基于数据库加密技术通用题库管理系统.docx
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基于数据库加密技术通用题库管理系统
山东理工大学
硕士学位论文
基于数据库加密
技术的通用题库管理系统
BasedOnDatabaseEncryptionTechnology
TheGeneralTestManagementSystem
研究生：
指导教师：
协助指导教师：
硕士学位类别名称：
工程硕士
专业领域名称：
研究方向：
论文完成日期：
201年月日
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：
时间：
年月日
关于论文使用授权的说明
本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此协议）
研究生签名：
时间：
年月日
导师签名：
时间：
年月日
摘要
随着教育事业和计算机相关领域的紧密结合与发展，越来越多的教学资源开始趋向信息化的发展方向，如何将计算机技术的优势融入到教育管理中，从而更好地实现教育事业的长远目标成为了近来教育工作者研究的热点问题。
题库系统作为一种重要的教学资源，在教学工作中起着举足轻重的作用。
如何设计一类标准统一，分布集中并且适合各类学校发展状况的题库管理系统成为当今教育管理系统的重点之一。
本课题围绕这些问题展开研究，主要论述了一种通用型的试库管理信息系统的设计过程及技术实现。
本文介绍了课题的研究背景，国内外相关试题库管理信息系统研究情况以及本课题研究的目的和内容。
然后介绍了有关数据库加密技术的发展情况以及系统开发所需的ASP.NET技术。
然后介绍了怎样对系统进行需求分析，最后从需求功能以及非需求功能等方面做出了详细的阐述。
通过前面的需求分析，在满足用户要求的基础上，介绍了整个系统的架构设计及功能模块的划分、系统的详细设计过程以及本系统的数据库设计过程，该系统分为系统管理员和教师两个模块：
系统管理员模块设计主要实现用户管理、 公告管理、留言管理、专业管理、课程管理、章节管理、试题查看、试卷查看；教师模块的设计主要从修改用户密码，试题和试卷的管理，以及教师留言等几个模块进行。
在需求分析和系统设计的基础上，实现系统基本功能，通过身份验证来说明系统的数据库进行加密的过程。
给出系统详细设计过程，最后对本文的研究工作进行全面的总结，并展望后续的研究工作。
在对本课题进行深入的研究之后，可较好的实现对于学校管理和教育系统考试题库的智能化管理，从而在很大程度上促进了教育改革的信息化，在线考试的便捷化，以及资源的共享，极大的缓解教师出题、组卷、批改试卷、管理成绩的压力。
关键词：
通用题库；ASP.NET技术；数据库加密；身份验证
Abstract
Withcloselyintegratedwiththedevelopmentofeducationandcomputer-relatedfields,moreandmoreteachingresourcestendtostartdevelopmentofinformationtechnologydirection,howwouldtheadvantagesofcomputertechnologyintotheeducationalmanagementinordertobetterachievethelong-termeducationItaimstobecomeahotissuerecentlyeducatorsresearch.Banksystemasanimportantteachingresources,playsanimportantroleintheteachingwork.Howtodesignakindofstandardunified,centralizeddistributionandissuitableforalltypesofschoolsdevelopmentofdatabasemanagementsystemtobecomeoneofthekeymanagementintoday'seducationsystem.Thispaperastudyontheseissues,discussesthedesignprocessofauniversaltestlibrarymanagementinformationsystemsandtechnology.
Thispaperintroducestheresearchbackgroundpurposeandcontentoftherelevanttestlibrarymanagementinformationsystemsresearchathomeandabroadandthisresearch.ThenintroducesthedevelopmentandsystemdevelopmentrelatedtodatabaseencryptiontechnologiesrequiredASP.NETtechnology.Thendescribeshowthesystemneedsanalysisandfinallyfromthedemandfunctionandnon-functionalrequirements,etc.tomakeadetailedexposition.Bythepreviousneedsanalysis,tomeetuserrequirements,basedonthedetaileddescriptionofthedesignprocessoftheentiresystemarchitecturedesignandfunctionmoduledivision,systemsanddatabasedesignprocessofthesystem,thesystemisdividedintotwosystemsadministratorsandteachersmodules:
Systemadministratormoduleisdesignedprimarilytoimplementusermanagement,bulletinmanagement,messagemanagement,professionalmanagement,curriculummanagement,chaptermanagement,testcheck,papercheck;designteachermodulefromthemainuserpasswordchangemanagement,testandexaminationpapers,aswellasseveralmodulesteachercomments,etc..Onthebasisofrequirementsanalysisandsystemdesignbasedontherealizationofthebasicfunctionsofthesystemtoillustratetheprocessbytheauthenticationdatabasesystemforencryption.Givesdetailedsystemdesignprocess,thefinaloftheresearchworkistoconductacomprehensivesummaryandprospectfollow-upresearch.
Followingonthistopicin-depthstudycanachieveabettereducationsystemforschoolmanagementandintelligentmanagementexam,whichlargelycontributedtotheeducationreforminformationtechnology,theconvenienceofonlineexaminations,aswellasresourcessharing,greatlyeasetheteachersquestions,testpaper,correctingpapersandmanageperformancepressure.
Keywords:
ASP.Nettechnology;databaseencryption;authenticationtest
第1章引言
1.1课题背景和来源
随着信息技术的迅速发展，人们的生活，工作，学习方式也在很大程度上受到了信息技术的同化。
同时社会各行各业中也时时刻刻都在与信息技术发生着密切的联系，而教育系统也不例外。
近几年来，教育事业的发展正逐步面向信息化、智能化和数字化。
课程建设是实施教育的重要途径，而高校教学管理信息系统是信息技术应用于教育领域的产物。
信息管理系统在各个高校的实施应用，极大的促进了教学的改革和教育质量的提升。
在教育行业，信息系统正在获得越来越多的关注，基于信息技术服务的教育方面的管理系统像雨后春笋般建立起来。
由于学校规模的扩大，学生数量的增多，需要统计的数据量也越来越大，考试系统的负担也相应的增加，因此很容易出现统计失误。
试题库系统的出现极大的促进了教育教学活动的发展，为教育系统的发展提供了广阔的空间[1]。
由于计算机科学的快速发展，计算机技术越来越成熟，如今和计算机相关的诸多方面已经深入到社会生活的各个角落，加快了人们生活节奏，为越来越多的人们提供了便捷的服务。
试题库管理系统包含于信息管理系统之中，它的出现满足了用户对于试题管理的整体要求，在此前提下对信息进行整合以及系统的处理，并且在处理过程中严格依照相关的教育测评标准，将当今主流的现代信息处理技术融入于计算机中，从而达到几门学科所出试题的数字化，信息化，最后把具有辅助功能的计算机软件和硬件以及相关制度融合在一起的整体。
集组建试卷、生成试卷以及分析试卷等功能于一身的试题库管理系统实现了教育系统和计算机领域的完美结合，因此该系统为教学评估和测量等方面提供了一个良好的平台[2]。
在试卷库系统开发完成之后，每个学科的教师、出题教师、阅卷老师等能够方便迅速的管理题库中的每门课程的试卷，并且能够完成命题中各种各样的任务，在试卷批改完成后对每门课程的学生成绩进行分析和统计，从而更好的用科学有效的方法去了解学生一段时间以来对知识的把握程度。
建立一个完善的试题库系统，需要一个友好的界面，使工作人员能够方便快速的录入试题、生成试卷，并且要求试题库在后期的维护操作相对简单易行。
组卷方式灵活快捷，试题或试卷的查询能够实现快速，没有或者只有很少的延迟。
只有这样，试题库管理系统才能够满足信息时代知识更新和知识大爆炸对试卷难度和灵活性方面不断增长的要求。
因此，针对以上几点要求，我们在对系统整体做概要设计时，应该牢牢把握实用性这一要素。
例如，在设计题库模块时需要将试题的录入、试题的维护以及试卷的生成等几个方面设计到该模块中；而在查询模块则要实现试卷和试题的快速查询。
整个系统的设计需要简洁、清晰、明了，同时满足用户友好性，也就是说操作方便。
1.2国内外发展态势
早在一千多年前我国古代就出现了科举制度，可以说考试在我国已经有很长时间的发展历程。
然而由于考试形式的原因，例如考试不规范，不严密，不能从客观的角度来正确的界定一个人的能力和水平。
在第二次世界大战后，普通的考试在人们生活中的位置有了更进一步的提升，因此各种类别的资格考试也开始盛行。
随着考试次数的增多，命题老师的工作量也渐渐繁杂，但是对于考试试卷质量的测量却愈加严格，越来越多的考生对于分数的评估标准也日益精确[3]。
鉴于此，如何建立一个质量高、存储容量大、相对完善的考试题库成为近来教育工作者研究的重要方向。
如今，一些发达国家的教育系统已经建立了较为完善的考试题库设计机构。
各大机构正在尽力为自己国家教育系统研究开发了大型的考试题库。
目前，题库管理系统已经成为教育改革过程中一个主要的研究课题，由于它把教育领域的问题和计算机领域的技术问题结合在了一起。
本系统是以国际互联网为平台的一个大型的应用系统软件，对于客户端的要求很少，只需配置简单的客户端，便可让考试不受到地域的限制。
同时题库管理系统又属于网络信息管理系统，系统实现的功能主要有：
由计算机来实现对题库的管理，实现对数据的高速检索和查询，从而使提供系统的工作效率大大提升。
实现自动生成试卷，能手动抽取样题,进行有效管理。
使用考试系统提供的在线考试功能可以方便用户在网上做完试题后及时对自己掌握知识的程度进行分析和检查，从而能够及时的发现自己身上的不足，让自己的成绩实现较快的提升。
自从高考制度在我国恢复之后，伴随着标准化方案在考试制度中的实行以及计算机技术的高速发展，这些条件都为题库系统的建设注入了强劲的推动力。
三十多年以来，一些学校和行政单位联手开发试题的形式出现，与此同时，社会上也出现了另外一些学科的试题库。
20年来，我国各地政府部门也在相关的领域开展了有目的、有组织的系统化国家级别的题库建设。
国内在线考试的研究成果主要有：
迈达威通用试题库系统等。
本系统采用数据库、VisualBasic和Word等多种新技术相结合的方式开发设计，并且与几种技术的更新没有主要的联系；大部分试题均能够通过文本编辑器如Word等进行输入[4]；让题库的更新转换更加方便；各式各样的组卷方式；根据具体的试卷产生情况，随时随地对参数进行变化，满足在同样的参数下进行运行，产生多套试卷，并对任意一个试卷进行人工替换；实现不管采取何种组卷方式，都可以迅速生成试卷。
1.3国内外研究现状
信息管理系统中数据安全问题日益严重，数据安全也越来越受到重视。
数据库系统安全问题指的是为避免数据库系统软件不遭到恶意的破坏，泄露和更改，而为之设计的安全防护措施。
目前，一般基于两个方面来实现数据库的安全：
一是系统原有的安全机制，二是应用程序中的安全控制策略[5]。
为了实现自身系统的安全性，许多规模较大的数据库管理系统为自身设计出了许多安全机制，例如数据分类管理、日志、审计等功能模块，由于这些模块仅仅是基本的安全机制，针对许多敏感度高的数据还有待更加有效的保护措施的实施，例如避开认证或是直接窃取数据库中文件的内容等等。
属于内部的用户为了直接获得相应的数据选择绕开DBMS。
在这种情形下，数据库加密技术越来越受到国内外专家学者的普遍关注。
目前，我们在数据库关键信息加密方面做出的努力和主要研究方向一般为加密算法、加密的粒度以及密钥管理等方面。
在从其中一个角度，例如加密粒度角度看，主要包括记录、基于文件、字段等相关加密技术[6]。
目前，国内无论是在计算机网络应用方面还是在数据库研究方面都要比国外发展缓慢。
相应的对于数据库加密的研究也比西方一些发达国家落后很多。
从30多年前我国开始对数据库进行开发和研究，到20世纪90年代才正式开始对数据库安全理论的探索和研制[6]。
并且在研究的初期阶段，曾经出现过许多外挂形式的安全部件。
截止到目前，我国在数据库加密和安全的相关领域获取了丰硕的成绩。
但是从总的来看，在数据库加密技术方面我国开始相对较晚，至今为止，在安全技术和使用技术方面还未曾开发过相对成熟又令人满意的产品。
但是随着社会对这方面的关注程度不断增加，相关学者也越来越重视数据库安全性方面的研究。
1.4本文的组织结构
本文首先介绍了课题研究背景、国内外试题库管理系统发展趋势以及数据库加密技术的研究情况，说明了试题库信息化管理系统建设的必要性。
其次，研究讨论数据库加密的关键技术，分析数据库加密系统的要求。
接着对题库系统进行需求分析和系统的设计（系统的整体设计、详细设计和数据库设计），接着介绍题库管理系统的基本结构，并对各个模块的功能进行详尽的描述，针对身份验证的功能主要阐述了如何应用数据加密技术对题库系统进行设计和完善，最后完成对系统测试部分的详细描述。
其内容与结构如下：
第一章：
本章首先介绍了课题研究背景和来源，接下来对该通用题库管理系统的国内外研究态势和现状做了详细的介绍，最后给出了本文的组织结构。
第二章：
本章主要介绍了现代密码技术，包括对称密码算法与非对称密码算法的原理及各自的优缺点；介绍了系统开发所需的ASP.NET、C#编程语言等技术。
这些内容将为后面的数据加密技术在通用试题库信息管理系统的设计提供了理论基础。
第三章：
本章从系统功能性需求和非功能性需求两个方面对通用题库管理系统进行了需求分析，其中功能性需求主要包括系统管理员模块和教师模块，非功能性需求分析主要从安全性需求、性能需求和数据要求三个方面展开论述，对系统的先进性、科学性、易用性等方面进行了研究，最后对数据库加密技术进行了需求分析，这些为接下来进行的系统设计实现和编码工作奠定了坚实的基础。
第四章：
本章对系统进行了总体设计，在对系统的功能需求的具体分析和数据库需求具体分析的基础上，对系统所应完成的各个具体的功能进行概要设计。
系统的概要设计包括系统的设计目标及构想和系统的功能结构设计。
接下来对系统的详细设计进行了阐述，从数据库的概念结构设计和逻辑结构设计两方面介绍了本通用题库管理系统的数据库设计，最后从系统数据库加密模型、RSA改进算法描述、RSA改进算法的实现、RSA改进算法的实现界面、RSA改进算法的加密速度测试等方面对数据库加密机制进行了详尽的阐述。
第五章：
本章对系统主要功能进行了详细设计，并对其实现过程进行了详细描述，主要介绍了用户管理功能、题库管理功能、试题管理功能和试卷管理功能的设计和实现，并且展示了各功能模块的流程图和运行截图。
对出题和组卷功能进行了详细的介绍，给出了其流程图及系统运行截图。
第六章：
本章主要描述了系统进行测试与维护的过程，分别从系统四个模块中各个信息输入功能进行测试，系统可以成功对系统用户、专业、课程、章节、试题、试卷、公告信息、留言信息进行增、删、改、查操作，若输入数据不完整或不符合条件，可返回信息提示。
接下来对该系统进行了集成测试，经过测试，该系统可以基本满足预定的需求。
第七章：
本章为总结和展望部分，总结了系统设计和论文撰写的优点和缺点，展望了下一步工作的具体研究方向。
1.5本章小结
本章首先介绍了课题研究背景和来源，接下来对该通用题库管理系统的国内外研究态势和现状做了详细的介绍，最后给出了本文的组织结构。
第2章相关技术分析
2.1数据加密技术概述
2.1.1对称密码机制
对称算法目前的应用比较成熟，是一种传统意义上的数据加密机制。
这种方法要求发送者和接收者事先需要商定好一个密钥，即两者都知道的密钥，才能进行安全的、正确的通讯。
对称算法，由于算法是公开，它的优点是加密速度快，具有比较高的运行效率。
但是这种加密算法依赖于密钥的保密性，密钥一旦丢失，往往数据的安全性就失去了保障[7]。
在对称密码机制下，一种广为人知的算法即为DES算法。
它的加密原理如图2.1所示。
图2.1DES加密原理图
这种算法主要是对64位数据库利用56位密钥（平均分两部分，每部分28位）进行多轮加密编码，一共进行16轮。
当我们运算完毕后的字符串即为加密后的数据信息[8]。
2.1.2非对称加密
非对称密码算法也称为公开密码体制。
密钥是由公开密钥和私有密钥组成的密钥对，分别用于对数据的加密和解密。
公开密钥顾名思义，不需要保密的、是公开的。
而私有密钥相对于公开密钥而言则是不被公开的，需要保密的。
非对称密码算法的基本框图如图2.2所示。
图2.2非对称密码算法
显然，私钥的秘密性是这种加密方式的关键。
但是，相对于对称加密方式，非对称加密方式的算法复杂度非常高，一直都是数学计算中的复杂问题。
当然，正是因为它的计算非常复杂，其加密的速度也很慢，其安全性也高于对称加密方式。
目前非对称加密算法最广为人知的是由美国麻省理工学院MIT研究人员于1978年所提出的RSA算法。
到目前为止，它的安全性没有受到怀疑。
2.2ASP.NET技术
ASP.NET是由Microsoft公司推出的新一代基于控件与模块的集成开发框架，它构建在.NetFrameWork开发环境下，能够与任何.NET平台下的产品完美兼容，企业可以通过ASP.NET框架，简单快速的搭建出企业级的、商业化的Web应用程序[9]。
ASP.NET基于控件和模块的特性，使得编程员不再需要像以往一样枯燥的书写大量代码，编程员只需要了解简单的语法，拖动相关的控件，即可自动生成大量高性能的代码，大大缩短了应用程序的开发周期；ASP.NET是模块化的程序语言，其基于编译的特性，使得程序的执行效率高。
在程序执行之前，aspx文件首先需要执行编译操作，编译成微软中间语言（MSIL，MicrosoftIntermediateLanguage），MSIL是一种介于高级语言与汇编语言之间的伪汇编语言，通过MSIL语言，保证了.net可以在不同平台下进行移植的特性。
MSIL语言并不能直接被机器识别执行，只有经过再次编译操作，生成对应的二进制机器语言才能被机器执行。
A语言只有在第一次执行的时候才会被编译为MSIL语言，处理速度相对较慢，但是当程序第二次调用时，不再需要对aspx代码进行编译，只需要调用上次生成的MSIL语言即可，因此执行速度很快；ASP.NET程序不同于Java、C++等语言，在开发框架下，真正意义上做到了代码与内容的完全分离，美工只需专注页面的显示，编程员不必考虑前台展示效果，仅仅关注自己代码的书写，应用程序开发分工合作，代码量小，且易维护。
ASP.NET上市一来，凭借优秀的性能、更好的扩展性和可维护性、卓越的开发效率很快得到广大企业的一致认可。
通过多年的不断发展，ASP.NET已经成为当前主流的Web应用程序平台之一。
2.3C#编程语言
C#语言是一种具有面向对象特点的高安全性编程语言，也是与.net结合最好的一种开发语言。
它摒弃了以往开发语言的缺点，诸如宏，模板，继承复杂性等，而为用户提供了得心应手的一些熟知的操作符和表达式，从而让编程变得更加简单。
同时c#还提供了垃圾收集和处理等功能，从这些功能可以看出，C#也是一种面向组件的语言。
C#语言还提供了强大的数据库连接功能，这种功能使利用该语言编写的程序能够与各种数据库实现连接，使得C#语言能够胜任诸如企业局部事务处理，综合的应用开发等各种各样的任务。
该语言主要具有以下几个方面的特点：
（1）语法简洁。
C#语言从英文的字面
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