基于角色的細(xì)粒度訪問控制模型的設(shè)計與實現(xiàn)

趙衛(wèi)東，畢曉清，盧新明

(山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266590)

0 引言

早期傳統(tǒng)的訪問控制技術(shù)如自主訪問控制、強制訪問控制等技術(shù)雖在一定時期內(nèi)確保了基于Web的管理信息系統(tǒng) (management information system)權(quán)限管理 (包括系統(tǒng)級安全管理如操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫安全和應(yīng)用級安全管理如應(yīng)用程序和Web系統(tǒng)安全［1］)的安全，但其所能操作的用戶、資源數(shù)量有限;基于角色的訪問控制作為目前常用的訪問控制技術(shù)雖具有較靈活的授權(quán)機制，但其無法解決組織結(jié)構(gòu)復(fù)雜、權(quán)限變動頻繁的管理信息系統(tǒng)。總之，不同的訪問控制模型各有優(yōu)缺點并且都無法完全確保靈活、高效的權(quán)限管理。本文通過分析多種模型，改進(jìn)基于角色的訪問控制模型，在該模型基礎(chǔ)上增加屬性約束和用戶組，提出基于角色的細(xì)粒度訪問控制模型。通過對細(xì)粒度模型進(jìn)行分析和設(shè)計，將其進(jìn)行具體應(yīng)用并通過基于SSH2框架的Web系統(tǒng)實現(xiàn)。新模型確保了系統(tǒng)高效的權(quán)限訪問控制和靈活的權(quán)限管理。

1 傳統(tǒng)訪問控制模型分析

傳統(tǒng)的訪問控制模型有基于對象的訪問控制OBAC、基于任務(wù)的訪問控制TBAC和基于角色的訪問控制RBAC模型。其中OBAC以用戶為基本對象進(jìn)行權(quán)限授予，授權(quán)過程雖然簡單卻存在對相同權(quán)限用戶的重復(fù)授權(quán)及重復(fù)數(shù)據(jù)冗余等問題。自主訪問控制DAC作為OBAC的一種，通過訪問控制表控制主體對客體的直接訪問，但由于訪問存在傳遞性，系統(tǒng)無法控制主體對客體的間接訪問，由此引發(fā)授權(quán)混亂。另一種基于對象的強制訪問控制MAC通過為主體和客體設(shè)定安全級來保障信息的單向流動，雖能確保訪問的高度安全但靈活性較差且工作量大;TBAC從任務(wù)角度建立模型，角色通過任務(wù)和權(quán)限關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)動態(tài)實時的安全控制，卻存在任務(wù)分配復(fù)雜等問題;RBAC作為目前應(yīng)用最廣泛的模型，通過創(chuàng)建角色，分別為角色分配不同操作權(quán)限，然后為用戶指定一個或多個角色，使用戶通過角色間接地獲得操作權(quán)限。該模型通過引入角色減少了權(quán)限授予工作量，并對組織變化具有靈活的伸縮性，但卻存在著如下問題:

(1)權(quán)限粒度約束不夠細(xì)化。粗粒度的權(quán)限 (尤其是功能權(quán)限)控制導(dǎo)致用戶權(quán)限樹過寬卻不深，樹的層次不分明。

(2)權(quán)限授予過程復(fù)雜。例如對于某高校軟件系中N名教授不同課程的教師，他們具有相同的S種功能權(quán)限，管理M個不同的數(shù)據(jù)對象 (如課程/學(xué)生信息)，RBAC將分別為N教師分配角色并授予相應(yīng)S種功能權(quán)限和對應(yīng)M個數(shù)據(jù)對象，由此進(jìn)行M×S×N次授權(quán)。這對于人員眾多、部門設(shè)置復(fù)雜且同級部門中的用戶具有相同功能權(quán)限的高校，會造成大量的重復(fù)授權(quán)并導(dǎo)致角色和權(quán)限的冗余，增加授權(quán)的復(fù)雜性。

(3)功能權(quán)限和數(shù)據(jù)權(quán)限未實現(xiàn)完全分離。RBAC中對數(shù)據(jù)對象的操作包含在權(quán)限管理中，數(shù)據(jù)對象的訪問和管理較亂，無法準(zhǔn)確獲取角色不同功能權(quán)限對應(yīng)的不同數(shù)據(jù)對象。如對于具有授課教師A角色的某用戶，具有查看和修改學(xué)生信息的功能權(quán)限，但無法確保他能查看某學(xué)院1班和2班學(xué)生的信息，卻只能修改1班學(xué)生的信息。

(4)具體應(yīng)用復(fù)雜，效率低下。對于登錄驗證、訪問數(shù)據(jù)庫等操作存在重復(fù)性，且客戶端不斷向服務(wù)器提交重復(fù)的T-SQL語句，由此增加服務(wù)器負(fù)擔(dān)，降低服務(wù)器處理效率。

針對RBAC存在的問題，唐金鵬等人［2］提出面向用戶屬性的RBAC模型，增加屬性集合和約束，通過用戶屬性實現(xiàn)動態(tài)的分配角色。然而此方法無法確保通過多個屬性組合得到的角色間不存在冗余，不會引起角色分配混亂等問題;趙靜［3］等人提出的基于數(shù)據(jù)對象的RBAC模型，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)對象和功能權(quán)限的分離。但此模型以數(shù)據(jù)對象為主，通過UD、RD和PA三次才完成權(quán)限分配，授權(quán)過程復(fù)雜且當(dāng)數(shù)據(jù)對象數(shù)量過多時依次為數(shù)據(jù)對象分配角色的工作量巨大，極易出錯。對于數(shù)據(jù)對象變動較大的單位部門，每增加或刪除一個數(shù)據(jù)對象可能牽扯多個角色，由此可能引發(fā)RD混亂，并刪除或增加很多角色，造成角色冗余。

2 基于角色的細(xì)粒度訪問控制模型設(shè)計

2.1 設(shè)計思想

本文從訪問控制的粒度出發(fā)，提出基于角色的細(xì)粒度模型解決RBAC存在的上述問題:

(1)通過細(xì)粒度權(quán)限管理 (即將權(quán)限分解為原子鏈接或按鈕等可訪問集合并按此粒度管理)，按盡量小的粒度將功能權(quán)限分解為增加/修改/刪除/打印等原子操作，并將權(quán)限以字符串形式存儲到數(shù)據(jù)庫，最后以用戶權(quán)限樹葉子節(jié)點的形式展現(xiàn)。

(2)引入用戶組，將具有相同角色 (功能權(quán)限相同，操作數(shù)據(jù)對象不同)的用戶集合成組，通過為用戶組直接分配角色，避免權(quán)限/角色的重復(fù)授予和冗余并保留角色間的繼承關(guān)系，允許直接為用戶指定角色。

(3)分離功能權(quán)限和客體對象，從功能權(quán)限和其對應(yīng)數(shù)據(jù)對象兩方面入手，授權(quán)時先分配功能權(quán)限，然后分配其所能操作的數(shù)據(jù)對象。通過編寫包含屬性約束的存儲過程，到數(shù)據(jù)庫中獲取用戶不同的功能權(quán)限所對應(yīng)的不同數(shù)據(jù)對象，并轉(zhuǎn)換獲取到的結(jié)果加載到前臺顯示;當(dāng)用戶數(shù)據(jù)對象改變時，通過權(quán)限管理樹更新權(quán)限數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)對象范圍即可。

(4)封裝常用控件成復(fù)合控件以完成基本登陸驗證功能;編寫存儲過程集合封裝用戶對任務(wù)的重復(fù)操作避免每次寫重復(fù)訪問語句，由此提高批量語句的執(zhí)行速度并能避免越權(quán)訪問。

2.2 模型設(shè)計

細(xì)粒度模型確保了權(quán)限訪問控制的細(xì)粒度實現(xiàn)，提高了動態(tài)訪問控制的安全性。作為基于角色的通用模型RBAC96［4］的擴(kuò)展，其模型圖如圖1所示。

圖1 基于角色的細(xì)粒度訪問控制模型

模型中各元素的定義和描述如下:

(1)用戶U、用戶組G、角色R、權(quán)限P、會話S分別表示用戶集、用戶組集、角色集、權(quán)限集和會話集;OP操作表示功能權(quán)限集add/delete等，OB對象表示客體對象集(客體對象作為系統(tǒng)保護(hù)的資源如數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)、內(nèi)存中的片段等。本文中的客體對象為數(shù)據(jù)對象)。

(2)UA((G×R)∪ (U×R)表示為用戶分配角色。一個用戶組可被分配多個角色，一個角色可被分配給多個用戶組，對具有獨立訪問權(quán)限的部分用戶直接為其分配角色;GH(G×G，表示用戶組間的層次關(guān)系;RH(R×R則表示角色間的層次關(guān)系。授權(quán)關(guān)系圖如圖2所示。

(3)PA P×R，表示角色的權(quán)限分配。一個角色可擁有多個權(quán)限，一個權(quán)限可屬于多個角色;其中P=OP×OB，OP是管理員為角色分配的操作權(quán)限，OB是管理員為角色中的功能權(quán)限單獨分配的對應(yīng)數(shù)據(jù)對象 (通過增加check-box屬性的用戶權(quán)限樹實現(xiàn))。

圖2 授權(quán)關(guān)系

(4)user(Si):S→ (U∪G)，表示會話與用戶的映射。用戶User(Si)創(chuàng)建的會話S中包含用戶激活的角色集合 (一個用戶可同時擁有多個會話)。

(5)roles(Si):S→2R，表示會話與角色集的映射。roles(Si)({r|(MYMr’≥r)［(user(Si)，r)∈UA］}是會話Si對應(yīng)的角色集合;會話Si對應(yīng)權(quán)限為:Ur∈roles(Si){p|(MYMr’≥r)［(p，r)∈PA］}，其中用戶具有權(quán)限為會話集中所有權(quán)限并集。

(6)約束:同RBAC2中的約束，包括互斥角色約束(即不能在一次會話中為用戶組/用戶分配互斥的角色)、基數(shù)限制 (即限定授予給用戶組/用戶的角色數(shù)量)、先決條件約束 (即僅當(dāng)具有某種操作許可時才可分配角色)及時間、頻度約束等。

(7)屬性約束:表示約束條件。以用戶屬性、功能權(quán)限等作為約束條件，將其封裝到包含眾多T-SQL語句的存儲過程中，通過調(diào)用該存儲過程 (具體介紹如3.3)獲取不同功能權(quán)限操作的不同數(shù)據(jù)對象。

3 基于角色的細(xì)粒度訪問控制的實現(xiàn)與應(yīng)用

基于角色的細(xì)粒度訪問控制模型具有較強的通用性，能確保高效靈活的訪問控制。其模型類圖［5］如圖3所示。

圖3 細(xì)粒度模型的類圖

類圖中的User對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中的用戶表，Group對應(yīng)用戶組表，Role對應(yīng)角色表，Op對應(yīng)功能權(quán)限表，Ob對應(yīng)數(shù)據(jù)對象表，Stu對應(yīng)學(xué)生表;UR表示用戶角色的授予表，GR表示用戶組角色的授予表，RA表示角色權(quán)限的授權(quán)表，AttrCons表存儲用戶所有功能權(quán)限及其所能操作的數(shù)據(jù)對象，通過Userid和OPid來確定OBid。最后分解獲取到的OBid并在數(shù)據(jù)庫中的表中查找符合OBid屬性的數(shù)據(jù)信息返回到前臺［6］。

該模型在具體的應(yīng)用中包括登錄驗證、權(quán)限訪問控制和權(quán)限管理三部分。用戶登陸進(jìn)行身份驗證，然后系統(tǒng)為合法用戶加載初級用戶權(quán)限樹，用戶點擊初級加載樹中的葉子節(jié)點來訪問對應(yīng)的功能權(quán)限，最后調(diào)用存儲過程獲取功能權(quán)限對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象并返回給前臺界面顯示。具體如下:

3.1 登錄驗證

登錄驗證能確保用戶的合法登錄。封裝常用驗證控件［7］成復(fù)合控件checkUserForm，該控件擴(kuò)展FormPanel，能確保用戶輸入驗證及合法身份驗證。控件的構(gòu)造如下:

Ext.namespace("Ext.ux.form");//為新控件 check-UserFormt創(chuàng)建命名空間:

Ext.ux.form.userCheckForm = Ext.extend(Ext.form.userCheckForm，{//擴(kuò)展Form控件

… //復(fù)合控件中所包含的控件及其屬性與方法

url:‘check.Action’;//提交用戶輸入的信息到check.Action驗證

});

Ext.reg(‘userCheckForm’，Ext.ux.Checkform);//完成該組件類型的注冊

通過在Ext.onReady(function(){...});中增加{xtype:‘userCheckForm’}完成復(fù)合控件的調(diào)用。復(fù)合將獲取到的用戶信息提交的具體的url進(jìn)行用戶身份驗證，具體實現(xiàn)過程如圖5所示。

3.2 權(quán)限的訪問控制

3.2.1 功能權(quán)限的訪問控制

權(quán)限的訪問控制能確保用戶訪問指定的權(quán)限資源，避免越權(quán)訪問。通過用戶權(quán)限樹 (Extjs中的異步樹組件)實現(xiàn)為不同用戶加載顯示不同的樹節(jié)點，從而確保安全的訪問控制。該權(quán)限樹的實現(xiàn)包括初始權(quán)限樹的加載和權(quán)限樹的級聯(lián)加載:

(1)初始權(quán)限樹的加載:為保證用戶不花長時間等待用戶權(quán)限樹的數(shù)據(jù)加載和首次渲染，設(shè)計權(quán)限樹先向用戶加載包含一級節(jié)點 (根的子節(jié)點)的初始權(quán)限樹。用戶點擊一級樹節(jié)點，通過層層的級聯(lián)加載直至訪問葉子節(jié)點。此方式與一次性加載整棵權(quán)限樹相比不但省時而且確保頁面不會頻繁刷新，提高了用戶訪問體驗。用戶通過登錄驗證后，系統(tǒng)以獲取到的用戶Userid作為參數(shù)，獲取該用戶對應(yīng)的角色并查找角色所對應(yīng)的功能權(quán)限，最后獲取根節(jié)點的一級子節(jié)點返回前臺顯示，完成初始權(quán)限樹的加載。

(2)權(quán)限樹級聯(lián)加載:用戶點擊初始權(quán)限樹中的節(jié)點，層級的加載其對應(yīng)子節(jié)點直至葉子節(jié)點，點擊葉子節(jié)點對功能權(quán)限的訪問。在層級加載過程中，需要獲取到所有功能權(quán)限對應(yīng)的葉子節(jié)點到根節(jié)點的權(quán)限路徑，在加載節(jié)點的過程中，通過判斷用戶點擊所節(jié)點的加載路徑是否在權(quán)限路徑中來確定是否加載相應(yīng)子節(jié)點。其中獲取權(quán)限路徑的遞歸算法findNodePath(List＜resource＞);實現(xiàn)的思想為:查找用戶權(quán)限集listResource中每個葉子權(quán)限節(jié)點到根節(jié)點的路徑 (所經(jīng)過的所有resource節(jié)點的id)，并將路徑保存到數(shù)組a中，由此得到權(quán)限加載路徑數(shù)組。算法內(nèi)容如下:

For(Resource r:re){//依次對每個權(quán)限/Resource進(jìn)行處理

for(int j=0;j＜a.length-1;j++){//指定數(shù)組初始長度:a［200］

a ［j］=r.getResourceId();//獲取 Resource 的節(jié)點id

a［j+1］=r.getParentId();//獲取該節(jié)點的父節(jié)點的id

r = resourceDao.getReourceById (r.getParentId());//查找該父節(jié)點的父節(jié)點并判斷其是否存在

if(r==null){//不存則說明為根節(jié)點，跳出這個循環(huán)

j++; //若存在，則繼續(xù)循環(huán)直至找到根節(jié)點

break;}}}

當(dāng)用戶點擊權(quán)限樹中的節(jié)點時，系統(tǒng)調(diào)用resourceD-ao.findByParentIdAndIds(id，a);方法查詢該節(jié)點是否具在合法的訪問路徑中，若有則返回該節(jié)點的路徑加載信息繼續(xù)加載;若無則提示用戶不具有繼續(xù)操作的權(quán)利。其中id為 通 過 樹 的 depTreeLoader.on (＇beforeload＇，function(depTreeLoader，node));方法獲取用戶點擊的樹節(jié)點的id。路徑檢查方法如下:

public List＜Resource＞ findByParentIdAndIds(int parentId，int ids［］){//查找點擊節(jié)點的子節(jié)點

String paramsInt="(";//將用戶權(quán)限數(shù)組a轉(zhuǎn)換成字符串形式，方便比對

for(int i=0;i＜ids.length-1;i++){

paramsInt=paramsInt+ids ［i］+"，"; }

paramsInt= paramsInt+ids［ids.length-1］+")";

String queryString= "from Resource r where r.parentId=" +parentId+"and r.resourceId in" +paramsInt;//查詢以parentId為父節(jié)點的該用戶所具有的子節(jié)點的字符串，防止越界訪問

List＜Resource＞ listResource= getHibernate-Template().find(queryString);

return listResource;}

(3)用戶權(quán)限樹的顯示:由于Extjs通過Json數(shù)據(jù)與后臺異步交互，故用戶權(quán)限樹只接受格式為: ［{text:″TreeName″，id:″″，parentId:″0″，leaf:true}］}］(id 為樹節(jié)點，text為樹結(jié)點內(nèi)容，leaf指節(jié)點是否為葉子，parentId是父節(jié)點)的Json數(shù)組才能確保樹形結(jié)構(gòu)的顯示。由于Resource的屬性格式與JSON形式不符，由此增加Tree表，將Resource表中的屬性列與樹所需的Json數(shù)組對象一致，將listResource依次轉(zhuǎn)換成Tree表的標(biāo)準(zhǔn)Json格式，然后將結(jié)果存放到struts.xml中配置的Json類型的參數(shù)menuList中自動加載給前臺異步樹顯示。

由此完成了權(quán)限樹的級聯(lián)加載。按照此方法，用戶可按照自己的需要顯示相應(yīng)功能權(quán)限，無需每次登陸都完全展示整棵權(quán)限樹，確保高效的異步訪問控制。

3.2.2 數(shù)據(jù)對象的訪問控制

用戶權(quán)限樹確保了用戶功能權(quán)限的安全訪問控制。按照訪問控制的細(xì)粒度，不同的功能權(quán)限對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)對象。由此整合T-SQL語句編寫存儲過程并將其存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后調(diào)用存儲過程獲取角色不同的功能權(quán)限所對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象。

存儲過程封裝了用戶對任務(wù)的重復(fù)操作，通過選擇性調(diào)用此預(yù)先編譯的存儲過程，不必每次寫重復(fù)語句，提高批量語句的執(zhí)行速度。在編寫過程中，需要確定存儲過程的輸入和輸出參數(shù)并完善主體內(nèi)容。其中輸入?yún)?shù)包括用戶名Username(通過它獲取功能權(quán)限操作對應(yīng)的數(shù)據(jù)對象)，權(quán)限樹的節(jié)點編號treenode(通過它獲取用戶選擇的功能權(quán)限)，數(shù)組DataObjects(權(quán)限數(shù)據(jù)表獲取的數(shù)據(jù)對象)。例如通過存儲過程findUserObjects查找具有輔導(dǎo)員角色的用戶所能編輯的學(xué)生信息:

Use RuanjianShijianPingtai//存放用戶表、角色表等數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫

Create Procedure findUserObjects@Username char(8)，@treenode char(8)，@Data Objects List Output

AS

BEGIN

Select obj from AttrCons u where u.username=@Username and u.fun=@treenode

在調(diào)用時，執(zhí)行語句 EXEC pro findUserObjects@’zhangsan’，@’update’，@Datalist OUTPUT即可。當(dāng)返回形式如 {D200901，F(xiàn)201203}的數(shù)據(jù)對象信息時，表示具有輔導(dǎo)員角色的該用戶能夠編輯的學(xué)生對象為D200901(信息學(xué)院2009級1班)的學(xué)生和F201203(外語學(xué)院2012級的3班)的學(xué)生信息。

然而，存儲過程中所查詢出來的功能權(quán)限對應(yīng)的數(shù)據(jù)都是對象的形式，要輸出該數(shù)據(jù)對象信息，需要以其屬性為條件到數(shù)據(jù)庫中查詢符合該條件的數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)信息，并將其返回到前臺Grid數(shù)據(jù)面板顯示。對如D200901的數(shù)據(jù)對象，按以下屬性進(jìn)行分解:D代表學(xué)院如信息學(xué)院、2009代表年級、01代表班級。根據(jù)學(xué)院/年級等屬性，到stu表中讀取符合條件的數(shù)據(jù)并加載顯示。通過調(diào)用存儲過程獲取數(shù)據(jù)與通過查表方法所得到的結(jié)果是一致的，但是此方法大大提高了執(zhí)行效率。

3.3 權(quán)限的授予和管理

在用戶權(quán)限樹中設(shè)定Checkbox屬性為true，構(gòu)造出用戶權(quán)限管理樹。通過選中或取消用戶權(quán)限管理樹中節(jié)點前的復(fù)選框，能方便的實現(xiàn)角色權(quán)限的授予、權(quán)限數(shù)據(jù)對象的指定以及用戶組的分配等。其中角色的權(quán)限授予如圖4所示。

圖4 用戶權(quán)限管理樹

選中一級節(jié)點前的復(fù)選框則其所有子節(jié)點被選中。選擇完成后點擊保存修改按鈕，修改信息會自動保存并映射到數(shù)據(jù)庫中的AttrCons/RA/GR/PA/UR/RA表中，下次加載用戶權(quán)限樹的時候會讀取更新的表中的信息以實現(xiàn)權(quán)限樹的更新加載，確保角色/權(quán)限的靈活授權(quán)和管理。

3.4 基于角色的細(xì)粒度模型的實現(xiàn)

選取基于B/S的軟件工程實踐平臺實現(xiàn)細(xì)粒度模型。該Web系統(tǒng)采用 Java語言，選取 myeclipse集成環(huán)境、mysql數(shù)據(jù)庫等進(jìn)行開發(fā)。通過搭建SSH2框架并整合Extjs技術(shù)［8］，將系統(tǒng)按照MVC設(shè)計思想分為顯示層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層等，各層間調(diào)用完全面向接口，實現(xiàn)了插件式編程，降低耦合度。系統(tǒng)權(quán)限訪問控制實現(xiàn)過程的順序圖［9-10］如圖5 所示。

圖5 權(quán)限訪問控制實現(xiàn)順序

系統(tǒng)最終實現(xiàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的實現(xiàn)

4 結(jié)束語

本文通過分析、比較各種常用的訪問控制技術(shù)，選取基于角色的訪問控制模型，在模型中增加屬性約束和用戶組所構(gòu)建的基于角色的細(xì)粒度訪問控制模型有效解決了目前管理信息系統(tǒng)的權(quán)限授予和管理過程中存在的授權(quán)復(fù)雜性、角色冗余性問題，減少了權(quán)限授予的數(shù)量，提高了權(quán)限授予的效率并確保了準(zhǔn)確、靈活的權(quán)限訪問控制。然而，此細(xì)粒度模型在解決模型沖突、角色繼承關(guān)系的私有權(quán)限等問題上仍存在缺陷，需通過深入的分析、研究加以改進(jìn)和完善。

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