帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制模型的研究與應(yīng)用

金光明 沈曄　袁定蓮　張坤　龐琨

摘 要：基于角色的訪問(wèn)控制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于管理信息系統(tǒng)中，但其只能通過(guò)角色來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶和權(quán)限的關(guān)聯(lián)，當(dāng)系統(tǒng)有臨時(shí)授權(quán)用戶的需求時(shí)操作不便，且用戶角色關(guān)聯(lián)關(guān)系缺乏靈活性，不能隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。本文在研究已有訪問(wèn)控制策略基礎(chǔ)上，建立了用戶權(quán)限直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，并提出了時(shí)間約束因子，將其引入用戶角色指派與用戶權(quán)限指派中，建立了帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制（TRAC，Time-Restricted Access Control）模型。在檔案管理系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用表明，該模型能很好的實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，提高系統(tǒng)訪問(wèn)控制策略的靈活性與可配置性。

關(guān)鍵詞：訪問(wèn)控制；時(shí)間約束因子；用戶權(quán)限

中圖分類號(hào)：TP311.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和開(kāi)放化在人們工作和生活中的普及，信息系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用，讓給人們帶來(lái)了快捷、便利的工作生活環(huán)境，但隨之而來(lái)的多用戶、多終端可以遠(yuǎn)程操作信息系統(tǒng)的這一問(wèn)題，這對(duì)信息系統(tǒng)的安全防患工作構(gòu)成了巨大的挑戰(zhàn)。目前信息系統(tǒng)采用的安全防患措施主要有兩類：系統(tǒng)部署安全和軟件設(shè)計(jì)安全。前者如采用防火墻、隔離設(shè)備、終端接入方式等對(duì)軟硬件設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，屬于系統(tǒng)部署級(jí)別的防護(hù)；后者如采用訪問(wèn)控制策略、用戶終端驗(yàn)證等方法，屬于軟件設(shè)計(jì)級(jí)別的防護(hù)。在具體的應(yīng)用中，后者更具有靈活性與可配置性，本文從用戶的訪問(wèn)控制角度研究信息系統(tǒng)的安全性。

訪問(wèn)控制（Access Control）指系統(tǒng)限制對(duì)用戶身份及其所屬的預(yù)先定義的策略組限制其使用數(shù)據(jù)資源能力的手段，通常用于系統(tǒng)管理員控制用戶對(duì)服務(wù)器、目錄、文件等網(wǎng)絡(luò)資源的訪問(wèn)。傳統(tǒng)的訪問(wèn)控制類型有：自主訪問(wèn)控制（DAC， Discretionary Access Control）和強(qiáng)制訪問(wèn)控制（MAC， Mandatory Access Control），這兩種訪問(wèn)控制都是通過(guò)直接關(guān)聯(lián)用戶和操作對(duì)象直接進(jìn)行關(guān)聯(lián)，約束用戶的權(quán)限，而隨著信息系統(tǒng)資源結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，終端規(guī)模日益增大，這種用戶和操作對(duì)象的直接關(guān)聯(lián)模式滿足不了系統(tǒng)需求[1，2，18]。

目前廣泛采用的基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC，Role-Based Access Control）模型，是在用戶和操作對(duì)象之間加入了角色，通過(guò)對(duì)角色的訪問(wèn)進(jìn)行控制，使權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，用戶通過(guò)成為適當(dāng)角色的成員而得到其角色的權(quán)限[3]。這種策略能為大規(guī)模系統(tǒng)中多權(quán)限多用戶的管理帶來(lái)便利，而在實(shí)際應(yīng)用中，RBAC訪問(wèn)控制模型存在如下不足：

（1）臨時(shí)授權(quán)用戶操作不便。如果系統(tǒng)需要臨時(shí)授予某個(gè)用戶某個(gè)權(quán)限，目前的RBAC模型需要先建立一個(gè)新的角色，然后將權(quán)限與新角色建立聯(lián)系，最后將這個(gè)新角色賦予給該用戶，這樣的操作流程對(duì)需要頻繁進(jìn)行臨時(shí)授權(quán)的信息系統(tǒng)而言，顯然不合理。

（2）缺少權(quán)限時(shí)間約束。RBAC模型中給用戶授予的角色缺少時(shí)間約束，用戶與角色一旦建立關(guān)聯(lián)，就永久有效，不會(huì)隨時(shí)間變化，這不滿足臨時(shí)授權(quán)用戶的角色在指定時(shí)間段內(nèi)有效的需求。

本文基于已有基于角色的訪問(wèn)控制（RBAC）模型的不足，對(duì)RBAC進(jìn)行了改進(jìn)，增加了用戶與權(quán)限的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且提出了時(shí)間約束因子，將其引入到用戶角色指派和用戶權(quán)限指派中，使得用戶角色權(quán)限具有時(shí)間動(dòng)態(tài)性，從而滿足臨時(shí)授權(quán)用戶的權(quán)限動(dòng)態(tài)變化的需求。

本文的結(jié)構(gòu)如下：第一節(jié)提出信息系統(tǒng)中訪問(wèn)控制策略的需求，并提出本文需要解決的問(wèn)題；第二節(jié)分析了已有的RBAC及其改進(jìn)模型；第三節(jié)詳細(xì)闡述了本文提出的帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制TRAC模型；第四節(jié)將TRAC模型在實(shí)際的檔案管理系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用；最后對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。

2 RBAC及已有改進(jìn)模型（RBAC and The Improved

Model）

2.1 RBAC模型

1992年Ferraiolo和Kuhn提出了RBAC的概念，逐漸成為當(dāng)前流行的先進(jìn)的安全管理控制方法。所謂角色（role）是指擁有一定權(quán)限和責(zé)任的某一特定職位。RBAC在用戶和資源之間加入了角色，把對(duì)資源的使用權(quán)賦予角色，然后讓用戶屬于某一角色，從而使用戶具有角色的權(quán)限。這樣，整個(gè)訪問(wèn)控制過(guò)程就分成兩個(gè)部分，即訪問(wèn)權(quán)限與角色相關(guān)聯(lián)，角色再與用戶關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)用戶與訪問(wèn)權(quán)限的邏輯分離，其模型如圖1所示[4-6]。

RBAC使權(quán)限管理更為簡(jiǎn)單、更容易維護(hù)，更適合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和大型管理信系統(tǒng)（MIS， Management Information System）的使用，其特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)授權(quán)管理與角色的劃分，職責(zé)分擔(dān)以及目標(biāo)分級(jí)等控制功能[15]。

圖1 RBAC模型

Fig.1 The model of RBAC

2.2 RBAC改進(jìn)模型

RBAC模型是訪問(wèn)控制的基本模型，其對(duì)訪問(wèn)控制的各個(gè)對(duì)象進(jìn)行了定義，并給出了各對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在具體實(shí)施中，很多學(xué)者根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)。

在RBAC模型的基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[7]引入了繼承約束和時(shí)間約束，同時(shí)加入了用戶多級(jí)授權(quán)，文獻(xiàn)[14]引入了信任模型，文獻(xiàn)[8]將訪問(wèn)控制的顆粒度細(xì)化到一個(gè)地理實(shí)體，這些策略都是使得訪問(wèn)控制的粒度更加細(xì)化，滿足了模型對(duì)復(fù)雜角色關(guān)系的適應(yīng)性。

文獻(xiàn)[9]針對(duì)RBAC中角色私有權(quán)限處理方法的不足，引入公有繼承方式和角色權(quán)限轉(zhuǎn)換策略，保護(hù)角色的私有權(quán)限，而采用簡(jiǎn)單靈活的方式控制公有權(quán)限的繼承，解決了角色繼承的復(fù)雜度。

文獻(xiàn)[10]將領(lǐng)域?qū)ο髲南到y(tǒng)中分離出來(lái)，在建立對(duì)象過(guò)程中采用向?qū)Х绞剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)可擴(kuò)展功能，而擴(kuò)展的系統(tǒng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的安全訪問(wèn)控制。

文獻(xiàn)[11]提出通過(guò)建立權(quán)限約束關(guān)系來(lái)支持角色之間的約束關(guān)系，定義了權(quán)限約束支持的基于角色的約束訪問(wèn)控制模型及增強(qiáng)權(quán)限模型，這種訪問(wèn)控制模型可以增強(qiáng)系統(tǒng)安全訪問(wèn)以及提供更靈活的授權(quán)機(jī)制，有效降低安全管理員的工作復(fù)雜性。

文獻(xiàn)[12]針對(duì)Web系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了一種基于角色—功能模型的用戶訪問(wèn)控制方法，將最底層菜單中頁(yè)面實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能進(jìn)行劃分，以業(yè)務(wù)功能作為權(quán)限配置的基本單位。這種方法在菜單及頁(yè)面實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能上實(shí)施訪問(wèn)控制，可使Web系統(tǒng)用戶訪問(wèn)控制較好地滿足用戶要求，有效降低Web系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的工作量。

綜上所述，可以得出RBAC是各種訪問(wèn)控制改進(jìn)模型的原型，學(xué)者們針對(duì)具體的業(yè)務(wù)需求，對(duì)RBAC進(jìn)行了針對(duì)性的調(diào)整優(yōu)化，提高管理信息系統(tǒng)的訪問(wèn)控制效率。

3 TRAC模型設(shè)計(jì)（The Design of TRAC Model）

假設(shè)系統(tǒng)中所有用戶的集合用表示，表示系統(tǒng)中的單一用戶，系統(tǒng)中角色集合為，表示系統(tǒng)中的單一角色，系統(tǒng)中所有的權(quán)限集合為，表示系統(tǒng)中的單個(gè)權(quán)限，具體的權(quán)限應(yīng)該是操作（Operation）與對(duì)象（Object）的二元關(guān)系，操作包括增加、刪除、修改、查看、下載等動(dòng)作，對(duì)象包括功能模塊、頁(yè)面、界面元素等基本界面操作對(duì)象[1，7，15]。

定義1：時(shí)間約束因子T（Time）：指一系列描述時(shí)間區(qū)域的集合，為一個(gè)時(shí)間區(qū)域，表示不考慮時(shí)間約束，即時(shí)間區(qū)域?yàn)闊o(wú)窮大。

定義2：帶時(shí)間約束的用戶角色指派（User Role Authorize Based on Time Constraint）：指用戶集合、角色集合和時(shí)間約束因子T的多對(duì)多關(guān)系，即。其中表示用戶u、角色r及時(shí)間約束因子t的一個(gè)三元關(guān)系，即用戶u在時(shí)間區(qū)域t內(nèi)具有角色r的所有權(quán)限。

定義3：角色權(quán)限指派（Role Permission Authorize）：指角色集合R與權(quán)限集合P之間的多對(duì)多關(guān)系，即，表示角色r與權(quán)限p之間的二元關(guān)系，即角色r具有權(quán)限p。

定義4：帶時(shí)間約束的用戶權(quán)限指派（Time-Based User Permission Authorize）：指用戶集合、權(quán)限集合和時(shí)間約束因子T的多對(duì)多關(guān)系，用表示。其中表示用戶u、權(quán)限p及時(shí)間約束因子t的一個(gè)三元關(guān)系，即用戶u在時(shí)間區(qū)域t內(nèi)具有權(quán)限p。

定義5：用戶的帶時(shí)間約束權(quán)限（Time-Based Permission Authorize of User）：是指經(jīng)過(guò)與指派給用戶的帶時(shí)間約束權(quán)限的集合，是權(quán)限P與時(shí)間約束T之間的多對(duì)多關(guān)系，用表示，表示用戶u擁有的待時(shí)間約束權(quán)限，包括用戶u通過(guò)和指派的帶時(shí)間約束權(quán)限可以有重疊。

根據(jù)以上定義，提出了帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制（TBAC，Time-Based Access Control）模型，如圖2所示。與圖1中RBAC模型對(duì)比可知，配置流程時(shí)，TBAC模型在用戶和權(quán)限之間建立了直接關(guān)聯(lián)，且在用戶角色指派和用戶權(quán)限指派中，增加了時(shí)間約束條件。訪問(wèn)流程中，用戶通過(guò)會(huì)話可以從用戶角色指派間接獲取權(quán)限，也可通過(guò)用戶權(quán)限指派直接獲取權(quán)限。

圖2 TBAC模型

Fig.2 The model of TBAC

4 TRAC在檔案管理系統(tǒng)中的應(yīng)用（The application

of TRAC in file management system）

檔案管理系統(tǒng)是一個(gè)典型的MIS系統(tǒng)，其存儲(chǔ)的信息是一個(gè)單位的重要存檔資料，不同密級(jí)檔案對(duì)訪問(wèn)人員開(kāi)放程度不同，檔案的增加、刪除、修改、查看、下載等都受到非常嚴(yán)格的管控，且具有非常明確的臨時(shí)授權(quán)需求：如經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)的訪問(wèn)人員，可以在指定時(shí)間段內(nèi)具有訪問(wèn)某一類型文件的臨時(shí)權(quán)限，不在指定時(shí)間段內(nèi)，該訪問(wèn)人員的臨時(shí)權(quán)限則會(huì)自動(dòng)失效；此外年末是需歸檔文件的井噴期，大量文件需要集中歸檔，檔案管理員需要授予新用戶臨時(shí)增加檔案角色，幫助檔案的錄入，一旦檔案錄入時(shí)間截止，臨時(shí)授權(quán)人員的角色自動(dòng)失效。

針對(duì)檔案管理系統(tǒng)中對(duì)訪問(wèn)控制系統(tǒng)的需求，以下從數(shù)據(jù)庫(kù)表設(shè)計(jì)、視圖設(shè)計(jì)、系統(tǒng)流程分別進(jìn)行闡述，最后給出帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制系統(tǒng)實(shí)例。

4.1 數(shù)據(jù)庫(kù)表

根據(jù)上一節(jié)闡述的帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制模型，設(shè)計(jì)以下七個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表：

（1）用戶表（T_USER）。存儲(chǔ)所有用戶集合U，包括用戶實(shí)體及其屬性。

（2）權(quán)限表（T_PERMISSION）。存儲(chǔ)系統(tǒng)中所有權(quán)限集合U，權(quán)限劃分情況體現(xiàn)了系統(tǒng)訪問(wèn)控制顆粒度的大小，主要包括操作和對(duì)象兩個(gè)部分，操作可以是增加、刪除、修改、查看、下載等動(dòng)作，對(duì)象可以是功能模塊、某一類型信息、按鈕等界面元素。

（3）角色表（T_ROLE）。存儲(chǔ)系統(tǒng)中所有的角色集合R，包括角色實(shí)體和屬性。

（4）時(shí)間約束表（T_TIME）。存儲(chǔ)系統(tǒng)中所有的時(shí)間約束信息。包括時(shí)間約束名TimeName、時(shí)間約束類型TimeType、開(kāi)始時(shí)間BeginTime、結(jié)束時(shí)間EndTime、生命周期LifeCycle和累計(jì)生命周期AccountTime。

其中時(shí)間約束類型分為以下三類：

a.時(shí)間段約束：表示只有在指定的開(kāi)始時(shí)間BeginTime和結(jié)束時(shí)間EndTime內(nèi)，該角色或功能才是活躍的，否則用戶具有的該角色和功能無(wú)效。

b.生命周期約束：表示在受此約束的用戶登陸后，其通過(guò)指定角色或功能進(jìn)行操作的連續(xù)活躍時(shí)間不能超過(guò)生命周期LifeCycle，否則該用戶將會(huì)被強(qiáng)制重新登錄。

c.累計(jì)生命周期約束：表示受此約束的用戶登錄后，其通過(guò)指定角色或功能進(jìn)行操作的累計(jì)活躍時(shí)間不能超過(guò)累計(jì)生命周期AccountTime，否則該用戶將不具有該角色或權(quán)限。

（5）用戶權(quán)限表（T_USER_PERMISSION）。存儲(chǔ)帶時(shí)間約束的用戶權(quán)限指派集合，主要包括用戶編碼UserID、權(quán)限編碼PermissionID、時(shí)間約束編碼TimeID三個(gè)外鍵字段。

（6）用戶角色表（T_USER_ROLE）。存儲(chǔ)帶時(shí)間約束的用戶角色指派集合，主要包括用戶編碼UserID、角色編碼RoleID、時(shí)間約束編碼TimeID三個(gè)外鍵字段。

（7）角色權(quán)限表（T_ROLE_PERMISSION）。存儲(chǔ)角色權(quán)限指派集合，主要包括角色編碼RoleID、權(quán)限編碼PermissionID兩個(gè)外鍵字段。

這七個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表的主外鍵關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)主外鍵關(guān)聯(lián)關(guān)系

Fig.3 The foreign key relationship of database

4.2 視圖設(shè)計(jì)

考慮到用戶既有與權(quán)限的直接關(guān)聯(lián)關(guān)系，又有通過(guò)角色表與權(quán)限的間接關(guān)聯(lián)關(guān)系，為了提高訪問(wèn)控制的查詢效率，建立用戶的帶時(shí)間約束權(quán)限視圖V_USER_PERMISSION_TIME，如圖4所示。

圖4 帶時(shí)間約束權(quán)限視圖

Fig.4 The view of time-restricted privilege

建立帶時(shí)間約束權(quán)限視圖的SQL語(yǔ)句如圖5所示，其中union all命令將用戶的直接權(quán)限集合和間接權(quán)限集合合并起來(lái)。

圖5 建立帶時(shí)間約束權(quán)限視圖的SQL語(yǔ)句

Fig.5 The SQL of building time-restricted privilege view

4.3 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)的訪問(wèn)控制配置及訪問(wèn)流程如圖6所示。首先是系統(tǒng)訪問(wèn)控制的配置流程：系統(tǒng)管理員登錄、新增用戶信息、角色信息、權(quán)限信息；根據(jù)需要新增時(shí)間約束表信息；然后用戶角色指派和用戶權(quán)限指派，將用戶具有的角色和權(quán)限與時(shí)間約束記錄進(jìn)行關(guān)聯(lián)，也可以不指定時(shí)間約束記錄，這樣用戶角色或用戶權(quán)限關(guān)聯(lián)關(guān)系將不受時(shí)間限制，永久有效；數(shù)據(jù)庫(kù)視圖將自動(dòng)根據(jù)用戶角色和用戶權(quán)限關(guān)聯(lián)關(guān)系的調(diào)整做出相應(yīng)變化，這樣系統(tǒng)管理員就完成了整個(gè)系統(tǒng)的訪問(wèn)控制配置。

圖6 系統(tǒng)訪問(wèn)控制配置流程及訪問(wèn)流程

Fig.6 The process of system configuration and access

其次是系統(tǒng)訪問(wèn)控制的訪問(wèn)流程：普通用戶使用系統(tǒng)管理員新增的用戶信息登錄系統(tǒng)，從用戶登錄到用戶退出系統(tǒng)的整個(gè)操作過(guò)程中，進(jìn)行角色功能的生命期跟蹤，根據(jù)用戶登錄時(shí)長(zhǎng)和系統(tǒng)時(shí)間，對(duì)用戶的角色功能進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整跟蹤，通過(guò)登錄用戶查詢帶時(shí)間約束的用戶權(quán)限視圖，得到登錄用戶當(dāng)前時(shí)間的所有權(quán)限，然后允許用戶進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)象操作。

4.4 帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制實(shí)例

假設(shè)檔案管理員為用戶u配置了角色r1、角色r2、權(quán)限p1和權(quán)限p2，各角色和權(quán)限的時(shí)間約束條件如表1所示。

表1 用戶的角色權(quán)限時(shí)間約束實(shí)例

Tab.1 The time constraints example of user

role and permission

用戶 角色 權(quán)限 約束類型 約束條件

u r1 時(shí)間段約束 8：00—10：00

u r2 生命周期約束 1小時(shí)

u p1 累計(jì)生命周期約束 3小時(shí)

u p2 null null

假設(shè)用戶u在8：00登錄系統(tǒng)，那么隨著時(shí)間的變化，用戶u的角色權(quán)限動(dòng)態(tài)變化如圖7所示，9：00以后用戶的r2角色將失效，10：00以后用戶的r2角色失效，11：00以后，用戶將只具有p1功能也失效，且只具有p2的永久功能。

圖7 用戶u的角色權(quán)限隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化過(guò)程

Fig.7 The dynamic process of role and permission

with the time

通過(guò)帶時(shí)間約束的訪問(wèn)控制系統(tǒng)，檔案管理員可以對(duì)用戶的角色和權(quán)限進(jìn)行靈活的動(dòng)態(tài)配置，通過(guò)靈活的時(shí)間約束因子，讓用戶在指定的時(shí)間具有指定的角色或權(quán)限，當(dāng)用戶操作時(shí)間不在指定時(shí)間內(nèi)時(shí)，用戶相應(yīng)的角色或權(quán)限或自動(dòng)失效，這樣能減少了系統(tǒng)管理員刪除用戶權(quán)限的操作。

5 結(jié)論（Conclusion）

針對(duì)固定的基于角色的訪問(wèn)控制模型不能很好的滿足臨時(shí)用戶使用信息系統(tǒng)的需求，本文在研究分析信息系統(tǒng)訪問(wèn)控制基本模型的基礎(chǔ)上，增加了用戶與功能的直接關(guān)聯(lián)，并在用戶權(quán)限指派和用戶角色指派中加入了時(shí)間約束因子，使得信息系統(tǒng)的訪問(wèn)控制策略具有動(dòng)態(tài)性，提升了訪問(wèn)控制策略的靈活性，使其更加貼近用戶可配置的應(yīng)用需求。在今后的工作中，將深入研究組合角色定義的理論和方法，并增加用戶所在終端約束條件，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的訪問(wèn)控制效率。

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作者簡(jiǎn)介：

金光明（1962-），男，碩士，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：軟件開(kāi)發(fā)，信息安全.

沈 曄（1985-），男，碩士，助理工程師.研究領(lǐng)域：信息安全.

袁定蓮（1990-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：訪問(wèn)控制.

張 坤（1990-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：訪問(wèn)控制.

龐 琨（1980-），男，碩士生.研究領(lǐng)域：數(shù)據(jù)安全.