信息系统安全论文

信息系统安全在web数据库中的应用

XX

（XXXX计算机学院武汉430072）

摘要随着计算机技术的发展，基于web的信息系统越来越多，web数据库应用也越来越广泛，而面临的数据库安全也显得日益突出。当然web数据库安全离不开信息安全，所以信息系统安全的重要性也越来越重要。数据库中存储了大量的信息资源，是信息安全的一个重要方面。安全数据库已在各业务领域得到应用。数据库安全是一个广阔的的领域，从传统的备份与还原，认证与访问控制，到数据存储和通讯环节的加密，作为操作系统之上的应用平台，其安全与网络和主机安全息息相关。本文首先讲解了信息安全，然后把信息安全与数据库安全连接起来，突出数据库安全的重要性，在讲到为确保数据库安全的一些防护措施。

关键词信息安全；web数据库安全

Application of the information system security in web database

Wu Chao

(Computer College of Wuhan University, Wuhan 430072)

Abstract With the development of computer technology, the information system based web has increasing , web database is becoming more and more widely applied and facing the database security also appears in his prominent.Of course the web database security depend on the information security, so the importance of information system security is becoming more and more important.Stored in the database of information resources, it is an important aspect of information security. Security database has been applied in various areas of business. Database security is a broad field, from traditional backup and restore, authentication and access control, to the encryption of data storage and communication links, as the application of the operating system platform, its security is closely related to network and host security. This paper explains the information security, and then connect the information security and database security, highlights the importance of the database security ,they talk about the some protective measures to ensure the database security.

Keywords information security; web database security

1 引言

近年来,随着计算机网络技术的不断发展,特别是Internet 的发展,使数据库

已经广泛的应用到了各个领域，随之而来的数据安全问题也越来越凸显出来。现在网络上的非法入侵方式特别多，可以说每天都是以很大的数据量记录着，Web 数据库[1]在面对着来自本地和网络的非法入侵方法，更需要采取一系列的防护措施，来保证数据的完整性。网络在为社会和人们的生活带来极大方便和巨大利益的同时，也由于网络犯罪数量的与日俱增，使许多企业和个人遭受了巨大的经济损失。利用网络进行犯罪的现象，

在商业、金融、经济业务等领域尤为突出，例如，在网络银行和电子现金交易等场合，出现了多起由于网络犯罪而引发的个人银行账户现金丢失和电子支付宝被窃取的事件。由于数据库安全是网络安全的一个重要组成部分，所以，数据库安全也由于网络安全的问题理所当然的被提到了的重要位置。本文首先讲述信息安全的定义、必要性和Web数据库的基础知识，并且简单介绍了信息安全与Web 数据库安全的关系。然后讲述了密码学的相关知识，包括密码学的概念、工作原理和数据库加密的概述，同时，在数据加密方法的选择中，介绍了DES 和RSA 等加密算法以及对子密钥算法的研究术对信息安全领域产生巨大的影响。

2 信息安全

计算机信息安全[2]是一个涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技术、信息安全技术、应用数学、数论、信息论等多种学科的边缘性综合学科。计算机信息安全中的“安全”一词是指将服务与资源的脆弱性降到最低限度。国际标准化组织(ISO)[2]将“计算机安全”定义为：“为数据处理系统建立和采取的技术和管理的安全保护，保护计算机硬件、软件数据不因偶然和恶意的原因而遭到破坏、更改和泄露。”此概念偏重于静态信息保护。也有人将“计算机安全”定义为：“计算机的硬件、软件和数据受到保护，不因偶然和恶意的原因而遭到破坏、更改和泄露，系统连续正常运行。”该定义着重于动态意义描述。在美国国家信息基础设施的文献中，给出了安全的五个属性：可用性、可控性、完整性、保密性和不可抵赖性。信息安全的实质就是要保护信息系统或信息网络中的信息资源免受各种类型的威胁、干扰和破坏，即保证信息的安全性。信息安全是任何国家、政府、部门、行业都必须十分重视的问题，是一个不容忽视的国家安全战略。

2.1 信息安全特征

保证信息安全，最根本的就是保证信息安全的基本特征发挥作用。因此，下面先介绍信息安全的5大特征[3]。2.1.1 完整性

指信息在传输、交换、存储和处理过程保持非修改、非破坏和非丢失的特性，即保持信息原样性，使信息能正确生成、存储、传输，这是最基本的安全特征。

2.1.2 保密性

指信息按给定要求不泄漏给非授权的个人、实体或过程，或提供其利用的特性，即杜绝有用信息泄漏给非授权个人或实体，强调有用信息只被授权对象使用的特征。2.1.3 可用性

指网络信息可被授权实体正确访问，并按要求能正常使用或在非正常情况下能恢复使用的特征，即在系统运行时能正确存取所需信息，当系统遭受攻击或破坏时，能迅速恢复并能投入使用。可用性是衡量网络信息系统面向用户的一种安全性能。

2.1.4 不可否认性

指通信双方在信息交互过程中，确信参与者本身，以及参与者所提供的信息的真实同一性，即所有参与者都不可能否认或抵赖本人的真实身份，以及提供信息的原样性和完成的操作与承诺。

2.1.5 可控性

指对流通在网络系统中的信息传播及具体内容能够实现有效控制的特性，即网络系统中的任何信息要在一定传输范围和存放空间内可控。除了采用常规的传播站点和传播内容监控这种形式外，最典型的如密码的托管政策，当加密算法交由第三方管理时，必须严格按规定可控执行。

2.2 web安全问题

网站安全检测，也称网站安全评估、网站漏洞测试、Web安全检测等。它是通过技术手段对网站进行漏洞扫描，检测网页是否存在漏洞、网页是否挂马、网页有没有被篡改、是否有欺诈网站等，提醒网站管理员及时修复和加固，保障web网站的安全运行。

2.2.1 注入攻击

检测Web网站是否存在诸如SQL注入、SSI注入、Ldap注入、Xpath注入等漏洞，如果存在该漏洞，攻击者对注入点进行注入攻击，可轻易获得网站的后台管理权限，甚至网站服务器的管理权限。

2.2.2 XSS跨站脚本

检测Web网站是否存在XSS跨站脚本漏洞，如果存在该漏洞，网站可能遭受Cookie欺骗、网页挂马等攻击。

2.2.3 缓冲区溢出

检测Web网站服务器和服务器软件，是否存在缓冲区溢出漏洞，如果存在，攻击者可通过此漏洞，获得网站或服务器的管理权限。

2.2.4 网页挂马

检测Web网站是否被黑客或恶意攻击者非法植入了木马程序。

2.2.5 上传漏洞

检测Web网站的上传功能是否存在上传漏洞，如果存在此漏洞，攻击者可直接利用该漏洞上传木马获得WebShell。

2.2.6 源代码泄露

检测Web网络是否存在源代码泄露漏洞，如果存在此漏洞，攻击者可直接下载网站的源代码。

2.2.7 数据库泄露

检测Web网站是否在数据库泄露的漏洞，如果存在此漏洞，攻击者通过暴库等方式，可以非法下载网站数据库。

2.2.8 管理地址泄露

检测Web网站是否存在管理地址泄露功能，如果存在此漏洞，攻击者可轻易获得网站的后台管理地址。

3 web数据库安全

随着因特网的迅速发展和日益普及，促进了人们在网上生产与消费信息的发展。除传统的文本信息外，涌现出了大量的超文本信息，如，图形、图像、声音和文本等。数据的一个很好的载体就是关系型数据库，但是关系数据库由于其的局限性，在这些非结构化的数据面前显得力不从心，于是基于Internet/Web 的应用向数据库领域提出了严峻的挑战。Web 技术与数据库技术的结合组成了Web数据库技术[4]。Web数据库，即网络数据库，又称为网站数据库。其实质是在传统的关系数据库技术之上，融最新网络技术、数据库技术、存储技术和检索技术为一体，完全基于Internet 应用的数据库结构和数据模型的新型数据库。可以简单的认为，它是因特网+数据库。它开辟了一个Web 数据库的新时代。无论是电子商务、网络信息检索系统、还有基于才C/S 方式的信息管理系统等都离不开Web数据库技术。

3.1 web数据库的特点

Web 数据库是在传统数据库的基础上发展而来的，所以二者相比的话，Web数据库一定有很多突破。主要表现在下面几个方面：1）Web 数据库包括的信息广泛，既包含结构化的信息资源，又包含非结构化的资源。2）数据库结构灵活，采用表的多维处理，并且可以根据实际情况变长存储。3）Web 数据库支持一些新的编程工具如：Active X、XML 等。4）在传统的数据库的基础上，增加很多数据类型，能够存储图形、声音、视频、大文本、动画等多媒体信息。5）改进了索引机制，提高了查询速度，提高了查准率和查全率。

3.2 web数据库的安全

随着Web 技术的广泛应用，基于Web 的信息系统越来越多，Web 数据库成为容易攻击的对象，特别对持有敏感信息的组织和部门来说更是如此，所以数据库系统应该得到有效的保护，也就是说，增强数据库的安全性已成为数据库研究和工程领域最为迫切的任务之一。这也是我在这里提出重点要讨论的东西。

3.2.1 数据库安全的定义

数据库的安全定义就是保证数据库数据信息的保密性、完整性、一致性和可用性。保密性是指保护数据库中的数据不被泄露和未授权的获取；完整性是指保护数据库中数据不被破坏和删除；一致性是指确保数据库的数据满足实体完整性、参照完整性和用户定义完整性要求；可用性是指确保数据库中的数据不因人为和自然的原因对授权用户不可用。数据库管理系统安全技术要求包括：身份鉴别、标记与访问控制、数据完整性、数据库安全审计、客体重用、可信恢复、隐蔽信道和推理控制等。

3.2.2 Web 数据库安全等级

Web 数据库的安全等级就是数据库的

安全等级。在美国国防部根据军用计算机系统的安全需要，制定的《可信计算机系统安全评估标准》TCSEC 中，将系统安全性分为7 个级别[5]，建立的安全级别之间具有一种偏序向下兼容的关系，即较高安全性级别提供的安全保护要包含较低级别的所有保护要求，同时提供更多或更完善的保护能力。D 级(最小保护级)是最低级别，不满足任何较高安全可信性的系统全部划D 级。该级别说明整个系统都是不可信任的，硬件不提供任何保护作用，操作系统容易受到损害，不提供身份验证和访问控制机制以及最低限度的文档要求。MS-DOS、Macintosh System 7.x 可划入此级。C1 级(自主安全保护级)只提供了非常初级的自主安全保护。它实际描述了一个典型的UNIX 系统上可用的安全评测级别。其功能是能够实现对用户和数据的分离，进行自主存取控制(DAC )，保护或限制用户权限的传播。C2 级(受控的存取保护级)实际是安全产品的最低档次，要求支持基于用户的自主访问控制机制，引入审计机制以记录和跟踪安全相关事件，并且也引入受控访问环境安全特征。B1 级(标记安全保护级) 要求引入主/客体安全级标记及管理和强制访问控制机制，要求处于强制访问控制范围内的客体对象禁止其所有者关于其访问权限的分配和修改。B2 级(结构化保护级)建立形式化的安全策略模型并对系统内的所有主体和客体实施DAC 和MAC。数据库方面则没有符合B2 标准的产品。B3 级(安全域级)。该级的TCB 必须满足访问监控器的要求，审计跟踪能力更强，并提供系统恢复过程。A1 级(验证保护级)提供B3 级保护的同时给出系统的形式化设计说明和验证以确信各安全保护真正实现。这里要强调的是，在B2 以上的系统标准更多地还处于理论研究阶段，产品化以至商品化的程度都不高，而且它们的应用也多限于一些特殊的部门如保密部门等。从而可以看出，我们要使用的Web 数据库系统应该属于C 级，有的支持强制存取控制的则有可能可以达到B1 级。

3.2.3 Web 数据库的实现技术

为了保证数据库的安全，通用的方法包括：访问控制、用户标识与鉴别、数据库审计、数据库加密技术等。1）访问控制[6]：访问控制实质上是对资源使用的限制，它决定主体是否被授权对客体执行某种操作。它依赖于鉴别使主体合法化，并将组成员关系和特权与主体联系起来。只有经授权的用户，才允许访问特定的网络资源。访问控制主要分为自主访问控制和强制访问控制、基于角色的访问控制以及新提出的使用控制的概念。自主访问控制（DAC）用于用户的身份和访问控制规则。强制访问控制模型(MAC)分别给主客体设定安全级，包括密级和范围两个元素(C,G )，通过主客体的安全级的比较来确定访问权限。基于角色的访问控制模型RBAC 是一种新的访问策略，它在用户和权限中间引入了角色这一概念，把拥有相同权限的用户归入同一类角色，管理员通过指定用户为特定的角色来为用户授权，可以简化具有大量用户的数据库的授权管理，具有可操作性和可管理性。使用控制UCON的概念，对传统的存取控制进行扩展，定义了授权、职责和条件三个决定性因素，以及连续性和易变性两个属性。2）用户标识与鉴别：用户标识与鉴别[7]是系统提供的最外层安全保护措施，也可以说是进入系统

的门槛，即系统提供一定得方式让用户标识自己的名字和身份，也就是身份认证、密码认证或者是随机数运算认证。目前常见的身份认证方式主要通过下面的三种形式，我们最常使用的是用户名加口令的方式，但这也是最常用、比较原始和最不安全的身份确认方式，非常容易被非法分子通过猜测到口令、通过线路窃听、重放攻击等手段导致伪造合法身份；第二种是通过生物特征识别技术[8]，该技术以人体唯一的生物特征（包括指纹、声音、手迹、虹膜等)为依据，具有很好的安全性和有效性，但实现的技术复杂，技术不成熟，实施成本昂贵，只有在比较机密的部门才有可能使用；第三种就是采用软硬件相结合、一次一密的强双因子认证模式——基于USB Key[9]的身份认证。USB Key 是一种USB 接口的硬件设备，它内置了单片机或智能卡芯片，可以用于存储用户

的密钥或数字证书，利用USB Key 内置的密码算法实现对用户身份的认证。这种认证有两种应用模式：一是基于冲击/响应的认证模式，二是基于PKI 体系的认证模式。基于冲击/响应的认证模式是采用PIN 码的方式，以实现双因子认证功能。它通过在USB Key 内置单向散列算法（MD5），预先在USB Key 和服务器中存储一个证明用户身份的密钥，当需要在网络上验证用户身份时，先由客户端向服务器发出一个验证请求。冲击/响应模式可以保证用户身份不被仿冒，却无法保护用户数据在网络传输过程中的安全。而基于PKI（Public Key Infrastructure，公钥基础设施）构架的数字证书认证方式可以有效保证用户的身份安全和数据安全。数字证书本身也是一种数字身份，还是存在被复制的危险。使用USB Key可以保障数字证书无法被复制，所有密钥运算由USB Key 实现，用户密钥不在计算机内存出现也不在网络中传播，只有USB Key 的持有人才能够对数字证书进行操作。3）数据库审计：数据的审计[10]功能是数据库管理系统（DBMS）安全性重要的一部分。通过审计功能，凡是把用户对数据库安全性相关的操作均可被记录在审计日志中。一旦发生数据库被非法存取，数据库安全员便可掌握数据库被使用状况，根据跟踪信息，重新导致数据库现有状况的一系列事件，找出是哪个人在哪个时间做了哪些事情。

4）数据库加密技术：数据库加密技术，数据库安全是网络安全的一个重要部分，那么对于数据库的保密措施也是重点，而数据库加密与传统的通信或网络加密技术相比，由于，数据保存的时间要长得多，对加密强度的要求也更高。而且，由于数据库中数据

是多用户共享，对加密和解密的时间要求也更高，要求不会明显降低系统性能。以下技术应用于数据库加密可以大大提高加密的灵活性，增强加密强度。数据库加密的数据可以包括四种：表、属性、记录和数据元素，这也就是加密粒度。各种加密粒度的特点不同，一般来说粒度越小灵活性越高但实现起来越复杂，对系统运行效率影响也较大。现在我们简单的看一下各种加密粒度的解释：①表加密：加密对象是整个表，这种加密方法类似于系统中文件加密的方法，用密钥对每个表进行加密运算形成密文后存储。②属性加密：也称位域加密或字段加密，加密对象是列。③一记录加密：加密对象是记录。当表中需要加密的记录较少时可以选择此方法。④数据元素加密：加密对象是记录中的每个字段。在数据库加密技术中对密钥的保护是一项重点，如果对所有加密数据采用同一密钥，攻击者可以采用统计分析的方法对原文进行推测。目前可以采用密钥实时计算，也称为密钥自动滚动技术，对密钥进行实时计算、更新。多种版本密钥共存，可以使用不同版本的密钥对不同的数据进行加密。解密时选择正确的密钥版本，加密一般选用最新的版本。这样即使某个用户偶然得到了特定时间生成的密钥，也不能对加密后的所有密文进行解密，有力的保障了数据库的安全。

4 Web数据库安全中的数据库加密技术

为了数据库管理提供加密机制研究方面，许多具有独创性和高效的加密方案被提出来。在1981 年Davida、Wells 等人提出了基于中国剩余定理（孙子定理）的Subkey 数据库加密方案，它是一种面向记录的加密机制，可以对表格进行行级加密和单元格级解密，后面在实例中主要用这种加密算法对表中字段进行加密。1997 年，Hwang 和Yang 提出了改进方案，通过支持多层访问控制扩展了Subkey 加密方案，从而改进了加密算法，提高了数据库加密的效率，在很大程度上增强了数据库的安全性。

综上，密码学的发展大致经历了古典密码，对称密码，公开密码几个阶段。古典密码有替代加密、置换加密；对称加密算法包括DES 和AES；非对称加密算法包括RSA,椭圆曲线、McEliece 密码等。目前使用最普遍的是DES 算法和RSA 算法等。

4.1 数据加密算法

数据加密算法通常分为两大类[11]：“对

称式”算法和“非对称式”算法。其中对称式加密就是加密和解密使用同一个密钥，通常称之为“SessionKey ”这种加密技术目前被广泛采用，如美国政府所采用的DES 加密标准就是一种典型的“对称式”加密法，它的Session Key 有效长度为56Bits。非对称式加密就是加密和解密所使用的不是同一个密钥，通常有两个密钥，称为“公钥”和“私钥”，这两个密钥必需配对使用，否则不能打开加密文件。这里的“公钥”是指象电话号码簿一样可以对外公布的，“私钥”则由个人持有。它的优越性就在这里，因为对称式的加密方法如果是在网络上传输加密文件就很难把密钥告诉对方，不管用什么方法都有可能被别窃听到。而非对称式的加密方法有两个密钥，且其中的“公钥”是可以公开的，也就不怕别人知道，收件人解密时只要用自己的私钥即可以，这样就很好地避免了密钥的传输安全性问题。它涉及到的算法如RSA[11]密码算法。

4.2 数据库加密技术

随着计算机特别是计算机网络的发展,数据的共享日益增加,由此数据的安全保密工作越来越重要。尤其最近保密数据屡被突破的消息,使人们的目光都聚集在了数据库安全方面。各种应用系统的数据库中大量数据的安全问题、敏感数据的防窃取和防篡改问题,逐渐引起人们的高度重视。另外数据库系统是管理数据的核心,是计算机信息系统的核心部件,它的安全性至关重要,因而其自身必须具有一整套完整而有效的安全机制。

4.2.1数据加密的原则和方式

1）因为数据库经常会进行查询、修改、添加等操作，所以要合理选择加密字段,为了不明显降低系统性能,只能对字段进行加密和解密,而非记录或文件,但也不是所有的字段都能进行加密。2）挑选安全高效的加密算法与传统的网络数据加密相比,数据库中数据保存时间要长很多,对加密强度要求更高,且因为数据库中数据是多用户共享的,对加/解密的时间要求也更高。因此,挑选一个安全高效的加密算法是十分重要的。加密算法主要有两类,分别是分组加密算法和公钥加密算法。我一般选择分组加密算法，因为它的加/解密速度要比公钥加密算法快很多,且密文和明文长度一致,无疑是数据库加密的理想选择。3）密钥的管理的安全性也是很重要的，它不仅取决于加密算法,也依赖于密钥的安全,好的密钥管理方案不但能增强系统安全性,还能提高加解密的效率。考虑到数据库客体之间隐含着复杂的逻辑关系,建议采用多级密钥结构和动态密钥管理。

4.2.2加密方法的选择

1）数据库中文件的加密技术：对于单机上的数据库系统,由于不存在数据共享的问题,其保密性与真实性是同时得到保证的,因此,可通过对数据库文件(或表)进行访问控制而实现数据库系统的安全性。2）数据库中记录的加密技术：记录是数据库表的数据，每条记录所包含的信息具有一定的封闭性,即从某种程度上说它独立完整地存储了一个实体的数据，如一名学生的完整的基本信息。因此,基于记录的加密技术是最常用的数据库加密手段。这种方案的基本思路是：①在各自密钥的作用下,将数据库的每一个记录加密成密文并存放于数据库文件中；②记录的查找是通过将需查找的值加密成密文后进行的。由于密文数据一般不能代替明码文进行算术运算和关系运算,因此,采用这种方案时,数据库将不能实现诸如索引、连接、统计、排序等多种操作,并会影响数据库管理系统某些原有功能的作用。

3）基于字段的加密技术：对于数据库更好的加密技术就是基于字段的数据库加密，就是以不同记录的不同字段为基本加密单元进行加密。该方法可以对数据库中单个数据元素进行加密。其优点在于具有最小的加密粒度，具有更好的灵活性和适应性。其缺点是:①加解密效率可能会比较低。②若用数据库密钥对单个数据元素重复加密，对于密文搜索攻击是脆弱的;如果字段的数据分别用不同的密钥加密，则需要保存MN 条密钥记录，数量过于庞大，甚至有时密钥的数据量超过了数据本身的数据量，此时的密钥管理就很困难，从密钥库中取出密钥的过程的效率也很难保证。

4.3 数据库加密容易出现的问题：

对于数据库中的数据加密后，在一定程

度上保证了数据的完整性，但是也影响数据库的一些常用功能使用不了。1）在数据库的加密字段不能实现索引；2）表间的连接字段也不能加密；3）无法实现对数据制约因素的定义，如约束等；4）无法实现SQL 的排序、分组和分类功能；5）SQL 语言中的内部函数将失去对加密数据作用

5 结束语

现在网络上的非法入侵方式特别多，可以说每天都是以很大的数据量记录着，Web 数据库在面对着来自本地和网络的非法入侵方法，更需要采取一系列的防护措施，来保证数据的完整性。对于数据库中数据的的保护方法很多，在本文我主要介绍的是针对数据库中字段进行加密和解密的子密钥加密算法，而且对于该算法的介绍由于本人知识的欠缺，有很多不足的地方，这在我以后的学习和工作中又是一个很好的发展方向。应该说数据库安全技术的研究，是一个深不可测的领域，它随着科技的发展而不断向前发展；它又是一个神秘的领域，吸引着对这方面有兴趣的学者不断

的去探索。

参考文献

[1]魏善沛，等.Web 数据库技术实用教程[M]. 北京：清华大学出版社，2002.（谢金荣,程宪宝. 网络信息的安全性问题及对策[J]. 计算机光盘软件与应用,2012,05:1.

[2]龚俭，王倩，等.计算机网络安全导论[M].南京：东南大学出版社，2000 .

[3]Zhao Wensheng. The theory of the criminal law safeguard information security [D]. Wuhan University, 2014

[4]高晗，等. 水利水电出版社，2003

[5]吴荣.Web 数据库系统的安全管理策略[J]. 计算机安全，2007,03.

[6]李现伟，刘国华，等. 一种基于信息分解与合成的数据库加密方法[J]. 计算机工程与科学，2007，29(10).

[7]崔艳荣，文汉云.数据库安全模型及其应用研究[J]. 计算机应用研究，2005,7

[8]朱静波. 一种高安全和易共享的数据库加密方案[J]. 计算机应用研究，2007,24(3).

[9]张纲，李晓林，等.基于角色的信息网格访问控制的研究[J].

计算机研究与发展.2002,39(8).

[10]宋志敏，南相浩，唐礼勇，余嘉宁.数据库安全的研究与进展[J].计算机工程与应用，2001,1.

[11](美)Bruce Schneie 著，吴世忠译.应用密码学[M].北京：机械工业出版社，2000. technology of [D]. Donghua University, 2013