強(qiáng)制訪問控制模型的自主化研究

◆李曄鋒

（1.北京工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 北京 100124；2.寧波工程學(xué)院電信學(xué)院 浙江 315211）

強(qiáng)制訪問控制模型的自主化研究

◆李曄鋒1,2

（1.北京工業(yè)大學(xué)計算機(jī)學(xué)院 北京 100124；2.寧波工程學(xué)院電信學(xué)院 浙江 315211）

強(qiáng)制訪問控制是評價計算機(jī)系統(tǒng)安全性的標(biāo)準(zhǔn)之一，具有重要的研究意義。但由于它缺乏靈活性，不具有普遍的應(yīng)用價值，一般在機(jī)密度較高的商業(yè)或軍工領(lǐng)域才有所應(yīng)用。本文研究了強(qiáng)制訪問控制模型的自主化，并提出了一種具有自主控制特性的強(qiáng)制訪問控制模型，具有靈活性以及一定的安全性。

計算機(jī)安全；強(qiáng)制訪問控制；自主化

0 引言

訪問控制是系統(tǒng)安全的關(guān)鍵技術(shù)[1]，其任務(wù)是通過限制用戶對數(shù)據(jù)信息的訪問能力及范圍,保證信息資源不被非法使用和訪問[2]。如今一些訪問控制模型已被廣泛應(yīng)用到各種系統(tǒng)中，其中最具有代表性的是自主訪問控制（DAC）、強(qiáng)制訪問控制（MAC）和基于角色的訪問控制（RBAC）[3]。

1985 年由美國國防部制定的《可信計算機(jī)系統(tǒng)評估標(biāo)準(zhǔn)》（TCSEC）為計算機(jī)系統(tǒng)的安全劃分為四個大類、七個等級，其中實(shí)現(xiàn)簡單的自主訪問控制和審計功能即能達(dá)到C1級，而強(qiáng)制訪問控制則是評價更高B1級的基本條件之一。與其它的訪問控制技術(shù)相比，MAC具有更高的安全性和更強(qiáng)的機(jī)密性，并且占用的存儲空間較少，但它的缺點(diǎn)是靈活性不夠、可操作性差[4]。因此，學(xué)術(shù)界一直在對強(qiáng)制訪問控制模型不斷改進(jìn)，試圖讓它像DAC一樣具有一定的自主性，以期增強(qiáng)它的靈活性，同時又不過于損失安全性。

本文首先概要地說明了強(qiáng)制訪問控制模型，包括經(jīng)典模型的描述和當(dāng)前的研究現(xiàn)狀；然后提出了一種具有自主化特性的MAC，其核心分別是訪問控制矩陣、局部性和繼承性；最后對全文進(jìn)行了總結(jié)。

1 強(qiáng)制訪問控制模型概述

1.1 經(jīng)典強(qiáng)制訪問控制模型

強(qiáng)制訪問控制（MAC）最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，是美國政府和軍方源于對信息機(jī)密性的要求以及防止特洛伊木馬之類的攻擊而研發(fā)的。它是一種基于安全級標(biāo)記的訪問控制方法，即對于系統(tǒng)中的每一個主體和客體都會被賦予一個安全級（Security Level），用于限制主體對客體的訪問操作。大多數(shù)系統(tǒng)中的安全級分為四種：絕密（Top Secret）、秘密（Secret）、機(jī)密（Confidential）和無級別（Unclassified），從高到低分別表示為T＞S＞C＞U。對于經(jīng)典的Bell-LaPudula模型[5]，它的訪問控制判定規(guī)則如表1所示（R表示讀、W表示寫）：

表1 Bell-LaPudula模型的訪問控制判定規(guī)則

Bell-LaPudula的特性可以概括為兩以下兩點(diǎn)：

（1）簡單安全特性：若主體S的安全級高于客體O的安全級，則主體S可讀客體O。

（2）*-特性：若主體S的安全級低于客體O的安全級，則主體S可寫客體O。

Bell-LaPudula模型的特性簡單描述為為“下讀上寫”，可以防止低安全級的主體讀取高安全級的信息，原則上制止了信息從高級別的實(shí)體流向低級別的實(shí)體，它是一種基于保密性的強(qiáng)制訪問控制模型。但是，由于低安全級的主體對于高安全性的客體擁有寫權(quán)限，可以修改其中的內(nèi)容，因此這種模型無法保證客體的完整性不被破壞。

類似地，Biba模型[6]針對信息完整性而設(shè)計，它的特性與Bell-LaPudula模型完全相反，即“上讀下寫”。它的缺點(diǎn)也是顯而易見，只確保完整性卻無法兼顧保密性。Dion模型[7]結(jié)合了Bell-LaPudula模型和Biba模型的特征，為每一個主體和客體賦予兩個安全級，分別對應(yīng)保密性和完整性，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)的安全性，但是系統(tǒng)的靈活性受到了更大的影響。

1.2 強(qiáng)制訪問控制模型的研究現(xiàn)狀

從21世紀(jì)初開始，信息安全領(lǐng)域的學(xué)者著手在Bell-LaPudula模型和Biba模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，以滿足在特定場合中的安全需求。最直接的方法是改進(jìn)如表1所示的判定規(guī)則，如王琨等提出的EBLP模型[8]和曹四化等提出的基于用戶意愿的BLP模型[9]等。

另一種思路是把MAC和其它具有靈活性的訪問控制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，提出了新的訪問控制模型。如Osborn考慮把MAC和RBAC結(jié)合，把原先作用于主體的安全級分配給角色[10]，這種思想在李立新等提出的安全系統(tǒng)中得到了改進(jìn)和強(qiáng)化[11]。

此外，為了進(jìn)一步提高訪問控制的靈活性，一些研究允許特定的用戶（超級管理員或安全管理員）臨時修改主體和客體的安全級。如吳飛林等在MySQL中實(shí)現(xiàn)了一種可定制的強(qiáng)制訪問控制模型[12]，并且在不同的數(shù)據(jù)庫中得到了應(yīng)用和發(fā)展[13][14]。這種思路無需修改判定規(guī)則，也無需對經(jīng)典模型進(jìn)行大幅度擴(kuò)展，同時又提高了靈活性，為當(dāng)前多數(shù)的操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)所采用的主要手段。

2 一種具有自主控制特性的強(qiáng)制訪問控制模型

在1.2節(jié)中提到的修改主體和客體安全級的方法是一種強(qiáng)制訪問控制模型“自主化”的思想，通過賦予特定用戶權(quán)限去修改模型中的關(guān)鍵屬性，滿足不同場合下的訪問控制需求，以達(dá)到靈活性的目標(biāo)。本文提出了另一種具有自主性的強(qiáng)制訪問控制模型，其不同點(diǎn)在于把針對性放在訪問控制判定規(guī)則上，不需要修改用戶的安全級。

2.1 訪問控制矩陣

表1所示的訪問控制判定規(guī)則可以用一個4×4的矩陣表示，在Bell-LaPudula模型和Biba模型中，它一旦確定就不能進(jìn)行更改，固定在了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)代碼中。本文提出的思想是首先對該訪問控制矩陣進(jìn)行更改，包括對安全級和訪問權(quán)限進(jìn)行重新定義如下：

定義1 安全級

主體和客體的安全級由范圍為[1, N]的正整數(shù)表示，取值越小表示安全級越高，N的值在系統(tǒng)安裝時確定，以后不得更改。

使用正整數(shù)表示安全級有兩種優(yōu)點(diǎn)：首先，把安全級的名字跟它的真正意義分開。表1中的T、S、C和U只是代號，在一個系統(tǒng)中以這種方式命名，但是在另一個系統(tǒng)中可能使用其它的名字。其次，不同的系統(tǒng)安全級的數(shù)量也有可能不同，即使N值較大不但不影響系統(tǒng)使用，反而增強(qiáng)了可擴(kuò)展性。

定義2 權(quán)限

權(quán)限是一個用二進(jìn)制表示的正整數(shù)，其中每一位表示一種原子權(quán)限（讀、寫、執(zhí)行等，分別對應(yīng)為100、010和001）。這樣，所有權(quán)限可以用111表示，反之無權(quán)限用000表示，滿足最小特權(quán)原則，增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

定義3 訪問控制矩陣

訪問控制矩陣是k階方陣，表示為M=[m（i, j）]，其中i, j∈[1, k], k≤N。矩陣中的每一項(xiàng)m（i, j）的值為定義2中的權(quán)限值，i對應(yīng)主體的安全級，j對應(yīng)客體的安全級。整個矩陣被對角線劃分為“左下區(qū)”和“右上區(qū)”兩個部分，分別對應(yīng)i＜j和i＞j的情況。此外，還對矩陣作如下的限制：

（1）只有在i=j時，即對角線的元素才允許執(zhí)行操作。這一點(diǎn)保證同安全級的主體對客體擁有執(zhí)行操作，保證安全性。

（2）當(dāng)i＜j時，m（i-1, j）≤m（i, j）；當(dāng)i＞j時，m（i+1, j）≤m（i, j）。這一點(diǎn)表示主體與客體的安全級差距越大，擁有的權(quán)限只會越小。

（3）在“左下區(qū)”或“右上區(qū)”內(nèi)不能同時出現(xiàn)原子的讀或?qū)憴?quán)限。這一點(diǎn)與第（2）點(diǎn)結(jié)合表示主體與客體的安全級差距到了一定的程度，信息只能單向流動。

特別地，當(dāng)矩陣的左下區(qū)均為原子寫權(quán)限、右上區(qū)均為原子讀操作時，滿足Bell-LaPudula模型，稱該矩陣為BLP矩陣，反之則稱為Biba矩陣。

2.2 模型的自主化

一個文件系統(tǒng)通常由目錄和文件組成，并且目錄還能嵌套，形成多級的層次結(jié)構(gòu)。類似地，一個DBMS可能由多個數(shù)據(jù)庫組成，每個數(shù)據(jù)庫中會有多張表。無論系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)多復(fù)雜，在傳統(tǒng)的MAC模型中，只有唯一的訪問控制矩陣，并且作用于系統(tǒng)中任何的主體與客體。

本文提出的擴(kuò)展模型的核心思想在于，允許系統(tǒng)中存在多個訪問控制矩陣，由特定的管理員用戶進(jìn)行設(shè)置。它包含三個特性：

（1）整個系統(tǒng)擁有一個訪問控制矩陣，稱為“全局矩陣”或者“根矩陣”。

（2）每個域（如目錄、數(shù)據(jù)庫等）擁有自己的訪問控制矩陣，稱為“局部矩陣”，并規(guī)定局部矩陣的階數(shù)不能超過全局矩陣的階數(shù)N。

（3）如果某個目錄沒有顯式地定義局部矩陣，則它的訪問控制規(guī)則可以從全局矩陣或者父目錄的局部矩陣?yán)^承。這一點(diǎn)稱為模型的“繼承性”。

下面通過一個例子來說明模型的自主性和靈活性：在一個共享的主目錄下有多個子目錄，假設(shè)目錄1中存放絕密文件，它的訪問控制矩陣為M1；目錄2中存放普通的文本文件，如用戶留言、共享文檔等，它的訪問控制矩陣為M2?，F(xiàn)在，安全管理員可以根據(jù)存放在目錄中的文件安全級設(shè)置對應(yīng)的訪問控制矩陣。

假設(shè)目錄1中的絕密文件的安全級只有1和2，那么M1可為二階BLP矩陣，使得只有安全級為1和2的主體能夠遵循“下讀上寫”的原則進(jìn)行操作，其它安全級的主體沒有任何權(quán)限，從一定程度保護(hù)絕密文件的完整性不被破壞。

假設(shè)目錄2中的普通文件的最低安全級為N，那么可以設(shè)置矩陣M2為N階，它的右上區(qū)所有權(quán)限值為110，左下區(qū)所有權(quán)限值為000，這樣任何安全級的主體都可以對比它安全級低的文件擁有讀寫操作，滿足特殊場合的訪問控制需求，又因?yàn)榭腕w安全級已為最低，矩陣的左下區(qū)取值沒有任何意義。

在提高了靈活性的同時，模型也有不足之處：首先，它需要額外的存儲空間為每個域維護(hù)訪問控制矩陣；其次，安全管理員權(quán)限變得極其重要，一旦丟失或者被竊取將造成嚴(yán)重的后果。

3 結(jié)束語

本文通過分析MAC的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，提出了一種具有自主性的強(qiáng)制訪問控制模型。該模型重新定義了安全級和權(quán)限的概念，作為訪問控制矩陣的基本元素，并且特定的用戶可以為每一個域維護(hù)自身的訪問控制矩陣，充分體現(xiàn)了模型的全局性、局部性和繼承性?？傮w而言，該模型不但具有更高的靈活性，而且在安全性方面也有提升。

[1]封富君, 李俊山.新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的訪問控制技術(shù)[J].軟件學(xué)報, 2007.

[2]王于丁, 楊家海, 徐聰?shù)?云計算訪問控制技術(shù)研究綜述[J].軟件學(xué)報, 2015.

[3]李曄鋒.MongoDB的RBAC訪問控制技術(shù)研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用, 2017.

[4]周洲儀. 操作系統(tǒng)強(qiáng)制訪問控制關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院軟件研究所, 2009.

[5]Bell D E, Lapadula L J. Secure Computer Systems: Mathematical Foundations[J]. Proceedings of the Cornputer Secilrity Formdations Workshop Vu, 2007.

[6]Biba K J.Integrity Considerations for Secure Computer Systems[J].Electronic Systems Div Air Force Hanscom Afb,1977.

[7]Dion L C. A Complete Protection Model[C]// Security and Privacy, 1981 IEEE Symposium on. IEEE, 1981.

[8]王琨, 孫超, 文峰等.基于擴(kuò)展BLP模型的強(qiáng)制存取控制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報, 2006.

[9]曹四化,何鴻君.基于用戶意愿的改進(jìn)BLP模型IB_BLP[J].計算機(jī)工程, 2006.

[10]Osborn S. Mandatory access control and role-based access control revisited[C]// ACM Workshop on Role-Based Access Control. ACM, 1997.

[11]李立新, 陳偉民.強(qiáng)制訪問控制在基于角色的安全系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].軟件學(xué)報, 2000.

[12]吳飛林, 王曉艷, 郎波.基于MySQL的可定制強(qiáng)制訪問控制的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用研究, 2007.

[13]周述文.達(dá)夢數(shù)據(jù)庫強(qiáng)制訪問控制機(jī)制研究[D].華中科技大學(xué), 2008.

[14]朱祥彬.安全數(shù)據(jù)庫強(qiáng)制訪問控制的研究與實(shí)現(xiàn)[D].吉林大學(xué), 2010.