基于角色的协同虚拟环境研究.docx

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基于角色的协同虚拟环境研究

基于角色的协同虚拟环境研究

　　摘要本文根据协同虚拟环境中的角色需求，提出一个适应协同虚拟环境的角色模型，给出一个带有时间空间特性的角色访问控制模型TSRBAC，使协同虚拟环境具有更全面的安全属性描述。

在此基础上，构建一个基于角色的协同虚拟环境系统RBCVES。

关键词协同虚拟环境；角色；虚拟现实

1引言协同虚拟环境（CollaborativeVirtualEnvironment，CVE）于20世纪90年代中期提出，在一组以网络互联的计算机上同时运行虚拟环境实现协同工作。

随着虚拟环境、网络、计算机支持的协同工作和图形学技术的飞速发展，促进了人们对协同虚拟环境的研究兴趣，也推动了该领域的发展。

协同虚拟环境作为通信和合作的强大的工具，在娱乐、商业、教育、工程和医药等领域有很广泛的应用[1]。

CVE要在一个三维虚拟环境中实现多个用户对虚拟空间、虚拟实体和资源的共享，目的是通过网络通信实现异地用户之间协同工作，共同完成任务。

为了适应CVE在Internet上的应用需求，我们需要考虑在CVE中用户和权限的控制，确保用户对各种物体和资源享有不同权利和义务，从而更好地维护用户间协同的顺利进行。

角色机制一方面可以实现权限的有效管理和用户的合理授权，提高系统交互性，另一方面对访问和操作进行合法检测，能够提高系统安全性。

本文在CVE系统中引入角色机制作为支撑技术，通过面向角色的软件方法来实现系统功能。

2模型设计

角色模型通常角色指的是一组权利和义务的集合。

权利代表了许可，即对象对于一组目标资源允许或者禁止的行为；义务代表了职责，即对象对于一组目标物体必须做或者绝对不做的行为。

权利（Permissions）和义务（Obligations）是角色的核心要素，但并不是全部要素。

角色还应该具备角色标识符号、承担该角色的对象负责的一个或多个子目标、角色拥有的资格、角色的状态与其它角色之间的各种关系等要素。

基于以上分析，我们给出如下角色模型：

定义1角色模型Role_ModelRole_Model∷=“ROLE”IDNameGoalsQualificationsStatusPermissionsObligationsRelations“END_ROLE”　各属性定义ID是系统实现时，对角色的标识，每个角色只有惟一的ID。

Name是角色的名称标识。

Goals是角色对应的子目标。

Qualifications是角色拥有的资格。

Status指的是角色的状态。

表明了角色在某一时刻所处的行为。

Permissions是一组权限的集合。

指定该角色执行的操作哪些是允许的，哪些是禁止的，以及哪些资源是可利用的，哪些资源是不可用的。

Obligations是角色的义务集的动态体现。

该集合规定了角色必须执行的一组特定行为，它反映了角色必须完成的目标和行为约束。

另外，角色的义务集也反映了角色之间的组织关系，即在组织内部，角色之间的相互负责关系。

每一个obligation都要包含obligated_roles、authority_roles、benefited_roles和rules。

其中，obligated_roles定义了该义务的承担角色集，authority_roles定义了对该义务具有授权功能的角色集，而benefited_roles则定义了履行该义务后的收益角色集合，rules定义了义务履行的规则集。

Relations是该角色与其它角色之间的关系，如角色的继承和派生等关系。

带时空特性的角色访问控制模型基于角色的访问控制模型（Role-BasedAccessControl，RBAC）最早是在1992年由Ferraiolo和Kuhn提出的。

RBAC模型的突出优点是简化了各种环境下的授权管理。

通过引入角色这一中介实现了用户与权限的逻辑分离。

RBAC的思想是将权限赋予角色。

角色实际上是与特定工作岗位相关的一个权限与职责的集合，与用户相比角色是相对稳定的。

当用户改变时，只需要进行角色的撤消和重新分配即可。

RBAC访问控制模型不仅易于管理而且降低了复杂性、成本和发生错误的概率，因而近年来得到了极大的发展。

典型的RBAC模型如RBAC96模型和NIST标准RBAC模型。

在此基础上，人们提出多个扩充模型。

文献中，在RBAC基础上作了时间特性方面的扩展，在无时间特性的角色访问控制的形式化表达的基础上，对授权约束及其时间特性进行分析，提出了一个带时间特性的角色访问控制模型TRBAC（TimedRole-BasedAccessControl）。

TRBAC有着更全面、更具体的安全属性描述能力。

TRBAC定义了系统时钟，对约束、会话和系统状态空间本身进行了时间扩充，解决了时间授权约束和会话的状态转变问题。

在CVE系统中，时间固然是一个不可忽视的要素，同时它也是一个三维渲染的虚拟世界。

因此，在这个四维环境中，不仅要考虑时间特性方面的影响，还要考虑空间特性对角色的约束。

传统模型的弱点在于都没有考虑主体执行操作时所处的环境，这样容易造成安全隐患。

所以，我们在RBAC模型和TRBAC模型的基础上，结合CVE的特点，提出一个带有时间和空间特性的角色访问控制模型TSRBAC（TimedandSpacedRole-BasedAccessControl），更好地满足CVE系统的需求。

TSRBAC模型继承TRBAC的所有元素，包括其时间约束，并进行空间约束的扩充：

定义2：

空间点序列S={（xi，yi，zi）|i∈N}，S是虚拟世界所有空间点的集合。

（xi，yi，zi）∈S表示虚拟空间中的一点。

与建立三维虚拟空间时的坐标相吻合。

为讨论方便，我们定义如下函数：

min（i，j），两个数比较，取较小值；max（i，j），两个数比较，取较大值；span（i，j）=（min（i，j），max（i，j）），任意两个数确定的区间。

定义3：

空间范围序列SR={（xi，yi，zi）|xi∈span（xj，xk），yi∈span（yj，yk），zi∈span（zj，zk），（xj，yj，zj），（xk，yk，zk）∈S}，空间范围是由两个空间点确定的范围，这个范围是以给定的两个点为对角线确定的长方体。

因为空间形状复杂多样，为了方便描述、表示、计算，我们选取了这种简单方便的确定空间范围的方法。

SRS=2SR表示由空间范围构成的集合。

用C表示所有的约束集合，S_C表示所有TSRBAC中的空间约束。

定义4：

空间约束谓词定义In_SRange⊆C×SRS表示约束C在指定的空间范围集合SRS内必须成立。

定义5：

空间约束定义S_C=In_SRange（C，SRS）

　　3基于角色的协同虚拟环境系统设计与实现

系统框架设计本文在以上角色模型和带时空特性的访问控制模型基础上，提出一个基于角色的协同虚拟环境系统RBCVES（Role-basedCollaborativeVirtualEnvironmentSystem）。

RBCVES采用客户机/服务器结构，集成JAVA和VRML技术，创建一个共享的虚拟世界，并实现在虚拟世界中的协同活动。

系统体系结构图如图1所示。

图1RBCVES体系结构图客户端采用VRML结合JavaApplet来实现，由VRML浏览器、JavaApplet和本地场景实体库构成。

其中VRML浏览器是展示协同虚拟场景的接口，负责向用户展示三维虚拟世界；JavaApplet随同VRML世界同时下载，完成客户端需要实现的功能，例如客户端和服务器之间的通信、信息的过滤和一致性维护等功能；本地场景实体库存放用户自身的替身模型、感兴趣用户的替身模型和本地共享场景实体模型。

服务器端包括基于角色的访问控制系统、角色服务器、注册服务器、CSCW服务器、聊天服务器、视频服务器以及相关的数据库。

其中角色服务器和访问控制系统是RBCVES的核心组件，实现了系统中基于角色的访问控制。

注册服务器实现对系统中所有实体基本信息的管理，包括用户信息管理器和共享实体信息管理器。

CSCW服务器是系统实现协同活动的核心模块，负责维护虚拟环境中各模型的状态，进而维护整个虚拟世界，包括建立和断开通信连接、用户加入和离开、用户间协同会话、协同信息的管理规划、操作响应、信息一致性维护以及兴趣域管理等。

聊天服务器负责单用户之间、用户组之间的文本聊天（例如共享白板），增强系统交互性。

多媒体服务器实现用户之间、用户组之间的音频和视频通信，使协同虚拟环境的场景信息更加丰富，提高系统感知性。

关键部分实现系统使用VRML进行场景建模，作为系统的显示引擎实现与用户的交互。

JavaApplet对VRML节点进行扩充，实现复杂的功能，包括信息流动、数据处理、冲突检测等。

使用VRML的外部程序接口EAI（ExternalAuthoringInterface），实现VRML虚拟空间和JavaApplet之间的相互通讯。

利用VRML的ProximitySensor（邻近检测器）节点可以跟踪本地用户视点的移动和转动并获得位置（Positiochanged）和方向值（Orientationchanged），这两个值一方面可以确定本地用户的空间角色约束，另一方面可用于改变其它用户的VRML虚拟空间中该用户3D替身的位置和方向。

用户在进行操作时，首先要提交请求给访问控制系统，访问控制系统访问角色服务器，获得用户的角色，访问控制系统再对角色的访问请求权限进行验证，如果验证成功就将请求发送给其它功能项目服务器进行处理，否则将会拒绝用户的请求。

设置角色权限验证的函数为：

boolaccess_r（stringroleID，stringoperation），第一个参数是角色ID，第二个参数是请求的操作。

函数返回一个布尔类型的值，返回true表示请求成功，返回false表示访问被拒绝。

4结束语本文将角色理论应用于协同虚拟环境，提出的角色模型能够适应CVE需求，在现有角色访问控制模型基础上扩充空间约束，使CVE安全描述更全面。

提出的RBCVES在CVE中融入角色机制，实现了用户权限的有效管理，限制了非法访问和操作，提高了系统的交互性和安全性。

参考文献[1]Igor，Chris　inNetworkedCollaborativeVirtualEnvironments.ComputerCommunications，2003，26，5：

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1944~1954