入侵容忍數(shù)據(jù)庫隔離算法設(shè)計(jì)

任強(qiáng)

摘 要：入侵容忍數(shù)據(jù)庫是解決數(shù)據(jù)安全問題的有效途徑，但是入侵容忍數(shù)據(jù)庫隔離算法的性能嚴(yán)重影響入侵容忍數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率，成為制約入侵容忍數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用的主要障礙。這里通過分析入侵檢測和攻擊恢復(fù)的過程，給出一種入侵容忍數(shù)據(jù)庫隔離算法的設(shè)計(jì)思路，以提高入侵容忍數(shù)據(jù)庫的運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：入侵容忍；隔離；算法

1 概述

數(shù)據(jù)庫原子事務(wù)的性質(zhì)表明，只有被提交成功的事務(wù)才能改寫數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。因此，在理論上只要我們能在事務(wù)提交前檢測出它是否是惡意的，則可以在引起錯(cuò)誤前回滾該事務(wù)。然而，這個(gè)方案事實(shí)上是不可行的：首先，事務(wù)執(zhí)行的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于檢測的速度，而降低事務(wù)的執(zhí)行速度會引起嚴(yán)重的拒絕服務(wù)。其次，一些經(jīng)過授權(quán)卻是惡意的事務(wù)很難檢測出來。這些惡意事務(wù)與其他合法的事務(wù)看起來一樣。基于事務(wù)語義的異常檢測可能是鑒別這種惡意事務(wù)的僅有的有效手段，然而對于異常檢測要想在合理的檢測反應(yīng)時(shí)間和虛警率的條件下實(shí)現(xiàn)100%的檢測率，即使可以實(shí)現(xiàn)也是非常困難的。

因此，可行的目標(biāo)應(yīng)該是在數(shù)據(jù)庫被破壞后，盡快定位被破壞的部分并修復(fù)，從而是數(shù)據(jù)庫在遭受攻擊時(shí)可以繼續(xù)提供服務(wù)。

2 損害數(shù)據(jù)的隔離方案

2.1 隔離工作過程

首先，根據(jù)門限值THm和THs作為入侵檢測報(bào)告兩種級別的警告。當(dāng)異常事務(wù)高于異常門限THm時(shí)，該事務(wù)被報(bào)告為惡意的；當(dāng)異常事務(wù)高于異常門限THs，而低于異常門限THm時(shí)，該事務(wù)被報(bào)告為可疑的（THs和THm的值取決于先前攻擊的統(tǒng)計(jì)分析）。當(dāng)惡意事務(wù)被報(bào)告之后，系統(tǒng)進(jìn)行以下工作；當(dāng)可以事務(wù)被報(bào)告之后，協(xié)調(diào)者在隔離管理者的協(xié)助下，將Ts（以及提交Ts的用戶之后的事務(wù)）重定向到虛擬的隔離數(shù)據(jù)庫中，在那里用戶被隔離。隨后，如果用戶被證明是惡意的，隔離管理者將取消該用戶的操作；如果用戶不是惡意的，隔離管理者將該用戶的操作結(jié)果導(dǎo)入主數(shù)據(jù)庫。采用這種方案，破壞擴(kuò)散能被急劇減少而不犧牲檢測速度或降低對正常事務(wù)的可用性。

我們按用戶隔離是因?yàn)橛赏粋€(gè)用戶提交的事務(wù)應(yīng)該相互了解結(jié)果。這個(gè)方案應(yīng)該能夠同時(shí)隔離多個(gè)用戶。將一組用戶隔離在同一個(gè)虛擬數(shù)據(jù)庫可以有助于解決合謀攻擊，然而，當(dāng)只有部分用戶是惡意的時(shí)候，這將導(dǎo)致大量的應(yīng)用性下降。

采用完全的數(shù)據(jù)庫復(fù)制去隔離用戶有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是代價(jià)高昂；二是沒被隔離的用戶更新結(jié)果對隔離用戶是不可見的。在該方案中，我們采用數(shù)據(jù)版本虛擬構(gòu)建隔離數(shù)據(jù)庫。一個(gè)數(shù)據(jù)對象x通?？偸菗碛形ㄒ恍湃伟姹荆洖閤[main]。只有當(dāng)x被隔離用戶更新后，x擁有一個(gè)特別的可疑版本。這樣，總的可以版本的數(shù)量將大大少于信任版本的數(shù)量。

隔離算法有兩個(gè)關(guān)鍵部分：（1）隔離用戶進(jìn)行怎樣讀寫操作（注意，未被隔離的用戶只能訪問主數(shù)據(jù)庫）；（2）一個(gè)隔離用戶被證明是非惡意之后，如何將其融合到主數(shù)據(jù)庫。對第一個(gè)問題，我們可以采取單向隔離：如果沒有一致的可疑版本，隔離者可以讀信任版本，且所有隔離者的寫操作都標(biāo)記為可疑版本。第二個(gè)問題的關(guān)鍵在于信任版本和可疑版本不一致。如果一個(gè)可信用戶和一個(gè)可疑用戶分別更新同一個(gè)對象x，x[main]與可疑版本將不一致，為了進(jìn)行融合就必須其中一個(gè)更新。此外，研究表明即使不是更新同一個(gè)對象也會引起不一致。并且，一個(gè)隔離對象的融合可能會影響到另一個(gè)仍舊被隔離的用戶。這些不一致必須在融合時(shí)解決掉。

2.2 隔離方案的特點(diǎn)

本方案具有以下的特點(diǎn)：（1）在很大程度上，隔離對可疑用戶是透明的。（2）隔離帶來的額外存儲開銷很低。（3）數(shù)據(jù)在隔離前和融合后是一致的。（4）在融合過程中，如果這里有某些不一致，某些隔離的或未被隔離的事務(wù)不得不退回以解決這個(gè)問題，這是該方案的主要代價(jià)。幸運(yùn)的是，研究表明事務(wù)回滾的代價(jià)只有5%。在不一致問題解決后，通過將剩下的隔離用戶的更新導(dǎo)入主數(shù)據(jù)庫，很容易完成融合過程。（5）該方案與數(shù)據(jù)庫服務(wù)幾乎沒有沖突，只有在每個(gè)融合過程中隔離用戶不能執(zhí)行新事物，主數(shù)據(jù)庫涉及到的向前更新進(jìn)程的數(shù)據(jù)表會被臨時(shí)鎖定。

3 隔離算法設(shè)計(jì)

基于上述的隔離方案，設(shè)計(jì)隔離算法如下：

開始

如果SQL語句想插入數(shù)據(jù)的表（表示為Ri）沒有為可疑用戶建立可疑版本（指示為Si）

創(chuàng)建Si；

如果SQL語句在值域沒有子查詢

重寫插入語句，使Si代替Ri；

附送重寫的插入語句到Oracle Server；

否則假設(shè)SQL語句的子查詢訪問數(shù)據(jù)表Rj1，….，Rjn

對于每一個(gè)Rjk，如果包含Sjk中被刪除的記錄，則從Rjk中刪除，并在內(nèi)存中保存這些記錄；

對于每一Sjk，如果包含Rjk中沒有的記錄，則插入這些記錄到Rjk中；

重寫插入語句，去掉"INSERT INTO table_name"；

重寫由前一步驟產(chǎn)生的查詢語句；

假設(shè)結(jié)果表示為To_Insert，附送這個(gè)語句序列到Oracle server執(zhí)行；

刪除已經(jīng)被插入到Rj1，…，Rjn 的每一個(gè)記錄；

對已經(jīng)被從Rj1，…，Rjn 中刪除的記錄，重插入這些記錄到Rj1，…，Rjn；

將To_Insert中的每一個(gè)記錄插入到相應(yīng)的Sjk；

結(jié)束

4 下一步的工作

本方案說明，基于COTS組件來建設(shè)的容忍入侵的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）一個(gè)多層的深度防御方式，通常比使系統(tǒng)的可存活性依賴于一個(gè)或兩個(gè)諸如入侵探測的機(jī)制效率的方法有更多的成本效益；（2）適應(yīng)性的容忍入侵機(jī)制通常比提前編制的容忍入侵機(jī)制有更多的成本效益；（3）面向服務(wù)的容忍入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)通常比面向狀態(tài)的容忍入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)有更多的成本效益。

針對下一步工作，我們認(rèn)為未來研究方向應(yīng)該有以下幾個(gè)方面：

首先，惡性事務(wù)也許能被一系列部分復(fù)制的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器掩蓋，這里每個(gè)服務(wù)器只執(zhí)行一組而并非全部事務(wù)。這樣一個(gè)偽裝的框架的關(guān)鍵挑戰(zhàn)應(yīng)該是安全與數(shù)據(jù)一致性間的權(quán)衡。

其次，入侵探測器的準(zhǔn)確性和反應(yīng)時(shí)間對容忍入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的整個(gè)成本效益有很大的影響，這點(diǎn)一般是正確的。因此，為了使配置一個(gè)探測器的容忍入侵的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)有成本效益，知道該探測器需要做到怎樣好（根據(jù)假正數(shù)率，假負(fù)數(shù)率和探測反應(yīng)時(shí)間）是很值得的。

最后，操作系統(tǒng)級和事務(wù)級的容忍入侵機(jī)制應(yīng)該被無縫的整合來建造多層的容忍入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)。這個(gè)整合需要仔細(xì)研究這兩級機(jī)制間的關(guān)系。例如，盡管使用事務(wù)級方式不能探測出操作系統(tǒng)級數(shù)據(jù)污染，但事務(wù)級方式對恢復(fù)這些污染十分有用。

參考文獻(xiàn)

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