采用類似于“同級(jí)讀，同級(jí)寫”原則的多級(jí)安全關(guān)系數(shù)據(jù)模型研究

多級(jí)安全（Multilevel security，簡(jiǎn)稱MLS ），是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以處理多個(gè)不同密級(jí)的信息并保證它們的保密性安全的一種解決方案。多級(jí)安全系統(tǒng)，滿足BLP保密性模型，即用戶根據(jù)其安全許可（Security Clearance）和知悉范圍（Need to Know，簡(jiǎn)稱N2K），滿足“不上讀”和“不下寫”兩個(gè)安全屬性。滿足BLP模型的系統(tǒng)被證明其保密性是安全的，即基本安全定理。顧名思義，多級(jí)安全系統(tǒng)滿足BLP模型，低密級(jí)用戶不能上讀高密級(jí)信息，高密級(jí)用戶不能向低密級(jí)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)上寫高密級(jí)信息。這兩種情形都造成了高密級(jí)信息向低密級(jí)用戶的泄漏，是被禁止的情形。

另外，在一般的多級(jí)安全關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，為了對(duì)低許可級(jí)的主體隱藏高密級(jí)的敏感信息，引入了多實(shí)例（Polyinstantiation）和偽元組（Cover Story）的概念，使得真實(shí)世界的單個(gè)實(shí)體在一個(gè)多級(jí)關(guān)系表中會(huì)產(chǎn)生多個(gè)元組，每個(gè)元組對(duì)應(yīng)著不同密級(jí)的實(shí)例，并為每個(gè)字段設(shè)置相應(yīng)的密級(jí)附加字段，以記錄各數(shù)據(jù)項(xiàng)的密級(jí)信息。當(dāng)不同實(shí)例間的數(shù)據(jù)差異很大時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)是合理的。然而，研究表明實(shí)際應(yīng)用時(shí)，數(shù)據(jù)庫中敏感數(shù)據(jù)（即需要對(duì)低許可級(jí)主體隱藏的數(shù)據(jù)）所占的比例通常僅僅只有約5%，這意味著多實(shí)例間的數(shù)據(jù)差異通常非常小，高密級(jí)的元組除個(gè)別字段外，絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)（90%以上）與低密級(jí)元組相同[3]，造成數(shù)據(jù)的大量冗余，而且數(shù)據(jù)定義與操縱規(guī)則相當(dāng)復(fù)雜。

為了解決上述問題，本文提出了一種新的模糊級(jí)別的多級(jí)安全關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型，采用類似于“同級(jí)讀，同級(jí)寫”的原則，既可以防止“高”許可級(jí)用戶查看或修改“低”密級(jí)的信息，造成信息泄漏；又可以防止“低”許可級(jí)主體修改“高”密級(jí)的數(shù)據(jù)，形成隱通道，還可以通過多密級(jí)共享元組來減少數(shù)據(jù)冗余。

1 對(duì)基于多實(shí)例的多級(jí)關(guān)系的改進(jìn)

當(dāng)不同的元組具有相同的主鍵，卻具有不同的密級(jí)時(shí)，稱為多實(shí)例。在給定的格中，對(duì)每一個(gè)許可級(jí)都有一個(gè)關(guān)系實(shí)例，代表該許可級(jí)的用戶眼中的數(shù)據(jù)版本。例如，對(duì)關(guān)系模式R而言，實(shí)例RC就是許可級(jí)為C的用戶所看到的元組的集合。多實(shí)例是一個(gè)應(yīng)用多級(jí)安全的系統(tǒng)所固有的屬性[4-5]。

在SeaView[6]和Jajodia、Sandhu[4-5，7]等人對(duì)多級(jí)安全數(shù)據(jù)模型的研究中，對(duì)每一個(gè)屬性定義其相應(yīng)的密級(jí)，并引入了多實(shí)例，但由于采用“向下讀，向上寫”的規(guī)則，因此，存在隱匿通道問題。然而根據(jù)前面的分析，實(shí)際應(yīng)用中不同密級(jí)實(shí)例的大部分屬性值可能是相同的，甚至可能只是元組密級(jí)屬性TC值不同而已，造成大量的冗余數(shù)據(jù)，而且，當(dāng)許可級(jí)較多時(shí)，數(shù)據(jù)的冗余量將會(huì)成倍增長(zhǎng)。因此，為了進(jìn)一步減少冗余，本模型再將所有屬性值均相同的多個(gè)不同密級(jí)的元組合并成一個(gè)元組，用一種類似于通配符的數(shù)據(jù)，即安全模式（Security Pattern）來表示這些密級(jí)。強(qiáng)制訪問控制就是通過對(duì)比主體的許可級(jí)別和客體的安全模式是否匹配來確定主體是否能夠存取客體。

安全模式定義及其運(yùn)算規(guī)則。

因此，一個(gè)改進(jìn)后的多級(jí)關(guān)系可以定義為：

定義2：設(shè)有R（A1，A2，…，An，SP），其中，Ai是定義在域Di上的數(shù)據(jù)屬性，SP表示元組的密級(jí)屬性，SP的值為安全模式，為所有有權(quán)訪問該元組的主體所支配。稱R為多級(jí)關(guān)系模式。

可見本模型不僅形式簡(jiǎn)單，而且由于它保持了標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫的特點(diǎn)，因此易于在目前常見的DBMS上實(shí)現(xiàn)。又由于本模型不同于其他學(xué)者提出的模式，不再用屬性TC來表示某一個(gè)密級(jí)別，而是一種稱為安全模式的數(shù)據(jù)來表示多個(gè)密級(jí)別，只有許可級(jí)別與此安全模式匹配的主體才可以訪問此元組，類似于“同級(jí)讀，同級(jí)寫”的訪問控制規(guī)則，顯然不可能泄漏敏感數(shù)據(jù)，也不存在隱通道。

2 模型的完整性規(guī)則

由于本模型擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系數(shù)據(jù)模型，引入了元組密級(jí)屬性，為了保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的完整性和一致性，本模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模式的完整性規(guī)則進(jìn)行了增強(qiáng)。

2.1 實(shí)體完整性

本模型中，在標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模式的基礎(chǔ)上增加了表示元組密級(jí)的屬性SP，標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模式的直覺意義上的主鍵，稱外觀主鍵AK（Apparent primary Key），真正的主鍵是外觀主鍵加元組密級(jí)屬性（即AK∪SP）。

實(shí)體完整性：多級(jí)關(guān)系R的一個(gè)實(shí)例r滿足實(shí)體完整性，當(dāng)且僅當(dāng)，對(duì)r的所有元組t，若Ai∈AK則t[Ai]≠null且t[SP]≠null。即假定AK是定義在關(guān)系模式R上的外觀主鍵，構(gòu)成AK的所有屬性均不能為空，元組的密級(jí)屬性SP也不能為空。

2.2 參照完整性

參照完整性：R和S為多級(jí)關(guān)系，S參照了R，AKr為R的外觀主鍵，F(xiàn)Ks為S的外鍵，許可級(jí)別為c的主體所支配的R的實(shí)例rc和S的實(shí)例sc滿足參照完整性，對(duì)sc的所有元組ts，或者ts[FKs]=null，或者存在tr∈rc且tr[AKr]=ts[FKs]和tr[SP]&ts[SP]&c=c。

任何元組只能參照其他關(guān)系（或自身）中存在的元組，且參照及被參照的元組必須受同一許可級(jí)別主體支配。

2.3 實(shí)例間完整性

實(shí)例間完整性反映的是對(duì)給定格的所有密級(jí)，其對(duì)應(yīng)的各個(gè)實(shí)例之間的聯(lián)系和約束。

由于本模型中討論的是模糊級(jí)別的格，采用的是類似于“同級(jí)讀，同級(jí)寫”的規(guī)則，故不保證一個(gè)實(shí)體在不同的許可級(jí)的關(guān)系實(shí)例中均可見。如果不可見，則表明本許可級(jí)別未被授權(quán)存取此實(shí)體。但如果實(shí)體的兩個(gè)實(shí)例所有屬性值均相同時(shí)，可用同一個(gè)實(shí)例來表示，并在此實(shí)例的SP屬性中將這兩個(gè)密級(jí)合并表示。

此規(guī)則要求對(duì)于任意許可級(jí)別c和任意實(shí)體，多級(jí)關(guān)系R中至多存在一個(gè)實(shí)例t受許可級(jí)別為c的用戶支配。

3 讀寫規(guī)則

3.1 讀規(guī)則

在本模型中，不是為每一密級(jí)創(chuàng)建1個(gè)元組，而可能是多密級(jí)別共享1個(gè)元組。每個(gè)密級(jí)別對(duì)應(yīng)的關(guān)系實(shí)例的元組為多級(jí)關(guān)系中可由此許可級(jí)主體支配的元組組成。因此本模型中讀規(guī)則為：用戶在其有效的讀范圍內(nèi)，讀取元組安全模式SP值與主體許可級(jí)匹配的元組。如果某AK值對(duì)應(yīng)的所有元組中所有SP值都與主體許可級(jí)不匹配，表明此實(shí)體的所有信息均對(duì)此主體隱藏了。

例1：假設(shè)某情報(bào)機(jī)構(gòu)使用MLS數(shù)據(jù)庫記錄職員的信息。假定系統(tǒng)中密級(jí)分為四級(jí)分別是a、b、c、d（分別用1000，0100，0010，0001表示）。系統(tǒng)中存在2個(gè)多級(jí)關(guān)系：職員關(guān)系Empl與部門關(guān)系Dept，外觀主鍵分別為EName和DName，元組如表1、表2所示（其中SP部分的字段對(duì)用戶是透明的，下同）。

根據(jù)上面的讀規(guī)則，許可級(jí)別為的a，b，c，d的用戶看到兩表的關(guān)系實(shí)例如表3~表8所示。

不同級(jí)別的用戶，Empl引用的DName都是Dept中存在的DName，而且是受同許可級(jí)的主體支配?？梢姡煌脩粢晥D都滿足參照完整性。同樣本例中多級(jí)安全數(shù)據(jù)庫滿足前述的其他各項(xiàng)完整性約束規(guī)則。

3.2 插入操作

情形1：對(duì)單個(gè)多級(jí)關(guān)系的插入操作。

（1）檢查多級(jí)關(guān)系的用戶視圖中是否存在與待插入的外觀主鍵值相同的元組，如果存在則插入失??；否則按步驟（2）進(jìn)行；

（2）檢查多級(jí)關(guān)系中是否存在各數(shù)據(jù)項(xiàng)與待插入元組各數(shù)據(jù)項(xiàng)相同的元組，如果存在則將此元組的SP值sp用sp&c代替（c代表執(zhí)行插入操作的用戶的許可級(jí)），插入完成；否則繼續(xù)下面的步驟。

（3）插入此元組，并將該元組的密級(jí)屬性置為用戶的許可級(jí)。

例2：許可級(jí)為b的用戶執(zhí)行以下插入語句：insert into Dept values（‘機(jī)要’，‘1-101’），插入后的效果如表9所示。

情形2：若是對(duì)有外鍵的多級(jí)關(guān)系進(jìn)行插入操作，還要滿足參照的完整性。亦即先檢查被參照關(guān)系的用戶視圖中是否存在相應(yīng)AK=fk（fk表示待插入元組的外鍵值），若存在，則直接按情形1完成插入操作；否則，插入失敗。

3.3 更新操作

由于在本模型中，將多個(gè)不同的密級(jí)元組合并成1個(gè)元組，因此，1個(gè)元組可能代表多個(gè)密級(jí)的實(shí)例，一個(gè)許可級(jí)主體的更新操作不應(yīng)該影響其他許可級(jí)的視圖。

（1）檢查待更新的元組的SP值是否為某單個(gè)密級(jí)（即二進(jìn)制數(shù)只有一位為1，下同），若是，則表明此次更新不會(huì)影響其他許可級(jí)的視圖，因此可按標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模型的更新操作進(jìn)行；否則，按以下步驟。

（2）先將此元組的SP值sp更新為sp&~c（c表示執(zhí)行更新操作的主體的許可級(jí)，下同），再按“插入操作”插入新元組，新元組各項(xiàng)為待更新的元組的新值。

例4：許可級(jí)為b的用戶欲執(zhí)行命令：update dept set addr=‘4-201’ where DName=‘管理’，根據(jù)表6可見，元組{管理，3-201，1100}代表了a、b密級(jí)的實(shí)例。為了不影響a的實(shí)例，先將此元組的SP從1100更新為1000，再執(zhí)行插入操作：insert into dept values（‘管理’，‘4-201’）。

3.4 刪除操作

在本模型中，1個(gè)元組可能代表多個(gè)密級(jí)的元組，故刪除規(guī)則應(yīng)按下面的步驟進(jìn)行：

（1）檢查待刪除元組的SP值是否為某單個(gè)密級(jí)，若是，則可按標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系模型的刪除操作進(jìn)行。否則，按以下步驟。

（2）先將此元組的SP值sp更新為sp&~c（c表示執(zhí)行刪除操作的主體的許可級(jí)）。

本模型繼承了多實(shí)例的概念，并作了改進(jìn)。如果多個(gè)實(shí)例僅僅只有元組的密級(jí)屬性不同，則直接將這些實(shí)例用1個(gè)元組表示，其SP值為這些密級(jí)屬性的并集，由于實(shí)際應(yīng)用中敏感數(shù)據(jù)很少，故這種規(guī)則在應(yīng)用中是合理的，從而大大減少了數(shù)據(jù)的冗余。

本文提出的多級(jí)關(guān)系數(shù)據(jù)模型中使用類似“同級(jí)讀，同級(jí)寫”的規(guī)則，任何許可級(jí)的用戶都無法看到其他密級(jí)的元組（除非與此許可級(jí)用戶共享該元組），同時(shí)，也無法修改其他密級(jí)的元組（即使與此許可級(jí)用戶共享元組，修改也不會(huì)影響其他許可級(jí)的用戶視圖），既避免了隱通道，又防止了敏感數(shù)據(jù)的泄漏。