信息系统安全第六讲数据库安全

信息系统安全第六讲数据库安全张焕国武汉大学计算机学院目录1、信息系统安全的基本概念2、密码学(1)3、密码学(2)4、操作系统安全(1)5、操作系统安全(2)6、数据库安全(1)7、数据库安全(2)8、可信计算(1)9、可信计算(2)一、数据库安全的概念1、数据库安全的重要性数据库是重要的应用软件。数据库集中存储和管理着大量的重要数据，如军事、政治、金融等数据。数据库成为不法分子攻击的主要目标。数据库要支持查询、插入、删除、更新等操作，而且存储的数据量大、时间长是其重要特点。数据库的安全措施应适应数据库的特点。一、数据库安全的概念2、数据库加密的困难性对数据库加密是确保数据安全的重要措施。数据量大，要求加解密速度快。数据存储时间长，为了安全密钥应经常更换，需要对数据解密再加密很麻烦。如不经常更换密钥，时间一长就可能不安全。数据库要支持查询、插入、删除、更新等操作，最好能在密文状态下进行上述操作，即需要同态加密。二、统计数据库的概念⑴统计数据库的概念统计数据库（Statisticaldatabase）是数据库的一种。统计数据库是一些数据项的集合，其中每个数据项个体都是保密的、不允许访问的，但是访问获得其数据项的统计信息则是允许的。如，公民健康状况数据库：公民个人的健康状况属于个人隐私，应是保密的（特别是一些领袖人物），但是其统计信息又是应当公开的，如某疾病的发病率等。二、统计数据库的概念⑴统计数据库的概念又如，公民存款数据库：公民个人的存款信息属于个人隐私，应是保密的，但是其统计信息又是应当公开的，如公民存款上升率等。近年来数据挖掘的研究涉及个人隐私保护问题，这与统计数据库安全技术相关。二、统计数据库的概念⑵统计数据库的理论模型1、特征刻画模型把数据库看成是许多记录的集合。每个记录是一个实体的描述。每个实体以其具有（或不具有）某些特性而与其他实体相区别。设有k种特征，在记录中用k位二进制位与之相对应。用1表示具备该特征，用0表示不具备该特征。这样，一个k位二进制数便唯一标识一个实体。⑵统计数据库的理论模型1、特征刻画模型模型：数据库是k位二进制数到实数R的部分函数DC：DC：{0，1}k→R称DC为部分函数是因为对于某些特征的集合，数据库中可能不存在对应的记录。如果对于所有2k个特征组合，数据库中都存在对应的记录，则DC就是全函数。二、统计数据库的概念⑵统计数据库的理论模型1、特征刻画模型统计函数为f，如计数、平均值、最大值、最小值等。查询以（1，0，1，*）形式提出，其中1表示具有某特征，0表示不具有某特征，*为通配符。查询提出后，数据库首先查找满足查询特征的所有记录。如果只有一个记录满足要求，为了避免泄露数据个体，系统将拒绝回答。否则，系统对所有满足要求的记录计算统计函数f，并给出统计值。二、统计数据库的概念⑵统计数据库的理论模型2、键刻画模型把数据库看成N个记录的集合。每个记录有一个记录号i，称为键。记录可通过键值来查找。于是可把数据库看成是键值集合{1，2，...，N}到实数R的全函数：DK：{1，2，...，N}→R二、统计数据库的概念⑵统计数据库的理论模型2、键刻画模型允许的查询是{i1，i2，...，ik}k≥2，j≠m时ij≠im。因为若k=1，则查询变为{i}，这是对记录i的直接访问，这当然是不允许的。如果i≠j时ij=im，则攻击者可以用查询{i1，i2，...，ik}来迫使数据库泄露记录i。统计函数为f，如计数、平均值、最大值、最小值等。系统对查询的回答是f（DK(i1)，DK(i2),...,DK(ik))。二、统计数据库的概念⑵统计数据库的理论模型3、关系模型设有属性A1,A2,…,Ak他们分别在值域D1,D2,…,Dk上取值，则笛卡儿空间D1×D2×…×Dk的任一子集称为一个关系，记作D。关系数据库可看成是D到实数R的部分函数DR：DR：D→R关系数据库中的记录由属性字段A1,A2,…,Ak所确定。对数据库的访问是由属性字段的不同取值及由与、或、非组成的逻辑表达式所决定的。称属性字段的逻辑表达式为特征公式。当满足特征公式的记录只有一个时，系统拒绝回答，否则给出统计值。二、统计数据库的概念三、统计数据库的安全性由于统计数据库允许访问统计信息而不允许访问个体信息这一特性，使得攻击者可能通过精心策划的多次合法访问，推理求出个体数据，从而攻破数据库。称这种攻击为推理攻击（InferenceAttack）。在推理攻击面前，统计数据库显得十分脆弱。三、统计数据库的安全性1、对特征刻画数据库的攻击攻击者在实施攻击前往往已经具有统计数据库一些知识。①记录的取值范围，即使是大致的范围；②某些记录的取值；③某一特征的记录存在，某一特征的记录不存在。攻击者获得这些并不难，如学生分数数据库的取值范围是1-100。三、统计数据库的安全性1、对特征刻画数据库的攻击攻击前提：假设已知某一记录值①设已知特征X及其对应记录的取值DC（X）；②任何与X仅有1位不同的记录Y，都可用一个单*求和查询，求出D=DC（X）+DC（Y）。于是可求出DC（Y）。③如果特征Y与X有2位不同，则一定能找到一个Z，使Z与X和Z与Y都只有1位不同。于是通过一个单*查询可求出DC（Z），再用一个单*查询便可求出DC（Y）。类似反复进行，便可求出所有记录值。三、统计数据库的安全性1、对特征刻画数据库的攻击举例：设X=1110，Y=0110，X和Y只有1位不同。查询（*110）可得V=DC（X）+DC（Y）。V-DC（X）=DC（Y）。又设，设X=1110，Y=0010，X和Y有2位不同。但存在Z=1010，使得X和Z及Z和Y都只有1位不同。通过查询（1*10）可求出DC（Z），再通过查询（*010）可求出DC（Y）。可以证明，不管把门限提高到多少，都可功破数据库。还可证明，如果攻击者知道数据库的取值范围，或知道某特征的记录存在或不存在，攻击者都可攻破数据库。三、统计数据库的安全性2、对键刻画数据库的攻击攻击前提：允许查询k(K1)个记录的平均值，即使事先对数据库一无所知。攻击方法1：解方程①设攻击者企图求出键值为i1，i2，i3，i4的记录值，于是他提出如下四个求平均值的查询，并得到相应回答：Q1=(i2，i3，i4)得到P1=1/3(DK(i2)+DK(i3)+DK(i4))Q2=(i1，i3，i4)得到P2=1/3(DK(i1)+DK(i3)+DK(i4))Q3=(i1，i2，i4)得到P3=1/3(DK(i1)+DK(i2)+DK(i4))Q4=(i1，i2，i3)得到P4=1/3(DK(i1)+DK(i2)+DK(i3))三、统计数据库的安全性2、对键刻画数据库的攻击写成方程如下：0111DK(i1)3P11011DK(i1)=3P11101DK(i1)3P31110DK(i1)3P4因为系数矩阵是满秩阵，故解方程可得：DK(i1)，DK(i2)，DK(i3)，DK(i4)的值。三、统计数据库的安全性2、对键刻画数据库的攻击攻击方法2：不用解方程设要求DK(i3)①首先查询Q1=(i1，i2，i3)，得到P1；②其次查询Q2=(i1，i2)，得到P2；③于是，DK(i3)=3P1-2P2。可以证明，上述方法和结论对一般情况均成立。可以证明：除平均值外，诸如几何平均值、最大值、最小值等，只要攻击者对数据库有少量知识（如前），便可将数据库攻破。三、统计数据库的安全性3、对关系数据库的攻击在关系数据库中用特征公式来选择所需的记录。攻击前提：知道特征公式C能唯一确定记录R，但直接用C访问R是不允许的。①设攻击者能将C分解为两个逻辑表达式D和E的乘积，C=DE，T=DE’，E’为E的非，而且T和D都是可合法访问的特征公式；②攻击者通过D，T，T+DA，三次合法查询可获得；NU(C)=NU(D)-NU(T)NU(CA)=NU(T+DA)-NU(T)NU(C)=NU(D)-SUM(T)其中NU为计数，SUM为求和，A为任一特征公式。三、统计数据库的安全性3、对关系数据库的攻击③因为C=DE=D(E+D’)=D(D(E’))’=DT’,又根据T=DE’，故当T为真时必有D为真。这说明T所匹配的所有记录全属于D所匹配的记录集合，所以有NU(C)=NU(D)-NU(T)SUM(C)=SUM(D)-SUM(T)④因为C=DT’,所以CA=DT’A=（T+DA）T’，所以有NU(CA)=NU(T+DA)-NU(T)⑤由于D包含D（E’+A）=T+DA，而T+DA又包含T，因为D和T都是可合法访问的特征公式，所以T+DA也是合法访问的特征公式。因此上述计算是可以进行的。注意：特征公式T=DE’起了很大作用，称为个体跟踪式。三、统计数据库的安全性4、统计数据库的安全增强以上分析可以看出统计数据库的安全问题是严重的。问题的根源在于，个体的保密性与数据库要提供精确统计值之间的矛盾。一种解决思路是牺牲统计值的精确性，换取其安全性。①采用键模型。②对于平均值的查询(i1，i2,...,is)，数据库首先找到键值对应的k个记录，再随机选择V个记录，给出这k+V个记录的平均值。③适当选择V值，对统计值的精确度影响不大，但攻击者再想通过解方程求出个体记录值却遇到困难。谢谢！