基于區(qū)塊鏈技術(shù)的防篡改審計系統(tǒng)設(shè)計

周黎

(陜西學(xué)前師范學(xué)院 馬克思主義學(xué)院, 陜西 西安 710100)

0 引言

在互聯(lián)網(wǎng)時代，人們在享受網(wǎng)絡(luò)信息服務(wù)的同時也面對著非法網(wǎng)絡(luò)活動的威脅，計算機審計系統(tǒng)的出現(xiàn)在分析網(wǎng)絡(luò)攻擊行為方式、發(fā)出危險預(yù)警等方面發(fā)揮了極大的作用[1]。但是，審計系統(tǒng)中具有超級權(quán)限的管理員也有可能成為不安全因素的制造者，因而對統(tǒng)計系統(tǒng)本身提出了更高的安全性要求[2]。區(qū)塊鏈技術(shù)由比特幣衍生而來，能夠在開放的環(huán)境中創(chuàng)建無法修改的可信數(shù)據(jù)[3]。本文設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈的防特權(quán)賬號篡改審計系統(tǒng)，在充分利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)不可篡改特性的同時，基于細粒度訪問控制對數(shù)據(jù)進行加密處理，并制定了快捷高效的稽核方案，從而在根本上解決了超級管理員利用自身權(quán)限開展非法網(wǎng)絡(luò)活動的問題。

1 系統(tǒng)框架和設(shè)計目標

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的防特權(quán)賬號篡改審計系統(tǒng)由密鑰管理服務(wù)器、審計驗證系統(tǒng)、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)和傳統(tǒng)審計系統(tǒng)5個部分組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 防特權(quán)賬號篡改審計系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

在以上各組成部分中，傳統(tǒng)審計系統(tǒng)是本系統(tǒng)的基礎(chǔ)，能夠記錄并分析包括超級管理員活動在內(nèi)的系統(tǒng)內(nèi)部事件；為了防止超級管理員利用自身的超級權(quán)限將其操作記錄徹底從系統(tǒng)中刪除，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)會實時將監(jiān)測到的管理員操作發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，同時考慮到上傳信息的保密性，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)會提前采取數(shù)據(jù)加密措施；審計驗證系統(tǒng)的作用是結(jié)合區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)判斷傳統(tǒng)審計系統(tǒng)中的超級管理員活動記錄有無篡改痕跡；密鑰管理器負責(zé)生成和分配區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中加密數(shù)據(jù)的加密密鑰和解密密鑰，由于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)必須經(jīng)過認證，因此數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)在上傳操作記錄時需要生成公私鑰以進行簽名，其中公鑰是由密鑰管理服務(wù)器發(fā)送給區(qū)塊鏈的。

1.2 信任假設(shè)

為了論證系統(tǒng)設(shè)計的可行性，對本系統(tǒng)的各組成部分列出以下信任假設(shè)條件。

(1)傳統(tǒng)審計系統(tǒng)所收集的超級管理員活動記錄是完整的，但在超級管理員權(quán)限下這些記錄是完全可以修改的。

(2)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)能夠采集到符合條件的全部審計記錄，且在不發(fā)生信息泄露的前提下將其全部上傳。

(3)密鑰管理服務(wù)器能夠安全地存儲私鑰和生成、分配公鑰，且作為數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)與審計驗證系統(tǒng)的樞紐，與二者之間的通信能夠在安全的環(huán)境下進行。

(4)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識機制與收斂機制并存，它會基于前者收納和驗證記錄數(shù)據(jù)，但也會基于后者放棄主動攻擊的意圖。

(5)審計驗證系統(tǒng)在用戶已獲取公鑰的前提下才會允許其進行記錄原始性驗證。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計目標

本系統(tǒng)的安全設(shè)計目標包括審計記錄數(shù)據(jù)的不可篡改性和保密性2個部分。系統(tǒng)的審計記錄一經(jīng)生成就是固定的，任何用戶都無權(quán)修改記錄內(nèi)容，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)輸出的審計記錄只有擁有對應(yīng)公鑰的用戶才能對其進行細粒度控制訪問。

系統(tǒng)的效率包括數(shù)據(jù)的上、下鏈效率2個部分。上鏈效率是指數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)的速度，對于大型審計系統(tǒng)數(shù)據(jù)量通常是百萬級的。下鏈效率的目標是保證審計記錄稽核效率的合理性，不存在被篡改記錄的條件下其正常效率應(yīng)大于1 000條/秒，反之則必須在5秒內(nèi)準確定位被篡改數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

基于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理需要經(jīng)歷初始化、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)上鏈、數(shù)據(jù)下鏈4個階段。

2.1 系統(tǒng)初始化階段

在本階段實現(xiàn)系統(tǒng)密鑰的生成和分配。

(1)密鑰管理服務(wù)器通過行ABE.SkeyGen獲取基于屬性基加密的公私密鑰對(mpk, msk)，并將其中的公鑰mpk發(fā)送給數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)供其分配。

(2)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)通過S.Skey獲取數(shù)字簽名公私密鑰對(pk, sk)并將其中的公鑰mpk發(fā)送給密鑰服務(wù)器由其對外公布。

(3)通過了第三方認證的合法用戶通過密鑰服務(wù)器的ABE.Ext獲取私鑰。

2.2 數(shù)據(jù)收集階段

傳統(tǒng)審計系統(tǒng)所記錄的用戶操作由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進行收集和處理并發(fā)送給區(qū)域連網(wǎng)絡(luò)，具體流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)收集階段設(shè)計流程圖

(1)收集傳統(tǒng)審計系統(tǒng)中的操作記錄，將其標記為M。

(2)基于對稱加密法通過密鑰K加密M，得到的加密數(shù)據(jù)標記為C1。

(3)在M的訪問限制條件下基于ABE.Enc處理密鑰K，得到屬性基加密數(shù)據(jù)C2。

(4)提取C1、C2、M產(chǎn)生的時間t，以私鑰SK對t進行S.Sign運算，獲取與SK對應(yīng)的簽名σ。

(5)通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)公布(t，C1，C2，σ)。

2.3 數(shù)據(jù)上鏈階段

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的共識節(jié)點檢測(t，C1，C2，σ)的合法性，若檢測通過，則將其收納進區(qū)塊鏈，若未通過則將該數(shù)據(jù)集拋棄，具體流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)上鏈階段設(shè)計流程圖

(t，C1，C2，σ)的檢測過程如下。

(1)檢測該數(shù)據(jù)集在區(qū)塊鏈中是否已經(jīng)存在，若是則檢測不通過。

(2)通過公鑰pk以行S.Sign算法檢測σ對(C1，C2，t)的有效性，若無效則檢測不通過。

2.4 數(shù)據(jù)下鏈階段

在該階段由審計驗證系統(tǒng)對傳統(tǒng)審計系統(tǒng)[4-5]中的操作記錄進行驗證。

(1)設(shè)置稽核所需的時間區(qū)間段[T1,T2]。

(2)在[T1,T2]內(nèi)從傳統(tǒng)審計系統(tǒng)中提取M′ ={M.}，M′為稽核目標M.的數(shù)據(jù)集。

(3)在[T1,T2]內(nèi)從區(qū)塊鏈中提取數(shù)據(jù)，輸入私鑰sk，通過審計驗證服務(wù)器解密獲取的數(shù)據(jù)，得到原始數(shù)據(jù)集M={M.}。

(4)逐一稽核M′以及M中的數(shù)據(jù)，以檢查在[T1,T2]內(nèi)是否存在篡改記錄數(shù)據(jù)的行為。

3 系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 安全分析

(1)防篡改性

按照信任假設(shè)條件，數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將全面的、完整的記錄數(shù)據(jù)發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，通過其驗證后保存在區(qū)塊鏈中，區(qū)塊鏈是無法篡改的，因此數(shù)據(jù)的完整性得以保證。數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時對其進行簽名認證，這些簽名也是無法偽造的，在區(qū)塊鏈和數(shù)字簽名固定性的雙重加持下，記錄數(shù)據(jù)的防篡改性得以保證。

(2)細粒度訪問控制

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)輸出的是基于對稱加密算法加密的記錄數(shù)據(jù)，同時用于解密的密鑰也以屬性基加密的方式進行了加密，只有獲得了解密密鑰才可以獲取記錄數(shù)據(jù)。在屬性基加密的條件下，若用戶屬性不符合訪問控制要求，則即使擁有密鑰也不能完成解密。所以在僅獲取了(t，C1，C2，σ)數(shù)據(jù)而屬性沒有得到認可的條件下無法訪問原始數(shù)據(jù)，系統(tǒng)由此具備了細粒度訪問控制的功能。

3.2 效率分析

對于本文所設(shè)計的防篡改審計系統(tǒng)，系統(tǒng)初始化的發(fā)生頻率低，耗時保持在秒級范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)上鏈過程中簽名認證與形成共識的環(huán)節(jié)均能在很短時間內(nèi)完成。這兩個階段均不會影響系統(tǒng)的整體效率，因此本文圍繞數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)下鏈2個階段對系統(tǒng)效率進行分析。

(1)數(shù)據(jù)采集階段

屬性基加密是該階段最為耗時的環(huán)節(jié)，對單個數(shù)據(jù)密鑰進行屬性基加密耗時數(shù)秒，而審計系統(tǒng)面對的是百萬級數(shù)量的數(shù)據(jù)處理需求，因而該階段對于系統(tǒng)效率的影響占比很大。

(2)數(shù)據(jù)下鏈階段

在該階段系統(tǒng)需要進行屬性基解密，同時從區(qū)塊鏈中提取數(shù)據(jù)也需要耗費大量時間。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫本身排斥快速查詢操作，因此查詢的過程是逐一進行的，在審計數(shù)據(jù)高達百萬級數(shù)量的情況下，系統(tǒng)的查詢速度可想而知。

由此可見，必須采取特定的措施改進系統(tǒng)的效率，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的實用性。

4 系統(tǒng)效率改進

本系統(tǒng)效率改進設(shè)計的思路如下。

(1)在加解密算法相對固定的條件下，從計算機系統(tǒng)快速處理的功能角度入手，將多個審計記錄數(shù)據(jù)以同一密鑰進行加密，降低屬性基加解密的發(fā)生頻率。

(2)在系統(tǒng)中部署一個與區(qū)塊鏈相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，在確保自建數(shù)據(jù)庫未被篡改的前提下通過該數(shù)據(jù)庫進行快速稽核。

4.1 數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

按照批處理的方法，對審計數(shù)據(jù)基于其類型分批次、分階段進行整合并發(fā)送給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

(1)創(chuàng)建空白數(shù)據(jù)整合表，對其附加創(chuàng)建時間、密鑰、屬性基密文和訪問機制等屬性。

(2)收集傳統(tǒng)審計系統(tǒng)中的操作記錄，將其標記為m。

(3)在數(shù)據(jù)整合表中搜索符合下列條件的數(shù)據(jù)：

①m的創(chuàng)建時間t與整合表的創(chuàng)建時間在同一時間段內(nèi)；

②m的訪問機制與記錄的訪問機制相同。

若搜索到滿足上述條件的記錄，則對其屬性基密文C2與密鑰K進行提取，反之則通過對稱加密算法隨機生成一個密鑰K，再基于ABE.Enc處理密鑰K，得到屬性基加密數(shù)據(jù)C2。創(chuàng)建與之對應(yīng)的數(shù)據(jù)整合表。

(4)通過密鑰K加密m，獲取加密數(shù)據(jù)C1。

(5)通過私鑰sk對C1、C2、t、h、h-1進行S.Sign 運算，獲取與sk對應(yīng)的簽名σ，其中，h=H(h-1||C1||C2||t)，h-1代表相鄰記錄的h值。

(6)通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)公布(t，C1，C2，σ)。

較之于效率改進前的系統(tǒng)，當前系統(tǒng)于相同時間段對具有相同訪問機制的數(shù)據(jù)僅需進行一次屬性加密，由此極大地提高了數(shù)據(jù)采集的效率。

4.2 數(shù)據(jù)下鏈實現(xiàn)

在系統(tǒng)中部署一個與區(qū)塊鏈相對應(yīng)的允許進行快速查詢的數(shù)據(jù)庫，將t，C1，C2，σ，h，h-1以及與之對應(yīng)的區(qū)塊ID存儲于其中，對區(qū)塊鏈進行實時監(jiān)測，區(qū)塊鏈內(nèi)容更新時審計驗證系統(tǒng)提取出新的t，C1，C2，σ，h，h-1和區(qū)塊ID并發(fā)送給數(shù)據(jù)庫。改進后的審計數(shù)據(jù)稽核流程如下。

(1)設(shè)置稽核所需的時間區(qū)間段[T1,T2]。

(3)在區(qū)塊鏈內(nèi)搜索目標數(shù)據(jù)的上一個審計數(shù)據(jù)(t，C1，C2，σ，h，h-1)，檢查h值是否與h-1的值相同，同時檢查hij=H(h-1，ij||C1||C2||t)能否成立，若存在h-1，ij+1≠hij的情況，則可認定自建數(shù)據(jù)庫已被篡改，需要進行相應(yīng)處理，反之則可認定在[T1,T2]內(nèi)自建數(shù)據(jù)庫與區(qū)塊鏈內(nèi)容一致。

(4)在[T1,T2]內(nèi)從傳統(tǒng)審計系統(tǒng)中提取出M′ ={M}。

(5)在[T1,T2]內(nèi)從區(qū)塊鏈中提取數(shù)據(jù)，輸入私鑰sk，過審計驗證服務(wù)器進行解密，即創(chuàng)建空白解密表，對其附加密鑰、屬性基密文等，在整合表中搜索C2，若搜索到滿足上述條件的記錄，則對其屬性基密文C2與密鑰K進行提取，反之則通過對稱加密算法隨機生成一個密鑰K，再基于ABE.Enc處理密鑰K，得到屬性基加密數(shù)據(jù)C2，將C2與K保存在解密表中。

(6)若K不是空的密鑰，則可以完成解密并獲取M，因此可以得到原始數(shù)據(jù)集M={M.}。

(7)逐一稽核M′以及M中的數(shù)據(jù)，以檢查在[T1,T2]內(nèi)是否存在篡改記錄數(shù)據(jù)的行為。

5 總結(jié)

本文針對傳統(tǒng)審計系統(tǒng)存在的的超級管理員能夠利用其權(quán)限威脅系統(tǒng)安全的問題，提出并設(shè)計了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的防篡改審計系統(tǒng)。文中介紹了系統(tǒng)的總體架構(gòu)，基于防篡改的數(shù)據(jù)處理需求對系統(tǒng)運行的4個階段進行了初步設(shè)計，利用區(qū)塊鏈技術(shù)和屬性基加密方案的防篡改性實現(xiàn)了系統(tǒng)的安全保證。隨后在對系統(tǒng)效率進行充分分析的基礎(chǔ)上，采取批處理與自建區(qū)塊鏈鏡像數(shù)據(jù)庫的方式完成了效率改進系統(tǒng)的設(shè)計。本系統(tǒng)在保證審計效率的前提下限制了特權(quán)用戶的活動空間，為計算機審計系統(tǒng)的研發(fā)提供了新的技術(shù)模式和設(shè)計思路。