外包数据库系统安全机制研究朱勤.docx
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外包数据库系统安全机制研究朱勤
外包数据库系统安全机制研究*）
朱 勤1,2 于守健1 乐嘉锦1 骆轶姝1
（东华大学信息科学与技术学院 上海200051）1 （南通大学计算机科学与技术学院 南通226019）2
图1 基于安全域的数据库安全体系分类
客户/服务器数据库系统是网络环境下的典型应用,其安
全问题讨论最多,安全机制也最为丰富。
这种体系结构下,数
据库服务器处于信任域,控制查询引擎,对非可信客户端的查
询请求进行安全性分析并执行查询,同时进行用户鉴别、身份
认证、访问控制、审计等安全控制。
数据发布模式下,数据拥有者一旦在网络上发布了自己
的数据,则失去了对数据库安全的控制。
用户可以下载、复
制,甚至再发布数据,这样使得所有查询的提交与执行都在用
户客户端进行。
由于用户对数据库拥有控制权,这种模式需
要着重考虑数据库的隐私保护与版权保护等问题。
随着
XML网络数据交换规范的逐渐形成,针对XML数据的安全
数据发布技术的研究正受到越来越多的关注。
作为服务的数据库系统亦称外包数据库系统。
数据拥有
者位于客户端,远程更新数据;数据库用户也位于客户端,远
程发布查询请求;数据存储与查询执行则依赖于提供外包数
据库服务的非完全可信的第三方服务器。
随着网络技术的发
展与应用专业化水平的提高,这种结构模式有不断推广的趋
势。
本文的研究即围绕外包数据库系统的安全机制展开。
2 外包数据库系统的基本结构
外包数据库系统构建于Internet之上,充分利用了网络
提供的远程访问服务。
系统由3部分组成:
（1）数据拥有者;
（2）数据库服务提供者;（3）数据库用户。
其基本结构如图2
所示。
图2 外包数据库系统的基本结构
数据库服务提供者提供服务器硬件,运行标准的数据库
管理系统软件,负责存储数据拥有者的数据,并提供数据库查
询、更新与维护等服务。
数据库用户向数据库服务器发送数据查询请求并接受查
询结果。
在实际应用中,用户终端包括各种固定或移动的办
公设备,如PC机、手机、无线PDA等。
数据拥有者是拥有管理权限的数据库用户,与外包数据
库宽带连接,负责创建数据库、更新和维护数据库,也发布查
询请求和接受查询结果。
一般地,数据拥有者与数据库服务提供者之间存在一定
的信任关系。
服务提供者可以复制、备份数据,以维护数据库
系统的可用性和可靠性。
但是,出于隐私保护的目的,外包服
务提供者不应该关心数据库的内容;一些外包数据库系统采
取数据库加密的方法来保证数据内容的安全,这使得数据完
整性无法保证;数据作为数据拥有者多年积累的信息资源,本
身具有潜在的数字权益。
因此,从数据库隐私保护、数据完整
性控制及数字权益保护等角度来看,对数据拥有者而言,数据
库服务器是非完全可信的。
这也是外包数据库系统安全控制
的难点所在。
文[6]根据客户端组成形式的不同,把外包数据库系统的
结构分成3类。
最基本也是最简单的结构称为“统一客户端
模式”（UnifiedClientModel）。
这种模式下,外包数据库仅被
单一实体使用,这个单一的客户端创建、更新和查询数据库。
第二种结构称为“多查询用户模式”（Multi-QuerierModel）,
包括两类客户端:
数据拥有者和一般查询用户。
其中,数据拥
有者对数据库进行增、删、改等更新操作,而一般查询用户仅
具有只读查询的访问权限。
第三种结构最为复杂,称为“多主
模式”（Multi-OwnerModel）,其与“多查询用户模式”的主要
区别在于数据拥有者分布于多个客户端。
显然,针对不同的
结构模式所采取的安全机制是不一样的,其中,“多主模式”外
包数据库系统对访问控制、数据完整性验证等方面的安全要
求更高。
3 外包数据库系统的安全机制
外包数据库系统的安全机制包含了数据库安全的一般机
制,如身份鉴别与认证、多级安全访问控制、用户跟踪与审计、
数据备份与恢复等,同时,根据外包数据库系统的结构特点,
还需采用特定的安全机制。
目前,对外包数据库系统安全机制的研究已经取得了一
些成果,主要包括:
数据库加密、密文数据库查询、隐私保护、
数据完整性验证、数据库版权保护等。
3.1 数据库加密技术
由于数据库在操作系统下是以文件形式存在的,入侵者
可以直接利用操作系统的漏洞窃取数据库文件,或者篡改其
内容。
另一方面,数据库系统的管理员可以任意访问所有数
据,使得数据内容的安全无法保证。
因此,对外包数据库存储
的敏感数据进行加密保护,使得即使数据不幸泄露或者丢失,
也难以造成泄密,有效保证了外包数据库的安全。
按照加密部件与数据库系统内核的位置关系的不同,数
据库加密机制可以分为紧耦合加密与松耦合加密,分别对应
于库内核加密与库外加密方式[12]。
外包数据库系统中,由于
数据库服务器非完全可信,加密解密都应在客户端完成。
因
此,库外加密方式正受到越来越多的关注。
数据库加密的粒度一般分为四种:
表、属性、记录和记录
属性值。
总的来说,加密粒度越小,则灵活性越好,且安全性
越高,但实现技术也更为复杂,对系统的运行效率影响也越
大。
在外包数据库系统中,为了得到较高的安全性和灵活性,
采用较多的加密粒度是记录和记录属性值。
目前还没有公认的专门针对数据库加密的加密算法,因
此一般根据数据库特点选择现有的加密算法来进行数据库加
密。
一方面,对称密钥算法的运算速度比非对称密钥算法快
很多;另一方面,在公开密钥算法中,每个用户有自己的密钥
对,而作为数据库加密的密钥如果因人而异,将产生异常庞大
的密钥数据存储量。
因此,目前数据库加密一般采用对称密
153
如果可以,则对查询进行转换;文[3]假定数据库由一个全
局关系组成,全局关系可以通过所有关系的笛卡尔积得到。
从查询、谓词和模式在表示数据库元组等价的角度出发,通过
检查SQL语言的Where子句,可以发现大部分推理通道。
以上几类方法并不是相互孤立,而是可以综合运用,从整
体上达到消除更多推理通道和保护隐私的目的。
文[13]建立
了信息泄漏的表语义与查询语义模型,然后通过修改SQL语
言查询条件的方法来进行查询预处理,实现了数据元素粒度
的推理控制。
一般来说,推理控制可以防止由推理得到XX的存
取路径,也可能会限制合法用户的正常访问,在实际系统实现
时需要权衡两方面的合理需求。
3.3.2 保密信息检索
保密信息检索的需求源自外包数据库服务器的不可信。
用户向服务器提交查询请求,同时不希望对服务器公开他获
取的查询结果。
保密信息检索在一些特定的数据库应用场合有重要意
义。
如军事行动部门在执行一个特别行动任务时,会事先从
IT部门的数据库服务器查询目的地的地图等相关信息。
显
然,这样的查询不希望被服务器端知晓。
再如股票交易中,用
户对股票数据库的查询往往被认为是敏感的,需要加以保密。
目前,保密信息检索的解决方案主要有两类:
多服务器方
式和单服务器方式。
多服务器方式将数据库复制在相互之间不可通信的多个
服务器上[2]。
用户检索数据时,经过算法处理生成的多个查
询请求被发往多个服务器,任何一个服务器都不能唯一确定
用户的查询结果,而客户端将返回的多个查询结果组织为用
户所需要的数据。
文[24,1]进一步讨论了减少运算复杂度和
通信负载的多服务器方式。
单服务器方式省去了多个数据库复制的麻烦,其基本思
路是提交加密的查询请求[14]。
服务器运行特定的算法处理
这些加密查询,而查询结果只有客户端才能够解密。
文
[PLH04]提出了一种对树型结构数据进行保密查询的解决
方案,其主要思路是冗余访问和节点交换,使得服务器对被查
询数据的遍历路径不可知,从而实现了保密信息检索。
保密信息检索技术面临的主要问题是计算复杂度和通信
开销都比较大,需要进一步进行算法的优化,在保证安全性的
前提下提高可用性。
同时,现有的协议与算法一般只考虑了
简单的选择查询,对于多条件组合查询、聚集操作等复杂操作
的保密查询还有待进一步的研究。
3.4 数据完整性验证
外包数据库系统的数据完整性,要求数据库内容及其在
网络中的传输具有正确性、一致性与有效性,以确保接收到的
数据库内容是真实有效的,并且在传输过程中没有被攻击者
插入、篡改、伪造、重排等。
在电子商务、电子政务中,数据完
整性是最基本、最重要的安全要求。
如果仅仅考虑来自外部的攻击,即确保客户端与服务器
之间的通信不受破坏,那么只要采用常规的安全通信协议,如
IPSec（安全IP协议）、SSL（安全套接字层协议）等,即可满足
需求。
但是对外包数据库系统来说,这并不能保证来自服务
器的数据真实有效。
因为,在外包数据库系统中,服务器是非
完全可信的,它并不关心数据的完整性,来自服务器内部的恶
意操作可能会对数据库添加虚假记录,或者篡改已有记录。
因此,外包数据库的数据完整性要求的特点是,既要考虑外部
攻击,又要考虑服务器自身的安全性。
数据库的数据完整性粒度可以分为4种:
表完整性、属性
完整性、记录完整性及记录属性值完整性。
考虑到外包数据
库中频繁的远程查询操作,每次验证表完整性所带来的繁重
运算量,以及维护记录属性值完整性所需的巨大存储开销,目
前外包数据库中维护数据完整性一般采用记录粒度,即对每
条记录的存储、更新与查询进行完整性验证。
实现数据完整性的主要措施就是增加攻击者所不能控制
的冗余信息。
外包数据库中,根据系统结构模式不同,所采取
的完整性验证机制也不相同。
对于“统一客户端模式”,采用
加密Hash函数,如消息验证码（MessageAuthentication
Codes,MAC）等,对数据库记录进行数字签名[21]。
由于数据
拥有者与查询用户为同一客户端,使用同一密钥就可以安全
地进行完整性验证。
而对于“多查询用户模式”及“多主模
式”,数据的更新与查询来自多个用户,显然不能共享密钥,这
无疑增加了维护数据完整性维护与验证的复杂度。
文[6]提出了一种基于公钥机制的压缩RSA算法（Con-
densed-RSA）的批量数字签名方案,适用于“多查询用户模
式”的数据完整性控制。
利用RSA算法的倍增同态性,一方
面,可以取出与查询结果集相对应的多个数字签名,组合为一
个“压缩签名”连同查询结果一起发送给查询者;另一方面,查
询者可以根据其访问权限,方便地从组合签名中鉴别出单个
的签名者。
这样较好地满足了多用户查询条件下的数据完整
性要求,同时,其运算、存储与通信负载也在可接受的范围之
内。
文[6]同时提出了采用群签名（GroupSignature）算法以
及MerkleHash树（MHT）批量签名的解决方案,满足“多主
模式”的数据完整性要求。
文[17]给出了一个名为“数字签名
组合与链接”（DigitalSignatureAggregationandChaining,
DSAC）的解决方案,使“多主模式”下的外包数据库完整性控
制的可用性向前迈进了一步。
从现有的研究成果来看,外包数据库“多主模式”的数据
完整性验证涉及较高的计算复杂度,离实际应用还有相当一
段距离。
同时,现有的解决方案一般仅能支持基本的数据库
查询语句,而对求和等聚集操作所查询数据的完整性验证问
题还有待进一步研究。
3.5 外包数据库版权保护
在外包数据库服务模式中,数据经过若干年的积累,往往
蕴含有巨大的社会价值与经济价值,成为宝贵的数据资源。
而由于数据库服务器由第三方提供,数据库的物理文件可以
轻易地被拷贝而造成资源盗用,因此,数据拥有者对数据库实
施版权保护的需求日益迫切。
2000年,SKhanna等提出利用数字水印实现对数据库安
全控制的新思路[22],使数据库水印技术引起研究者关注。
数
据库水印是指用信号处理的方法在数据库中嵌入不易察觉且
难以去除的标记,在不破坏数据库内容和可用性的前提下,达
到证明数据拥有者版权的目的。
由于数据库的特殊性,在其
中不易找到能插入水印标记的可辨认冗余空间,因而研究具
有一定难度,成熟的水印算法还很少。
美国IBMAlmaden研究中心的RakeshAgrawal等在这
方面作了开创性的研究,他们于2002年首次进行了向关系数
据库嵌入比特位模式的实验[18]。
该实验利用数据库关系中
数值型元组存在的冗余空间,对其最低有效位进行位操作,实
现一位水印版权信息的嵌入。
155
分组加密算法。
对数据库加密必然带来密钥的分配与管理问题。
目前在
数据库中应用比较多的是多级密钥管理体制。
以加密粒度为
记录属性值的三级密钥管理体制为例,整个系统的密钥由一
个主密钥、每个表上的表密钥以及各个记录属性值密钥组成。
表密钥被主密钥加密后以密文形式保存在数据字典中,记录
属性值密钥由主密钥及记录属性值所在行、列通过某种函数
自动生成,一般不需要保存。
这样大大减少了密钥信息的存
储量,访问效率也比集中密钥机制有了很大提高[32]。
借助于硬件执行加解密运算是近年来数据库加密技术取
得的主要进展,其主要目的是提高系统的可用性。
文[7]提出
了一个基于硬件加密方案的外包数据库系统结构。
该方案在
服务器与客户端之间集成了一个用于加密解密的安全协处理
器,大大降低了服务器及客户端的运行负载。
文[15,16]基于
智能卡（SmartCard）设计并构建客户端安全操作环境（Secur-
ityOperatingEnvironments,SOE）,执行加解密运算及访问控
制,具有较高的可用性。
加密解密运算与密钥管理会显著降低数据库的访问与运
行效率。
外包数据库系统的保密性与可用性之间不可避免地
存在冲突,需要妥善解决两者之间的矛盾。
3.2 密文数据查询策略
数据库中存储密文数据后,如何进行高效查询成为一个
重要的问题。
常用的密文数据库查询有两种策略:
一种是不
用解密而直接操作密文数据;一种是分步查询。
直接操作密文数据的应用场合包括数据库的秘密同态加
密[29]、数据库的序列加密等。
文[4]采用序列密码算法把表
数据与随机数发生器所产生的随机数进行位异或加密。
查询
时,把查询词与密文异或后与随机数比较,以确定文件中是否
包含该词。
这种方法简单易行,几乎不增加额外存储空间,运
算速度快。
但是,由于序列密码算法采用异或的运算方法,密
钥序列不能重复。
如果对不同记录采取不同的密钥种子,则
密钥管理难度太大;如果对不同记录采取相同的密钥种子,则
会存在不少相同或相近的密文字段值,容易受到统计攻击和
已知明文攻击[28]。
分步查询是一种更具有实用价值的密文查询策略,也是
目前研究的热点。
这种方法一般需要进行查询分解,先对密
文数据进行范围查询,缩小解密范围,快速解密后再执行精确
查询。
优化的查询计划还将一次查询任务分解为客户端和服
务器的多次交互,以得到最优的查询树。
HakanHacigumus等提出了一种外包数据库模式下的加
密数据库分步查询策略[10],其结构模式如图3所示。
该方法
使用特定的分区函数对加密数据建立粗糙索引（CoarseIn-
dex）,存储在服务器端的加密数据库中。
在查询时,把原始的
基于明文数据的查询分为两步:
首先运行位于服务器端的对
密文数据的范围查询,利用“粗糙索引”找到包含目标记录的
密文数据分区,缩小了解密范围;其次是在客户端对服务器返
回的查询结果解密后的查询。
文[11]进一步讨论了该模式下
密文数据查询策略的优化问题。
这种查询模式具有较高的安全性和可用性。
数据的完整
性和一致性由服务器负责,服务器的所有操作都是针对加密
数据;网络传输密文数据,数据的加密和解密都在客户端完
成,数据的安全性由客户端控制。
查询策略的核心在于尽量
提高对密文数据库查询的准确率,缩小返回客户端的密文数
据的范围。
图3 外包数据库的密文数据查询模式
目前密文数据查询技术面临的主要困难是:
算法执行效
率不高;大多不能支持模糊匹配查询;在处理多表查询时,会
产生大量的伪连接,解密工作量大大增加;在处理多条件查询
时,由于大量中间结果的产生,导致系统运行效率下降。
总的来说,密文数据库的查询是一项复杂的工作,目前还
处于研究阶段。
高效、安全的密文数据库查询策略是外包数
据库系统安全技术研究的热点之一。
3.3 数据库隐私保护
隐私被认为是个体来控制自己的信息的权力。
越来越多
的因故意或疏忽造成的信息泄露的例子,使人们对数据库中
的隐私保护问题日益重视。
外包数据库的隐私保护包括两个方面:
一方面是对以明
文存储的隐私数据内容的保护;另一方面是对用户查询行为
及查询结果的保护,即保密信息检索（PrivateInformationRe-
trieval,简称PIR）。
3.3.1 基于推理控制的隐私内容保护
数据库用户往往能够根据低密级的数据和模式的完整性
约束推导出高密级的数据,造成XX的信息泄漏,这种推
理的路径称为推理通道（InferenceChannel）。
常见的推理通道主要包括:
利用多次查询的结果之间的
逻辑联系进行推理;利用不同安全级别数据之间的函数依赖
进行推理分析;利用数据完整性约束进行推理。
目前常用的推理控制方法可以分为4种:
语义数据模型
方法、形式化方法、多实例方法和查询限制方法。
Hinke在ASDViews工程中构建了一个语义关系图来
表达数据库中可能的推理[33]。
数据项被表示为节点,它们之
间的关系由连接节点的边表示。
如果两个节点之间有两条路
径,并且从一条路径可以看到所有的边,而从另外一条路径却
不能,那么就可能存在一条推理通道。
相应的解决方法是提
升边的级别,直到所有的推理通道被关闭。
文[25]给出了消除函数依赖和多值依赖推理的形式化算
法。
对于函数依赖推理,采用提高属性的安全级的算法来消
除推理通道;对于多值依赖推理,把关系实例中的相应元组的
安全级升高,经过元组的安全级调整后,新的关系实例不再存
在多值依赖推理。
多实例是指数据库中允许存在关键字相同但安全级别不
同的元组,即把安全级别作为主关键字的一部分,从而解决了
利用主关键字的完整性进行推理的问题[33]。
多实例方法的
缺点是使数据库失去了实体完整性,同时增加了数据库中数
据关系的复杂性。
文[23]提出了查询限制的方法。
当系统接受到用户提交
的查询的时候,首先判断该查询是否可以导致敏感信息的推
154
005年江苏省高校自然科学研究计划（编号:
05KJD520168）、2006年东华大学科技发展基金。
朱 勤 博士生,副教授,研究领域:
数据库
与Web系统安全;于守健 博士,讲师,研究领域:
数据库与企业应用集成;乐嘉锦 教授,博士生导师,研究领域:
数据库与数据仓库、软件工程
技术;骆轶姝 博士生,讲师,研究领域:
安全数据库技术。
美国Purdue大学的RaduSion等提出了基于元组排序
和划分集合实现水印嵌入的算法[19]。
首先根据元组的加密
键值哈希对其进行秘密排序,然后基于“均方差”特性构造子
集,取连续序列数据作为嵌入水印的基本单位,通过调整关键
属性数据改变连续序列数据的分布特征来表示1和0。
基于
该算法开发的用于数据库版权保护的水印关系数据库程序包
“WMDB”已经投入应用[27]。
上述两种数据库水印算法各有其限制特点。
第一类方法
采用基本的LSB嵌入算法,易于实现,但水印信号的抗攻击
能力较弱,而且难以嵌入有实际意义的水印信息。
第二类方
法具有较好的鲁棒性,但如果数据库中不同字段的取值范围
相差比较大,将导致计算获得的值只能对部分数据项适用,限
制了水印嵌入的容量。
另外,该算法对于频繁更新的数据库
的水印嵌入开销巨大。
目前投入实际运行的水印数据库系统还不多见。
Elisa
Bertino等提出了一个综合隐私保护和版权保护功能的外包
数据库系统的框架[5]。
该系统基于领域等级树（DomainHi-
erarchyTree,DHT）和k-匿名（k-anonymity）算法实现隐私保
护,应用数字水印技术实现数据库的版权保护。
不足之处在
于:
其保护对象局限于在逻辑上具有层次关系的隐私数据库,
同时对于数据更新后的水印运算开销也很大。
利用数字水印实现对外包数据库的版权保护,具有较高
的研究和应用价值。
目前,数据库水印技术在水印宿主数据
类型扩展[20]、XML数据水印[26]、数据库脆弱水印[30]、数据库
数字指纹[31]等研究方向已取得一定的进展。
随着研究的深
入,数据库水印将获得更好的透明性、鲁棒性与可用性,其在
外包数据库安全领域的应用空间必将得到进一步拓展。
4 外包数据库安全研究的发展方向
未来几年,外包数据库系统安全技术的研究可能会在以
下几个方面得到发展:
（1）形式化安全策略模型的完善。
形式化方法,包括建
模、证明、分析与应用逻辑表达等,是数据库安全理论与应用
的重要基础,在实际系统应用中的修正与扩展是抽象模型获
得实用性的必要环节。
目前还不能严格地形式化证明一个系
统的安全强度。
只有将完整性、保密性、真实性等逻辑有机集
成到形式化的安全模型中,外包数据库系统的安全性才能得
到可靠的理论保证。
（2）数据库系统安全机制与操作系统和网络的安全机制
的进一步整合。
数据库系统是运行于操作系统与网络环境之
中并依赖其提供的安全功能和机制的,因此外包数据库系统
与安全操作系统以及安全网络环境相结合,才能达到整体的
安全性。
操作系统安全和网络安全的一些新的研究成果,如
双重身份认证、单点登录、入侵检测技术等,应有效地集成到
外包数据库系统的安全机制中来。
（3）数据库水印等新技术在外包数据库安全控制中的应
用拓展。
数据库水印是一种从非加密的角度实现对数据库安
全控制的新思路,目前的应用研究还只限于数据库版权保护。
结合传统的密码学机制,将数据库水印应用于数据库的访问
控制、入侵检测、隐私保护等领域,将使外包数据库系统的可
用性大大提高。
结束语 以上探讨了外包数据库的多种安全机制。
必须
说明的是,这些安全技术不是相互独立而是相互支持的,而且
一般要结合常规的数据库安全技术,以提高系统的整体安全
性。
同时,数据库系统的安全性和可用性始终是一对矛盾,在
保证安全性的前提下,需要进一步提高系统的可用性,以构造
出一个既具方便使用、又能最大限度地提供安全保障的外包
数据库系统。
总的来说,外包数据库系统的安全机制正处于研究与发
展当中,尚有许多重要的技术问题需要解决。
随着电子商务、
电子政务中数据库外包服务需求的不断增多,以及对系统安
全性要求的不断提高,对它的研究不仅具有重要的理论价值,
而且对国家安全和国民经济的健康发展具有重要意义。
参考文献
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