基于组件系统的安全机制

3242009,30(2)计算机工程与设计Computer Engineering and Design0引言基于组件的应用系统越来越流行，大量EJB 组件、COM 组件和CORBA 组件被广泛应用。

如果有效利用已有组件，将大大减少商业软件开发费用和开发周期。

安全、性能和可扩展性是大规模组件应用系统的3个关键需求[1]。

将安全机制加入到组件系统中常常会破坏目标系统的性能和可扩展性，如何在不降低性能的同时构建安全的组件系统已成为一个重要研究课题，因此迫切需要一种适合组件系统的安全机制。

尽管在组件系统性能和安全性研究方面已有大量成果，然而将两者结合的却较少。

文献[2]提出了组件系统与组件间的强认证访问控制，却未考虑性能和可扩展性问题。

CORBA 安全服务提供了一种安全框架以及多种安全策略以满足不同的安全需求，定义了一系列机制，如身份鉴别、主体认证、授权以及基础设施级的访问控制，然而并未对可扩展性和性能进行全面分析[3,8]。

VPN 使用IPSec 协议，消息在IP 层加密，使得在相同安全划分内的通信就不需要加密，然而组件应用的安全划分与VPN 的安全划分不同，因此VPN 难以按照组件系统的需求重新配置[4]。

为此本文提出了一种可扩展组件安全机制，有效地将安全边界信息加入组件拓扑结构中，消除了在同一个安全边界内组件通信时不必要的加密及解密操作。

本文提出的机制扩展了Kerberos 协议，可以根据业务要求进行相应的安全划分，不影响其可扩展性，同时保持了组件系统的安全特性，使用户可根据业务需求动态、安全地改变划分。

1安全组件方案首先分析了组件和基础设施之间的交互，将软件基础设施(称为CI )与认证服务器(称为AS )合并。

为了不降低组件系统的性能和可扩展性，将系统中的组件按安全边界划分多个堡垒。

提出了组件安全方案(称为CSS )，讨论如何配置软件堡垒，并给出了适应性算法，在运行时刻才决定组件调用是否需要密码操作，以及使用什么密码算法进行加/解密。

给出了组件认证协议(称为SCP )，对需要加密通信的组件在调用之前进行安全认证。

对协议SCP 进行了安全分析。

1.1组件拓扑结构分析尽管普遍认为客户会通过组件接口的方法直接调用组件本身，然而事实是组件基础设施执行了该请求，基础设施扮演组件和其客户间的代理，即任何两个组件都不直接交互。

组收稿日期：2008-05-12E-mail ：shimingruo@信息安全师鸣若，申贵成：基于组件系统的安全机制2009,30(2)325件之间交互的方式如图1所示。

中心节点CI/AS 是组件基础设施和认证服务器的结合。

基础设施负责接收客户(组件C i ，i =1，2，…，nc )的请求、定位合适的组件、将组件加载到内存、实例化它的接口、调用它的方法，最后将结果返回给客户。

软件堡垒是将大型系统建模成自包含实体集合的方法。

每个实体被称作堡垒，并对其所属的平台、数据存储、安全机制和策略做出决策。

堡垒之间的隔离被称为安全边界，条约是堡垒间的正式协议，条约定义了堡垒间如何协同工作。

软件堡垒的信任原则是软件堡垒内的实体相互信任，而默认情况下(没有定义条约)堡垒不信任其它堡垒中的实体。

我们可根据实际组件的物理位置以及应用实际需求，将组件分配到适当的堡垒中。

图1定义了若干堡垒(F 1，F 2，…，F nc )，例如堡垒F 1包含组件C 1和C 2，堡垒F 2包含组件C 3和C 4。

最极端的情况是每个组件放在一个独立的堡垒中，任何组件之间以及组件和客户之间的交互都需要加密。

然而在大多数情况下，设计者能够有效灵活地根据安全边界将系统划分成多个堡垒，试图在保持安全性的同时，保持系统性能和可扩展性。

如果假定系统组件的个数为n c ，堡垒的个数为n f ，通常n c >>n f 。

由于加密仅需要在跨堡垒的安全边界上进行，基于堡垒数量的安全解决方案的复杂性将会大大降低。

如果把认证服务器和组件基础设施合并之后，组件之间共享密钥的数量将从原来的O (n c )(每个组件对应一个密钥)减少到O (n f )(每个安全堡垒对应一个密钥)。

1.2组件认证方案CSS本文提出的组件安全方案CSS 的核心思想是：如果两个通信组件位于同一个安全边界内，则不进行加密/解密。

这意味着组件基础设施应知道堡垒的配置信息以及每个安全堡垒的组件构成情况。

一个基于XML 的组件配置文件如图2所示，fortress 标记由堡垒名称和它所属的组件组成，treaty 标记由可用的堡垒和用于堡垒间通信的加/解密协议组成。

该配置文件由组件基础设施创建，用于描述堡垒以及堡垒中的组件的元数据。

该配置信息将在CSS 适应性算法中使用。

图2说明组件系统由两个堡垒A 和B 组成，堡垒A 由组件1和组件2组成，堡垒A 和堡垒B 之间的组件安全通信协议是OpenSSL 。

适应性算法的伪代码如图3所示。

首先引入函数Fortress:C m →F n ，Treaty:F k ×F 1→T kl 以及Protocol:T pq →P pq 。

函数Fortress 将一个组件映射到对应的堡垒，函数Treaty 将两个堡垒映射到一个条约，函数Protocol 将条约映射到密码协议。

该算法的工作过程如下：相互通信的两个组件C i 和C j 是算法的前两个参数，第3个参数是一个布尔变量encrypt ，它描述这两个组件间的通信是需要加密还是解密。

通过函数For-tress ，组件C i 和C j 分别获得所属堡垒F i 和F j 。

如果F i 和F j 是同一堡垒，则组件间通信不使用密码学服务。

否则，通过Treaty 函数获得对应的条约T ij ，进而通过函数Protocol 获得用于通信的加密/解密协议P ij 。

1.3安全组件协议SCP尽管已有多种基于Kerberos 的安全协议已被应用到组件系统中，但是能够完全与CSS 无缝工作的协议还不存在。

本文提出的安全组件协议SCP 用于CSS 对组件进行安全部署，仅在CSS 决定需要加密消息时，SCP 协议才被使用。

SCP 协议借鉴了Kerberos 协议和IPSec 协议的思想。

研究表明IPSec 复杂、脆弱、有二义性、且存在冲突，IPSec 不是100%安全的，需要降低其复杂性，或寻找替代方案。

应用于组件系统时，SCP 协议解决了IPSec 潜在的问题。

通过SCP 协议，系统只需要为每一堡垒分配一个密钥，而不需要为每一个组件分配一个密钥，因此密钥数量从O (n c )减少到O (n f )。

假定组件C i 和组件C j 需要相互认证，则SCP 协议的消息序列如下：(1)C i →CI/AS ：C i ，C j ；(2)CI/AS →C j ：{C i ，N ，K j,as }K as；(3)C j →CI/AS ：{C j ，N+1，R j }K j,as；(4)CI/AS →C i ：{C i ，C j ，N+2，R j ，K i,as }K as。

位于不同堡垒的两个组件，只有通过SCP 协议认证后，才能在C i 、CI/AS 以及C j 之间建立安全通道，从而请求各种服务。

SCP 协议的详细过程如下：组件C i 发送消息1到CI/AS ，消息1包括C i 和C j 的组件标识符，请求CI/AS 实例化C j 实例的引用。

CI/AS 接收信息1之后，发送消息2给组件C j ，包括组件C i 的身份、随机数N 以及认证服务器AS 和组件C j 的共享密钥K j,as ，消息2用共享密钥K as 加密，其中N 为该会话的会图1组件和组件基础设施之间的关系F 2F 1F nfCI/ASF3图2CSS 的XML 配置文件示例<fortress name ="A"><component ID ="1"/><component ID ="2"/></fortress><fortress name ="B"><component ID ="3"/></fortress><treaty><fortress name ="A"/><fortress name ="B"/><protocol>OpenSSL</protocol></treaty>图3CSS 适应性算法CSS (C ,C ,boolean encrypt )beginF =Fortress (C );F =Fortress (C );if (F !=F )thenT =Treaty (F ,F );P =Protocol (T );if (encrypt ==true )then encrypt (C ,C ,P );elsedecrpt (C ,C ,P );endif endif end;i i i i i i j j j j j j ij ij ij ij ij i j3262009,30(2)计算机工程与设计Computer Engineering and Design话密钥。

C j 然后给CI/AS 发送消息3，消息3由组件C j 的身份、N+1、组件C j 的实例引用R j 组成，消息由密钥K j,as 加密。

当CI/AS 接收到消息M 3之后，CI/AS 和C j 间的安全通道就建立了。

最后CI/AS 发送消息4给组件C i ，消息由组件C i 的身份、组件C j 的身份、N+2、组件C j 的实例引用R j 以及共享密钥K i,as 组成，并由K as 加密。

最终C i 安全地获得了组件C j 的实例引用R j 。

当C i 需要调用C j 接口的方法时，它发送一个由K i,as 加密的如下消息到CI/ASC i →CI/AS ：{N+2+i ，R j ，方法名称，实参表}Ki,as式中：i ——初始值为1的整数，每次调用后i 自增1，R j 为组件C j 的引用。

CI/AS 解密该消息、代表C i 调用被请求的方法，并接收调用的返回值。

然后CI/AS 发送由密钥K i,as 加密如下新消息给组件C iCI/AS →C i ：{N+2+i ，R j ，方法名称，返回值}Ki,as组件C i 最终获得被调用方法的返回值，最终SCP 协议结束。

1.4协议SCP 的安全性分析该协议用形式化方法描述之后，BAN 认证逻辑可以证明其正确性。

协议适合Dolev-Yao 模型[5-6]，首先假定操作系统的完整性不会被破坏，并假定组件安装是安全的，并能从与认证服务器AS 集成的组件基础设施CI 获得共享密钥。