其中存在交互，結(jié)構(gòu)設(shè)計所生成的數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換提供給仿真分析人員進行虛擬分析；數(shù)據(jù)的密級經(jīng)過一段時間之后可能降低，更多的角色或人員能夠訪問。如果根據(jù)數(shù)據(jù)的每個狀態(tài)設(shè)計不同的角色，則角色數(shù)量會大幅增加，不利于權(quán)限管理。

每個客體擁有大量屬性，不同客體之間的屬性不統(tǒng)一，例如齒輪有其特有的類型屬性（圓柱齒輪、錐齒輪、面齒輪等），不能用“齒輪類型”對客體進行統(tǒng)一的控制。應(yīng)用于訪問控制的客體屬性必須是能夠約束所有客體的“公共”屬性。

以O(shè)表示全體對象的集合，Ai表示一個客體公共屬性，T（A1，A2，…，An）表示由n個公共屬性組成的客體公共屬性元組，Di表示公共屬性Ai的值域，Di中的任一取值v都確定一個客體子集S（Ai＝v），即

并且規(guī)定所有公共屬性的一個取值組合t（a，b，…，c）確定的客體子集

客體公共屬性確定的客體子集具有以下性質(zhì)：

性質(zhì)1 ?Ai∈T，∪v∈DiS（Ai＝v）＝O。

性質(zhì)2 ?Ai∈T，?a∈Di，?b∈Di，若a≠b，則S（Ai＝a）∩S（Ai＝b）＝?。

性質(zhì)3 所有公共屬性取值組合確定的客體子集共有Πni＝1｜Di｜個。

（2）主體組織屬性

定義2 主體組織屬性。反映用戶和角色在企業(yè)或機構(gòu)中組織關(guān)系的屬性。

協(xié)同開發(fā)環(huán)境中，多個協(xié)作單位協(xié)同工作，一方面需要分布式授權(quán)，以降低中心單位權(quán)限管理的負(fù)擔(dān)，另一方面作為信息所有者的中心單位要保證信息的安全，故需要采用分布授權(quán)和集中管理相結(jié)合的方式。以“組織屬性”作為對角色的約束，可以避免不同單位角色名稱的沖突，并實現(xiàn)對角色權(quán)限的高層約束，例如：角色具有“單位”屬性，各單位定義角色時不必考慮是否會與其他單位的角色重名；中心單位可以將權(quán)限約束定義到“單位”級，即對目標(biāo)單位的所有角色進行約束。訪問控制系統(tǒng)中的組織屬性取值應(yīng)相對穩(wěn)定，否則將影響全局的權(quán)限設(shè)置。例如，因為“單位名稱”可能會改變，進而影響訪問控制系統(tǒng)的權(quán)限配置，所以采用“單位ID”更為適當(dāng)。

以符號e表示組織實體，E表示所有組織實體組成的集合，u表示用戶，U 表示用戶集，U（e）表示屬于組織實體e的用戶集合，r表示角色，R表示角色集，R（u）表示用戶u的角色集，R（e）表示屬于組織實體的角色集，主體組織屬性表現(xiàn)為下列性質(zhì)：

性質(zhì)4 ?u∈U，?e∈E，使u∈U（e）。

性質(zhì)5 ?r∈R，?e∈E，使r∈R（e）。

性質(zhì)6 ?e∈E，?u∈U（e），則R（u）?R（e）。

性質(zhì)7 ?e1∈E，?e2∈E，e1≠e2，?r1∈R

（e1），?r2∈R（e2），若存在偏序關(guān)系e1＜e2，則r2＜r1。

（3）權(quán)限

定義3 權(quán)限。操作與客體子集的二元組，表示可以在客體集上施加操作。

如果把客體的標(biāo)識符（名稱或ID）作為客體屬性，則客體可視為由其標(biāo)識符確定的單元素集合，因此該定義是對美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ANSI）標(biāo)準(zhǔn)模型中權(quán)限定義（操作與客體的二元組）的擴展。

基于角色的訪問控制的優(yōu)勢之一是角色權(quán)限明確，易于權(quán)限分析和控制。引入屬性的訪問控制模型雖然可以滿足權(quán)限定義的靈活性，但是由于各種客體子集的組合比較復(fù)雜，使角色權(quán)限的明確性降低，定義權(quán)限的相關(guān)運算規(guī)則，能夠在復(fù)雜的條件下計算角色權(quán)限，便于角色權(quán)限分析。

為了使表達更加清晰，下面以符號H表示操作集，h表示操作，P表示權(quán)限集，權(quán)限

式中p∈P，h∈H，Ai∈T，v∈Di。

任意兩個權(quán)限p1：＝S（Ai＝v）/h1，p2：＝S（Aj＝w）/h2的相關(guān)運算規(guī)則如下：

規(guī)則1 權(quán)限相等：若h1＝h2，i＝j(luò)，v＝w，則p1＝p2。

規(guī)則2 權(quán)限并：p1＋p2：＝S（Ai＝v）/h1＋S（A＝w）/h＝ ｛p｝，p1＝p2＝p；

j2｛｛p1，p2｝，p1≠p2。

規(guī)則3 權(quán)限交：

p1×p2：＝S（Ai＝v）/h1×S（Aj＝w）/h2＝

（S（Ai＝v）∩S（Aj＝w））/h， h1＝h2＝h；?， h1≠h2。

任意兩個權(quán)限集P1?P，P2?P的相關(guān)運算規(guī)則如下：

規(guī)則4 權(quán)限集并：P1＋P2＝∪（px＋py｜px∈P1，py∈P2）。

規(guī)則5 權(quán)限集交：P1×P2＝∪（px×py｜px∈P1，py∈P2）。

任一權(quán)限p與任一權(quán)限集Px?P的相關(guān)運算規(guī)則如下：

規(guī)則6 權(quán)限與權(quán)限集的并：p＋Px＝∪（p＋px｜px∈Px）。

規(guī)則7 權(quán)限與權(quán)限集的交：p×Px＝∪（p×px｜px∈Px）。

并運算和交運算都滿足交換律和結(jié)合律，并滿足對交運算的分配律。

3 安全性

協(xié)同開發(fā)工作以一個中心單位負(fù)責(zé)、多個協(xié)作單位參與的形式展開，訪問控制模型必須保證協(xié)同工作中數(shù)據(jù)的安全性。訪問控制系統(tǒng)安全性的含義是，任何違反資源所有者意愿的訪問都不會發(fā)生［13］。協(xié)同開發(fā)環(huán)境中，信息資源的所有者是企業(yè)或機構(gòu)，企業(yè)或機構(gòu)制訂的相關(guān)規(guī)章制度可視為對信息訪問的意愿。

通過如圖3所示的全局訪問控制矩陣可表示企業(yè)對數(shù)據(jù)訪問的門限要求，圖中通過公共屬性確定客體子集，通過組織屬性定位角色，角色與客體子集的交叉點為操作子集。圖中實例的含義是角色α．β．γ可以對客體子集S（Ai＝v）進行操作子集Hx中的所有操作。

可通過如下實施步驟保證協(xié)同開發(fā)環(huán)境訪問控制的安全性。

步驟1 中心單位根據(jù)數(shù)據(jù)安全相關(guān)規(guī)章制度制訂所有角色的權(quán)限上限，形成如圖3所示的全局訪問控制矩陣。

步驟2 所有協(xié)作單位完成本單位的角色權(quán)限配置。

步驟3 所有協(xié)作單位角色的權(quán)限集與全局訪問控制矩陣中的對應(yīng)角色權(quán)限集進行交運算，計算結(jié)果為協(xié)作環(huán)境中角色的實際權(quán)限集。

例如，系統(tǒng)中三個公共屬性及其值域分別為：A1－｛1，2｝，A2－｛1，2｝，A3－｛1，2｝。中心單 位指定了某協(xié)同單位角色r2的權(quán)限上限：

該協(xié)作單位角色r2的權(quán)限包括從角色r1繼承部分和附加部分：

則角色r2實際權(quán)限為：

4 應(yīng)用

在協(xié)同設(shè)計仿真平臺中實施本文提出的訪問控制模型，要求業(yè)務(wù)系統(tǒng)根據(jù)不同角色展示不同的內(nèi)容，而平臺中角色的數(shù)量較多且角色權(quán)限隨著需求的變化需要調(diào)整，尤其在平臺使用初期，角色權(quán)限的調(diào)整比較頻繁，因此系統(tǒng)的模塊化設(shè)計非常重要。

例如，在采用分布式授權(quán)的訪問控制系統(tǒng)中采用的客體公共屬性為：階段｛產(chǎn)品計劃，方案設(shè)計，詳細設(shè)計｝、學(xué)科｛結(jié)構(gòu)，仿真｝、密級｛普通，秘密，機密，絕密｝，其中密級的偏序關(guān)系為：普通＜秘密＜機密＜絕密。訪問控制系統(tǒng)中采用的主體組織屬性包括：單位｛中心單位及所有協(xié)作單位｝、部門｛所有部門｝。不同用戶在同一時間登錄平臺，能夠訪問的數(shù)據(jù)不同；數(shù)據(jù)對象的公共屬性隨著項目進展發(fā)生變化，用戶在不同時期登錄平臺，能夠訪問的數(shù)據(jù)不同。

中心單位分別設(shè)置了全局權(quán)限，以約束兩個協(xié)作單位A、B的局部權(quán)限配置，如表1所示。協(xié)作單位A的部門a對其角色高級工程師和工程師的權(quán)限配置，以及協(xié)作單位B的部門b對其角色工程師的權(quán)限配置如表2所示。

表1 全局權(quán)限設(shè)置

表2 協(xié)作單位的局部權(quán)限

由于角色的主體組織屬性不同，部門a和部門b的工程師角色不會沖突。確定角色的實際權(quán)限時，角色在全局權(quán)限和局部權(quán)限定義信息中的“主體組織屬性”必須匹配，本例中角色的“單位”屬性要匹配。

部門a的角色權(quán)限配置沒有超出中心單位的全局權(quán)限配置，因此角色高級工程師、工程師的實際權(quán)限與表2中的局部權(quán)限相同。部門b的工程師角色被授予超出上限的權(quán)限（讀秘密級數(shù)據(jù)），但實際權(quán)限中不包含該權(quán)限。部門b的工程師角色雖然不能訪問當(dāng)前秘密級的數(shù)據(jù)，但當(dāng)秘密級別的數(shù)據(jù)到達保密期限后密級降為普通級，則部門b的工程師角色即可訪問原來無權(quán)訪問的數(shù)據(jù)。

與訪問請求中包含的Web上下文屬性不同，客體公共屬性是訪問內(nèi)容的屬性，該屬性難以在訪問請求中獲得，需要根據(jù)訪問客體的標(biāo)示符從數(shù)據(jù)存儲區(qū)獲得，直接采用這種方式執(zhí)行權(quán)限檢查會大幅增加訪問控制的時間成本。另外，由于存在大量角色，如果針對每種角色的訪問權(quán)限進行代碼實現(xiàn)，則會出現(xiàn)大量冗余代碼，降低系統(tǒng)的模塊化水平，提高系統(tǒng)升級和維護的成本。

協(xié)同設(shè)計仿真平臺采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)存儲工具，利用查詢修改方法［14］可解耦訪問控制部分與業(yè)務(wù)部分，使系統(tǒng)實現(xiàn)良好的模塊化。查詢修改方法是指對用戶發(fā)送的關(guān)系數(shù)據(jù)庫查詢語句（SQL）進行用戶透明的修改，以反映系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫查詢的特殊要求。例如，對于齒輪數(shù)據(jù)的瀏覽功能，業(yè)務(wù)部分需要查詢數(shù)據(jù)庫表t＿gears，提交的SQL語句可統(tǒng)一為：

Q0：SELECT ＊ FROM t＿gears。如果當(dāng)前用戶激活角色的實際權(quán)限為：其中：客體公共屬性為階段（phase）、學(xué)科（domain）和密級（secret），操作類型為read，則經(jīng)過查詢修改的SQL語句為：

Q1：SELECT ＊ FROM t＿gears WHERE（phase＝”詳細設(shè)計”）AND（domain＝”結(jié)構(gòu)”O(jiān)R domain＝”仿真”）AND（secret＝“秘密”）。

數(shù)據(jù)庫的返回結(jié)果中只包含用戶權(quán)限范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。

協(xié)同設(shè)計仿真平臺中訪問控制的實施邏輯如圖4所示，實現(xiàn)了平臺的模塊化。圖5為協(xié)同設(shè)計仿真平臺中某協(xié)作單位進行角色權(quán)限配置的視圖，圖中的單位和部門是角色的組織屬性，而階段、學(xué)科和密級等是客體公共屬性。

5 結(jié)束語

本文針對協(xié)同開發(fā)環(huán)境提出了基于角色和屬性的訪問控制模型，通過引入客體公共屬性和主體組織屬性，增強了標(biāo)準(zhǔn)RBAC模型的表達力，能夠滿足協(xié)同開發(fā)環(huán)境在訪問控制方面的以下要求：①協(xié)同開發(fā)環(huán)境中數(shù)據(jù)類型動態(tài)變化條件下的靈活授權(quán)；②保證協(xié)同開發(fā)環(huán)境中分布式授權(quán)的安全性；③在以關(guān)系數(shù)據(jù)庫作為存儲工具的協(xié)同開發(fā)環(huán)境中，采用查詢修改方法解耦訪問控制與業(yè)務(wù)系統(tǒng)，有利于系統(tǒng)的模塊化實現(xiàn)。但是由于該模型的應(yīng)用時間較短，未來還需要廣泛調(diào)研和深入分析協(xié)同開發(fā)環(huán)境的需求與特點，以適應(yīng)協(xié)同開發(fā)環(huán)境不斷發(fā)展的需求；還需要對擴展模型中的概念進一步抽象，使模型能夠適用于其他使用環(huán)境。

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