数据库基础与应用课题答案

数据库系统是一个实际可运行的存储、维护和应用系统提供数据的软件系统，是存储介质、处理对象和管理系统的集合体。它通常由软件、数据库和数据管理员组成。其软件主要包括 *** 作系统、各种宿主语言、实用程序以及数据库管理系统。数据库由数据库管理系统统一管理，数据的插入、修改和检索均要通过数据库管理系统进行。数据管理员负责创建、监控和维护整个数据库，使数据能被任何有权使用的人有效使用。数据库管理员一般是由业务水平较高、资历较深的人员担任。

★数据库系统的个体含义是指一个具体的数据库管理系统软件和用它建立起来的数据库；它的学科含义是指研究、开发、建立、维护和应用数据库系统所涉及的理论、方法、技术所构成的学科。在这一含义下，数据库系统是软件研究领域的一个重要分支，常称为数据库领域。

★数据库研究跨越于计算机应用、系统软件和理论三个领域，其中应用促进新系统的研制开发，新系统带来新的理论研究，而理论研究又对前两个领域起着指导作用。数据库系统的出现是计算机应用的一个里程牌，它使得计算机应用从以科学计算为主转向以数据处理为主，并从而使计算机得以在各行各业乃至家庭普遍使用。在它之前的文件系统虽然也能处理持久数据，但是文件系统不提供对任意部分数据的快速访问，而这对数据量不断增大的应用来说是至关重要的。为了实现对任意部分数据的快速访问，就要研究许多优化技术。这些优化技术往往很复杂，是普通用户难以实现的，所以就由系统软件（数据库管理系统）来完成，而提供给用户的是简单易用的数据库语言。由于对数据库的 *** 作都由数据库管理系统完成，所以数据库就可以独立于具体的应用程序而存在，从而数据库又可以为多个用户所共享。因此，数据的独立性和共享性是数据库系统的重要特征。数据共享节省了大量人力物力，为数据库系统的广泛应用奠定了基础。数据库系统的出现使得普通用户能够方便地将日常数据存入计算机并在需要的时候快速访问它们，从而使计算机走出科研机构进入各行各业、进入家庭。

★数据库系统的特点大致有：

数据的结构化，数据的共享性好，数据的独立性好，数据存储粒度小，数据管理系统，为用户提供了友好的接口。

★数据库系统的核心和基础:

数据库系统的核心和基础是数据模型,现有的数据库系统均是基于某种数据模型的

★数据库系统的核心是数据库管理系统。

数据库系统一般由数据库、数据库管理系统（DBMS）、应用系统、数据库管理员和用户构成。DBMS是数据库系统的基础和核心。计算机系统计算机系统由计算机硬件和软件两部分组成。硬件包括中央处理机、存储器和外部设备等；软件是计算机的运行程序和相应的文档。计算机系统具有接收和存储信息、按程序快速计算和判断并输出处理结果等功能。硬件是计算机系统的物质基础，没有硬件就不成其为计算机；软件是计算机的语言，没有软件的支持，计算机就无法使用。计算机硬件包括中央处理机、存储器和外部设备。中央处理机是计算机的核心部部件，由运算器的控制器两部分组成，主要功能是解释指令、控制指令执行、控制和管理机器运行状态，以及实时处理中央处理机内部和外部出现和各种应急事件。存储器分为主存储器和辅助存储器。主存储器的主要功能是存储信息和与中央处理机直接交换信息；辅助存储器包括磁盘机、磁带机和光盘机等，通常只与主存储器交换信息。外部设备包括输入和输出设备、转换设备、终端设备等，如键盘、打印机、绘图仪和鼠标器等。软件通常分为两大类：系统软件和应用软件。系统软件最靠近硬件层，是计算机的基础软件，如 *** 作系统、高级语言处理程序等。系统软件是计算机厂家预先设计好的。 *** 作系统主要用于组织管理计算机系统的所有便件和软件资源，使之协调一致、高效地运行；高级语言处理程序包括编译程序和解释程序等。编译程序能将高级语言编写的源程序翻译成计算机执行的目标程序，解释程序是边解释边执行源程序。应用软件处于计算机系统的最外层，是按照某种特定的应用而编写的软件。90年代至21世纪初计算机技术的发展进入以开放系统及计算机风格为突出特征的崭新时代，正在逐步形成包括计算机系统体系结构、网络体系结构和应用体系结构的完整技术体系。各种计算机的结构，如精简指令系统计算机和大规模并行处理计算机的迅速发展，对计算机工业的发展和军事应用都将产生巨大的影响。

数据库系统与一般的计算机系统完全就是两码事啊！

使用天锐绿盾加密软件，便能有效解决企业数据防泄密问题。许多企业单位都有着对数据保护的需求，为防止遭到目前恶劣的互联网环境侵入破坏，以及防止来自内部人员的非法手段窃密，企业的数据安全问题需要通过合法、有效的手段加以保护。

天锐绿盾主要以以下几个方面来实现对企业数据的保护：

1、核心数据加密

对于企业的核心数据，采取透明加密的形式，不影响员工的 *** 作习惯，在安全保护状态下，在企业加密软件保护的数据只允许在内部可信环境中使用。加密文件一旦在不受信任的环境中使用，就会出现乱码，消除了加密数据泄露的风险。

2、细粒度划分文件权限

通过密钥管理添加多个密钥，根据文件密级不同设置不同的密钥，细分不同部门和等级的员工对文件访问权限，避免重要文件在公司所有部门内随意流转，减少文件外泄的风险。

3、外发文件加密

公司有时候需要和合作商互发文件，这时管理者可以将需要外发的文件制作成外发包，通过限制外发包最大打开次数限额、天数限额、添加密码等保护文件的安全，可以有效防止文件在外部环境随意流转。

4、移动存储设备管控

构建大范围设备管理框架，限制U盘、光驱、打印机、蓝牙、红外、便携式设备等多种外接设备的使用权限，可以禁止员工电脑usb接口，除鼠标和键盘外其他usb设备均无法使用；限制员工对U盘的使用权限，以此限制员工随意通过U盘拷贝、传输公司文件，减少文件外泄的风险。

5、实时监控

终端加密软件可以监控终端设备的屏幕安全，管理者可以实时监控员工电脑的屏幕运行情况，直观了解员工的办公状态，查看和控制现有的内部威胁风险。

天锐绿盾加密软件有多种加密方式，实现对文件全场景加密保护，限制机密文件访问权限，为企业构建稳定全面的终端安全管理系统，强化企业内部数据的安全防护能力。

摘 要： 针对目前主流数据库的安全防护功能配置方式不灵活、不能应变需求的问题，在HOOK技术的基础上融入组态思想，设计并实现了一种适用于不同数据库的自主安全防护系统(DSS)。在SQLITE上的相关实验表明，利用DSS完全可以实现独立于特定数据库的自主安全防护，大大提高了数据安全防护的灵活性。

关键词： 数据库安全; HOOK API; 访问控制; 数据库审计; SQLITE; 自主安全系统

近年来，有关数据库的安全事故不断出现，例如银行内部数据信息泄露造成的账户资金失密等。因此，高度重视数据库安全防护很有必要。但一直以来，国内数据库产业化发展缓慢，市场份额中较大一部分被国外大型数据库企业占有。这对于国内用户而言，信息的安全性、稳定性等方面都会受到威胁。有的系统涉及使用多个数据库，并且对每个数据库的安防功能要求各不相同。这样，在保障整个系统安全的目标下就需要对每个数据库进行专门配置管理，不但维护难度很大，而且工作也比较繁重。面对这些实际问题，目前的数据库系统自带的安全防护配置方式已不能胜任,如何提出一个灵活独立的安全防护系统迫在眉睫。

1 相关安全防护技术介绍

目前，数据库系统面临的主要威胁有：(1)对数据库的不正确访问引起数据库数据的错误。(2)为了某种目的，故意破坏数据库。(3)非法访问不该访问的信息，且又不留痕迹;未经授权非法修改数据。(4)使用各种技术攻击数据库等。多年来，人们在理论和实践上对数据库系统安全的研究做出了巨大的努力，也取得了很多成果。参考文献[1-2]介绍了保护数据库安全的常用技术，包括：存取管理技术、安全管理技术、以及数据库加密技术，并给出了一些实现途径。其中，访问控制和安全审计作为数据库安全的主要保障措施受到了人们广泛关注，参考文献[3]对访问控制技术中的基本策略进行了总结，给出了实现技术及各自的优缺点。参考文献[4]主要针对权限建模过程中的权限粒度问题做了分析，并提出一个基于角色的访问控制框架。进入21世纪以后，访问控制模型的研究重点开始逐渐由集中式封闭环境转向开放式网络环境，一方面结合不同的应用，对原有传统模型做改进，另一方面，也提出一些新的访问控制技术和模型，比较著名的有信任管理、数字版权管理和使用控制模型 [5]。审计通过对数据库内活动的记录和分析来发现异常并产生报警的方式来加强数据库的安全性[6]。目前，在我国使用的商品化关系数据库管理系统大都提供了C2级的审计保护功能，但实现方式和功能侧重有所不同。周洪昊等人[7]分析了Oracle、SQL Server、DB2、Sybase的审计功能，分别从审计系统的独立性、自我保护能力、全面性和查阅能力四个方面对审计功能做出改进[7]。参考文献[8]则针对审计信息冗余、审计配置方式死板以及数据统计分析能力不足等问题，在数据库系统已有的审计模块基础上，重新设计和实现了一种新型的数据库安全审计系统。

但所有的这些工作都是从 数据库 系统的角度出发，并没有从本质上解决安全防护对数据库系统的依赖性问题，用户还是很难对数据库提供自主的安全防护功能。如果能将安全防护从数据库管理系统中彻底独立出来，针对不同的应用需求允许用户自己实现安全防护功能模块并在逻辑上加入到数据库应用系统中，这样问题也就迎刃而解了。

通过以上分析，本文提出一种独立于具体数据库、可组态的安全防护模型，并给出具体的实现方法。该模型将安全防护从数据库完全独立出来，在多数据库应用中实现集中配置安防，满足用户对于自主防护功能的需求。并在开源的嵌入式数据库产品SQLITE中做了功能测试，实验结果表明，该模型切实可行，达到了预想的效果，既能实现对系统的保护，又大大提高了系统的灵活性。

2 自主安全防护系统的设计与实现

自主安全防护系统DSS(Discretionary Safety System)的主要功能是阻止用户对信息的非法访问，在可疑行为发生时自动启动预设的告警流程，尽可能防范数据库风险的发生，在非法 *** 作发生时，触发事先设置好的防御策略，实行阻断，实现主动防御，并按照设置对所发生的 *** 作进行详细记录，以便事后的分析和追查。

21 系统结构

在DSS中，安全管理员使用角色机制对用户的权限进行管理，通过制定安全策略来设置核心部件Sensor以及访问控制部件。核心部件Sensor侦听用户的数据库 *** 作请求，采用命令映射表将不同的命令映射为系统识别的命令，提取出安全检查所需要的信息，发送到访问控制模块进行安检。安检通过了则允许用户访问数据库，否则拒绝访问，同时根据审计规则生成记录存入审计日志。

DSS作为独立的功能模块主要通过向Sensor提供数据库的调用接口的方式保障对数据库信息安全合理地访问。系统有一个默认的访问控制流程，用户也可以自己设定安全策略，系统自动生成相应访问控制流程。本文约定被访问的对象为客体，请求 *** 作的用户为主体。

22 系统实现

系统实现主要分为系统数据字典设计、用户登录与用户管理、系统相关策略制定、侦听器(Sensor)的实现、访问控制以及日志审计六部分。原数据库API信息(dll)、用户的自主防护策略作为输入，Sensor核心一方面将用户的防护策略融合在原数据库的API接口中，另一方面记录用户对数据库的 *** 作并生成日志，提供给用户做审计。用户在使用过程中不需要修改原有系统，即可实现自主防护。

Sensor由API处理模块、访问控制模块(Access Control)、Sensor核心模块(Core)、注射模块四部分组成。Core是Sensor的核心部件，主要负责拦截接口，解析并分离接口中的重要信息，使程序转入自定义的安检程序中执行安全检查。Access Control组件实现不同级别的访问控制,根据用户提供的安检信息，组态出对应的安防模块，并在合适的时候调用其进行访问控制。API(dll)主要将数据库系统提供的接口信息,转化为dll以便Sensor侦听时使用。Inject/Eject为Sensor提供远程注射的功能。

Core通过拦截对API的调用来实现定制功能。程序在调用API函数之前，首先要把API所在的动态链接库载入到程序中;然后将API函数的参数、返回地址(也就是函数执行完后，下一条语句的地址)、系统当前的环境(主要是一些寄存器的值)压入系统调用栈;接着，进入到API函数的入口处开始执行API函数，执行过程中从系统调用栈中取出参数，执行函数的功能，返回值存放在EAX寄存器中，最终从堆栈中取出函数的返回值并返回(参数压栈的顺序还要受到调用约定的控制，本文不详细介绍)。

举例说明函数调用时堆栈的情况。假设调用约定采用_stdcall,堆栈由高向低递减，API为Int func(int a, int b, int c)。

拦截主要通过HOOK API技术实现，可以拦截的 *** 作包括DOS下的中断、Windows中的API调用、中断服务、IFS和NDIS过滤等。目前微软提供了一个实现HOOK的函数库Detours。其实现原理是：将目标函数的前几个字节改为jmp指令跳转到自己的函数地址，以此接管对目标函数的调用，并插入自己的处理代码。

HOOK API技术的实质是改变程序流程。在CPU的指令集中,能够改变程序流程的指令包括JMP、CALL、INT、RET、RETF、IRET等。理论上只要改变API入口和出口的任何机器码，都可以实现HOOK。但实际实现上要复杂得多,主要需要考虑如何处理好以下问题：(1)CPU指令长度。在32 bit系统中,一条JMP/CALL指令的长度是5 B，因此只需要替换API中入口处的前5 B的内容，否则会产生不可预料的后果。(2)参数。为了访问原API的参数，需要通过EBP或ESP来引用参数，因此需要明确HOOK代码中此时的EBP/ESP的值。(3)时机问题。有些HOOK必须在API的开头，如CreateFileA( )。有些必须在API的尾部，如RECV()。(4)程序上下文内容的保存。在程序执行中会涉及修改系统栈的内容，因此注意保存栈中原有内容，以便还原。(5)在HOOK代码里尽量杜绝全局变量的使用，以降低程序之间的耦合性。通过以上的分析，整理出如图4所示的实现的流程。

DSS与传统数据库的安全防护功能相比，具有以下特点：

(1)独立于具体的数据库。这种独立性体现在：①DSS只需要数据库提供其接口信息即可工作。②支持不同标准的SQL语句，通过数据库命令映射表可将非标准的SQL语句映射为系统设置的SQL命令。③系统自身数据的物理存储是独立于数据库的。

(2)灵活性和针对性的统一。用户可以根据自己的需要配置针对特定应用的相关规则。

(3)完善的自我安全保护措施。DSS只有数据库安全管理员和安全审计员才能访问。安全管理员和安全审计员是一类特殊的用户，他们只负责安全方面的 *** 作，而不能访问数据库中的数据。这与Oracle等的数据库不同,在这些数据库中，DBA可以进行所有的 *** 作。DSS系统本身具有故障恢复能力，能使系统出现问题时恢复到一个安全的状态。

(4)完备的信息查阅和报警功能。在DSS中，本文提供了便利的设计查阅工具，方便用户对系统进行监控。另外，用户也可以自己定义报警条件和报警处理措施，一旦满足报警条件，系统就会自动地做出响应。

3 实验及结果分析

DSS的开发主要采用VS 2005实现,开发完成后在一台主频为28 GHz、内存2 GB、装有Windows 2000 *** 作系统的普通 PC机上对其进行了功能和性能的测试，使用的数据库是开源的嵌入式数据库SQLite 36。为了搭建测试环境，需要在SQLite中添加初始化系统自身的数据字典，并开发应用程序。测试内容包括：登录、用户管理、Sensor、访问控制、日志审计以及增加DSS前后数据库系统安全性变化等功能性测试和增加DSS系统后对数据库性能的影响两方面。其中，性能测试主要从时间和资源的增加情况来说明，针对不同数据库对象分别在五个级别(20 000、40 000、60 000、80 000、100 000)的数据上进行了插入和查询 *** 作测试。为了做好性能对比，在SQLite中也添加了相同的访问控制功能,记为Inline Processing。

从功能测试结果可以看出，DSS可以为数据库系统提供自主防护。从性能测试的结果中看出，查询 *** 作和插入 *** 作耗时相差比较大，这主要是SQLite工作方式引起的，在执行用户的插入 *** 作时，数据库需将内存中的数据写入磁盘数据库文件中，占用了一部分时间。而查询时，SQLite会将数据库文件部分内容缓存起来，加快了查询的速度。另外,增加DSS会对性能有略微的影响，但是它能实现对数据库系统自主保护。

本文针对传统数据库安全防护功能配置不灵活的问题，提出了一种基于HOOK技术的数据库通用安全防护系统。该系统的最大优点在于，它不受数据库自身的约束，完全独立于数据库系统，为用户提供一种按需定制的功能，不仅增加了安防配置的灵活性而且提高了通用性，可以用于不同的数据库系统中。

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