基于角色理論的RBAC96模型改進

郭冬升，徐建良

(中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100)

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基于角色理論的RBAC96模型改進

郭冬升，徐建良

(中國海洋大學 信息科學與工程學院，山東 青島 266100)

在分析RBAC96模型的基礎上，從角色概念及角色間關系的角度分析其不明確之處；通過角色理論中的可計算角色模型，改進RBAC96模型，使其具有更好的擴展性。

RBAC；角色理論；模型改進

引用格式：郭冬升，徐建良. 基于角色理論的RBAC96模型改進[J].微型機與應用，2016,35(16)：9-12.

0　引言

隨著信息管理系統面向多用戶、多應用的發展，用戶可以訪問的數據和功能資源機構日益復雜，規模日益龐大。資源的安全性成為一個重要且亟待解決的問題。基于角色的訪問控制方法(Role-Based Access Control,RBAC)是當前較為有效的資源訪問控制方法，在各類信息系統中有著廣泛的應用。然而傳統RBAC模型對于角色的概念模型思考過少，不同信息系統對于RBAC的實現方案也不盡相同，若將傳統RBAC模型應用于不同的信息系統中，需要增強傳統RBAC模型的普適性。

本文首先對訪問控制和RBAC模型的基本概念和思想進行探討，之后詳細分析RBAC96模型[1]中的不明確處；第2節介紹角色理論，并基于角色模型改進RBAC96模型；第3節對上述部分加以總結。

1　訪問控制與RBAC模型

訪問控制源于美國國防部資助的研究項目，后演化成為現在的訪問控制技術。顧名思義，訪問控制技術是實現訪問者(主體)與資源(客體)之間存在的訪問策略的一項技術，主體只有成功通過訪問控制機制設下的關卡，才可獲取特定的客體。訪問控制策略應該滿足下述最基本三個方面的控制：

(1)機密性控制：保證客體資源不被非法的讀取。

(2)完整性控制：保證客體資源不被非法地增加、刪除、改寫，從而保證資源的一致完整性。

(3)有效性控制：保證客體資源不被非法訪問主體使用和破壞。

對如今越來越復雜的信息系統而言，很多情況下使用單一的訪問控制方法已經無法完全保證信息的安全。因此，實現訪問控制方法必須結合其他技術，RBAC由此而生，它結合數據完整性、數據機密性、身份驗證、安全審計等技術，已成為目前廣為流行的訪問控制方法。

1.1RBAC簡介

RBAC模型于1992年由美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology)組織開發，它是一種基于角色的信息訪問控制方法[2]。

在使用RBAC模型的信息系統中，系統不會直接對主體進行訪問控制，而是判別該主體所承擔的角色，通過角色的不同權限，最終確定該主體是否可以最終獲取客體資源。因此，RBAC將主體與客體之間的關系通過角色進行了分隔，每個角色在此相當于主體的一個集合，自然，一個主體可以同時對應多個角色，每種角色也可由多個主體進行承擔。基于角色的訪問控制方法，可以很簡便地完成授權管理、賦予最小特權、根據工作進行分級、責任獨立、文件分級等工作。在RBAC中，角色的靈活變更可以使得原先主體與客體之間的復雜關系變得簡便。

RBAC的本質是在用戶與權限之間建立一個靈活的橋梁。通過用戶角色分配(UA)及角色權限分配(PA)，實現角色橋梁的搭建，如圖1所示[3]。

圖1　RBAC基本關系

在RBAC中，主要有四個實體：用戶(User)、角色(Role)、權限(Permission)、會話(Session)。

(1)用戶：前文中的主體，資源的訪問者。一般而言，用戶就是人，但是隨著計算機的發展，也可以是一些智能程序。

(2)角色：可以執行特定任務或被指定擁有一定工作職能的工作頭銜。它代表一種權利和責任，它根據具體的業務場景來進行劃分。

(3)權限：表示用戶對資源的操作許可，與具體的系統應用有關，每條權限通常代表不同的資源。

(4)會話：即某用戶與角色之間的映射關系，一個用戶一般情況下擁有一個或多個角色，因此該映射是一對一或一對多的關聯關系。用戶需要在會話中完成某個角色的激活工作，每一個會話都與某個用戶關聯，每個用戶因其可能同時具有多個角色，因此可同時關聯多個會話。

除了給定的四個基本實體，還需要定義以下概念：

(1)權限分配(Permission Assignment，PA)：角色與權限之間的多對多關系的映射。

(2)用戶分配角色(User Assignment，UA)：用戶與角色之間的多對多關系的映射。

(3)角色層次(Role Hierarchy，RH)：角色與角色之間存在的等級或繼承關系體現。

(4)約束條件(Constraints)：判別在模型中各個操作是否被允許。

1.2RBAC96模型

Gerorge Mason教授SANDHU R S于1996年對基本RBAC模型進行改進，提出了 RBAC96模型，并在之后的時間里很快成為了使用最為廣泛的訪問控制模型。

RBAC0、RBAC1、RBAC2和RBAC3四個模型共同組成RBAC96模型族。其中RBAC0是其他模型的基礎模型，其核心即是前文中介紹的角色作為用戶與權限的關聯橋梁。RBAC1在RBAC0的基礎上，引入了角色與角色之間的關系，根據現實人類社會的組織構造，其將角色之間的關系以角色的層級來表示，不同層級的角色通過權限繼承的關系描述，即上層角色擁有其父角色的所有權限。RBAC2即角色限制模型，其在RBAC0的基礎上，在會話、角色分配、權限分配等各個過程中，根據實際業務需求，添加各種限制。

圖2　RBAC96內各子模型關系

可以看出，RBAC1與RBAC2是相互獨立的模型，其在RBAC0模型的基礎上，從不同方面對基礎模型進行了擴展。結合RBAC1與RBAC2構成一個新的統一模型RBAC3，自然統一模型也具有RBAC0的所有特點。這幾個模型共同組成了RBAC96模型族，如圖2所示。

圖3為RBAC3概念示意圖，該模型聚合了RBAC0、RBAC1與RBAC2三個模型。

圖3　RBAC3模型概念示意

2　角色理論與RBAC96改進模型

2.1角色理論

2.1.1角色的概念

角色的概念無處不在，它常常被認為是一種類型或是屬性，角色與一般的自然類型概念不同[4]。

角色具有非常強的上下文依賴性。比如某個人在學校內擔任教師的角色，而在家中擔任丈夫的角色，因此對于同一人來講，在不同上下文環境中，可能扮演不同的角色，上下文在角色的描述中占據非常重要的位置。

在這里給出角色的一個非正規定義：角色是在某個上下文環境中被某個實體扮演的實體。

角色具有以下特點[5]：

(1)角色可以被扮演和停止扮演，是動態的概念；

(2)角色的定義必須依靠外部的一些其他概念；

(3)角色依賴于定義它的上下文環境；

(4)一個實體可以扮演多個角色；

(5)一個實體可以多次扮演一個角色類型，如一個人多次扮演學生角色；

(6)一個角色可以扮演另一種角色，如美國公民角色可以扮演美國總統的角色；

(7)一個角色可以同時被多個實體所扮演；

(8)角色與所依賴的上下文的關系可能穩定也可能不穩定，如教師在睡覺時仍然是教師，而行人在睡覺時即不再是行人。

2.1.2角色模型簡述

舉一個教師角色的例子來說明此模式：“在X高中，張三扮演了A教師角色，因此成為了A教師”，在類的層次上，可以泛化為“在學校里，某人可以扮演教師，因此成為教師”。圖4所示為這種關系的描述。

圖4　角色模型基礎模式舉例

從圖4和舉例描述中，可以發現幾個重要的元素：

(1)上下文：包含一系列的事物，但可以看為整體的類。

(2)角色概念：其實例可以被別的實體在某個上下文中扮演。

(3)角色擁有者：是一種依賴實體的類，角色扮演者和角色概念實例組合的抽象。它是整個角色模型的核心。

(4)潛在扮演者：指可以扮演角色概念實例的一類事物。

(5)角色扮演事物：在實例層扮演角色的實體

上面的例子進一步可泛化為“在上下文中，潛在扮演者可以扮演角色概念，因此成為角色擁有者”。在此模型中，傳統的角色扮演者被分為二部分：一是概念層的潛在扮演者，一是實例層的被扮演事物。傳統的角色扮演關系被分為兩種：一個是概念的可扮演，另一個是實例層的已扮演。傳統的角色被分為兩種：角色概念和角色擁有者，傳統的角色概念隱藏了這兩者的區別，正是產生概念混亂的原因。角色擁有者不允許直接實例化，因為它依賴于實體，角色擁有者的類和實例之間是用虛線箭頭連接的，表示繼承關系，而不是實線箭頭的實例化。此模型中，一個角色概念即使不被扮演，也可以存在實例層，因為它只依賴于它的上下文，而不是扮演者。

2.1.3角色分類

按照依賴的上下文不同，可將角色分為多個類別，最主要的有三個：關系角色、組織角色和過程角色。關系角色依賴于關系，如丈夫和妻子；組織角色依賴于某社會組織，如信息學院院長；過程角色依賴于某個過程，如項目審核人。在信息系統中，管理的角色主要包括組織角色和過程角色兩類[6]。

2.2基于角色理論的RBAC96模型改進

2.2.1引入上下文環境

對于同一個角色，不同扮演者扮演時其權限往往是不同的。譬如張三和李四都扮演“項目負責人”角色，維護自己負責的項目，顯然他們所能獲取的數據權限局限于自己的項目；再譬如“部門負責人”角色，不同部門的負責人顯然權限有所區別。因此對角色來講，其依賴的上下文具有非常重要的意義，角色概念與其上下文環境的組合更加適合承擔用戶與權限之間的橋梁。新角色包括兩部分，角色概念和上下文。譬如“信息學院院長”角色，其包括角色概念“院長”和上下文環境“信息學院”兩部分，二者組合到一起可更加清晰地表現用戶承擔的角色。

2.2.2權限的分析

RBAC模型只涉及用戶、角色與權限，沒有對權限作進一步的思考，其實權限如何定位往往決定著整個系統在訪問控制上所能做到的程度。本小節主要討論權限粒度問題以及角色權限分配過程(PA)。權限的描述可以分為兩個組成部分：資源與操作，每一條權限即是兩者的組合。如“項目”為某一資源，“添加”為某一操作，則二者的組合即為“添加項目”這一權限。

信息系統中的權限可分為三個部分：界面、功能、數據，三者相輔相成。例如“某項目負責人登錄科技處管理系統查看項目信息”這一事件，便涉及界面、功能及數據三個部分。首先，界面為該專家提供操作接口，其次該專家可以通過系統執行“查看項目”功能，最后獲取項目數據。如何使用權限記錄來描述這三者是一個亟待解決的問題。按照權限為資源與操作的組成模式，上文“某項目負責人登錄科技處管理系統查看項目信息”的情況，可簡單描述為權限“查看項目”，其中“查看”為操作，“項目”為資源。可見，這類簡單的權限可以與數據庫中的數據操作相一致，操作對應數據庫的增刪改查操作，數據對應數據庫表，如此可以在系統中將權限關聯至數據庫操作，非常方便地實現訪問控制，這種方案便是將權限粒度定位到數據庫表的操作級別。然而對于某些權限，這種做法卻是不合適的，如“信息學院院長審核某項目立項”這種情況，院長的審核操作可能改動項目信息、添加審核記錄等，如果沿用數據庫操作粒度的權限，描述這類權限顯然很不方便。

由此可以考慮另一種權限粒度劃分方案：根據系統業務劃分。如“信息學院院長審核某項目立項”簡單描述為“審核立項”，然而在實現這種粗粒度的權限描述中，因為其與實際業務的緊耦合性，需要將訪問控制方法在業務層做處理，這對于系統的維護、擴展都是一個不小的負擔。

對于信息系統而言，權限的粒度直接決定著訪問控制復雜度。對于網絡信息系統，比較適中的方案是將訪問控制方法置于通信層，這便需要對系統權限做詳細的分析，在粗粒度和細粒度的權限描述中尋求一個權限描述的合適位置。

角色權限分配過程分為靜態與動態兩個過程，靜態過程為提前完成的角色概念與權限之間的關聯，動態過程將上下文引入至權限中，以確定權限操作的對象。圖5所示為角色權限分配過程。

圖5　角色權限分配過程

2.2.3角色的分級與限制

RBAC1角色分級模型本質上是角色之間普遍存在的繼承關系的體現；RBAC2限制模型對于角色的限制也體現了角色之間的關系，如互斥，對于不同復雜度的信息系統，所需要的限制也有所不同。改進模型將RBAC1與RBAC2融合在一體，體現了角色之間的繼承與互斥關系。

2.2.4改進的RBAC模型

圖6所示為改進的RBAC模型。在改進模型中引入上下文環境，作為角色的一個重要組成部分；將權限分配過程分為靜態和動態兩類；將角色分級泛化為角色關系，簡化RBAC3中的約束模型，僅在角色關系中體現。事實上每個信息系統都有獨自的約束要求，本文的改進模型沒有將其在模型中表示。基于角色理論的RBAC改進模型去掉描述不詳的RBAC2限制模型，在角色的概念上做了一定的補充。這樣，既簡化了RBAC96模型，又提高了其普適性。

圖6　RBAC96改進模型

3　結束語

本文在角色理論的基礎上，對RBAC96模型中的角色和權限部分進行了擴展，并簡化了RBAC3模型中的約束部分，使其具有良好的可擴展性。

[1] SANDHU R S, COYNE E J, FEINSTEIN H L, et al. Role-based access control models[J]. Computer, 1996, 29(2):38-47.

[2] 賈曉輝, 韓玉民. 基于任務的RBAC模型設計與應用[J]. 微型機與應用, 2014，33(2):78-81.

[3] 楊靜, 季新生, 劉彩霞. 基于角色訪問控制的HSS數據庫越權訪問防護[J]. 電子技術應用, 2011, 37(4):145-148.

[4] MIZOGUCHI R, SUNAGAWA E, KOZAKI K, et al. The model of roles within an ontology development tool: Hozo[J]. Applied Ontology, 2007, 2(2):159-179.

[5] 熊晶. 海洋生態本體的建模方法研究及應用[D]. 青島：中國海洋大學, 2010.

[6] 江利萍, 張再躍. 社會群體角色本體建模及其公理獲取[J]. 計算機工程, 2012, 38(10):41-44.

Extension of RBAC model based on role theory

Guo Dongsheng，Xu Jianliang

(Institute of Information Science and engineering, Ocean University of China, Qingdao 26610, China;)

On the basis of the RBAC96 model, this paper analyzes the ambiguous points of the model in term of role concept and the relationship between roles, and improves RBAC96 model with computable role model in role theory, making better expansibility of RBAC96 model.

RBAC; role theory; model improvement

TP30

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.002

2016-03-30)

郭冬升(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：軟件工程與智能信息系統。

徐建良(1969-)，男，博士，教授，主要研究方向：計算復雜性理論、計算機軟件與理論。