校園一卡通系統(tǒng)的安全性分析與設(shè)計(jì)

文章出處：http://overnightmodel.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月09日

     隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化校園已經(jīng)在高校內(nèi)全面規(guī)劃和啟動(dòng)。數(shù)字化校園建設(shè)將是學(xué)校管理部門通過(guò)信息化手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種資源的有效集成、整合和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)資源的有效配置和充分利用，實(shí)現(xiàn)校務(wù)管理和服務(wù)過(guò)程的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)、學(xué)習(xí)、生活過(guò)程的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)提高各種管理和服務(wù)工作的效率、效果和效益。

     校園一卡通系統(tǒng)作為整個(gè)數(shù)字化校園的核心應(yīng)用項(xiàng)目，設(shè)計(jì)上必須符合數(shù)字化校園的整體設(shè)計(jì)思想。該系統(tǒng)不僅僅是消費(fèi)系統(tǒng)，還要具備管理功能，要與學(xué)校管理信息系統(tǒng)緊密結(jié)合起來(lái)。因此，該系統(tǒng)具有消費(fèi)、身份識(shí)別、個(gè)人信息查詢、繳費(fèi)等主要功能。

     1 安全體系目標(biāo)和設(shè)計(jì)原則

     作為數(shù)字化校園建設(shè)的基礎(chǔ)和核心設(shè)施之一，校園一卡通系統(tǒng)涉及到大多數(shù)在校學(xué)習(xí)、工作和生活的人員，并為學(xué)校教學(xué)、管理、門禁、餐飲及其他公共服務(wù)提供身份證明和支付手段，所以對(duì)其安全性有非常高的要求，安全性是校園一卡通系統(tǒng)的生命線。在校園一卡通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中，要把安全性放在首位，通過(guò)技術(shù)和管理手段，保證系統(tǒng)能夠高效、安全和可靠的運(yùn)行。

     系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到各方面的因素，包括卡片、讀卡機(jī)具、應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、中心數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、系統(tǒng)管理軟件、應(yīng)用系統(tǒng)軟件和運(yùn)行管理等。同時(shí)，應(yīng)將技術(shù)手段和管理手段相結(jié)合，通過(guò)加強(qiáng)安全管理來(lái)保證系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)得以有效實(shí)行。另外，隨著技術(shù)的發(fā)展，需要不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新評(píng)估，采用新的安全技術(shù)，以滿足系統(tǒng)的安全需要。

     2 安全策略的分析與設(shè)計(jì)

     2．1 中心數(shù)據(jù)庫(kù)

     中心數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了全部的身份信息和交易信息，是一卡通系統(tǒng)的中樞，其安全性對(duì)整個(gè)一卡通系統(tǒng)有決定性的影響。為保證中心數(shù)據(jù)庫(kù)安全、穩(wěn)定、可靠和高效的運(yùn)行，防范網(wǎng)絡(luò)攻擊、病毒、黑客人侵以及對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的非法訪問(wèn)、篡改和刪除，需要從硬件配置、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等三個(gè)層次上來(lái)采取措施。在硬件配置上，中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器需要采用雙機(jī)熱備份，并配備大容量的磁盤陣列、磁帶機(jī)和UPS。在操作系統(tǒng)方面，中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器一般安裝安全性較高的UNIX類操作系統(tǒng)，在安裝操作系統(tǒng)時(shí)采用較高的安全級(jí)別，關(guān)閉不用的網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)，并設(shè)置科學(xué)合理的密碼管理機(jī)制。此外，采用專業(yè)的掃描軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行安全掃描，對(duì)找到的安全隱患和漏洞進(jìn)行排除。

     數(shù)據(jù)庫(kù)的安全是指保護(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)，以防止非法使用所造成的數(shù)據(jù)泄漏、修改、損害。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中普遍存在安全性問(wèn)題，特別當(dāng)擁有許多共享數(shù)據(jù)庫(kù)中的大量數(shù)據(jù)時(shí)，安全問(wèn)題顯得尤為突出。在ORACLE多用戶數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中，安全機(jī)制完成以下任務(wù)：防止非授權(quán)的數(shù)據(jù)存取，防止非授權(quán)的模式對(duì)象存取，控制磁盤使用，控制系統(tǒng)資源的使用，審計(jì)用戶動(dòng)作。數(shù)據(jù)庫(kù)安全可以分為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)安全和數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)安全包括在系統(tǒng)級(jí)別上，控制數(shù)據(jù)庫(kù)的存取和使用機(jī)制，如有效的用戶名／密碼組合，用戶模式對(duì)象的可用磁盤空間數(shù)量，用戶的資源限制。系統(tǒng)安全機(jī)制檢查用戶是否被授權(quán)連接數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)審計(jì)是否是活動(dòng)的，用戶可以執(zhí)行哪個(gè)系統(tǒng)操作。數(shù)據(jù)安全包括在模式對(duì)象級(jí)別上，控制數(shù)據(jù)庫(kù)的存取和使用的機(jī)制。如哪個(gè)用戶有權(quán)存取指定的模式對(duì)象，在模式對(duì)象上允許每個(gè)用戶采取的動(dòng)作，每個(gè)模式的審計(jì)動(dòng)作等。

     ORACLE提供全面的自由選定存取控制，通過(guò)特權(quán)控制用戶對(duì)信息的訪問(wèn)。特權(quán)是在規(guī)定方式下訪問(wèn)命名對(duì)象的許可。適當(dāng)?shù)奶貦?quán)必須分配給用戶，使其可以訪問(wèn)模式對(duì)象。擁有特權(quán)的用戶可以將特權(quán)授予其他用戶，這種類型的安全被稱為“自由選定”。ORACLE使用以下機(jī)制管理數(shù)據(jù)庫(kù)安全：數(shù)據(jù)庫(kù)用戶、特權(quán)、角色、存儲(chǔ)設(shè)置和限額、資源限制和審計(jì)等。

     2．2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

     軟件系統(tǒng)既包括一卡通系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件，也包括與一卡通系統(tǒng)相關(guān)的各個(gè)數(shù)字化校園的應(yīng)用系統(tǒng)軟件。一卡通系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件可以從登錄控制、操作員權(quán)限控制、數(shù)據(jù)庫(kù)防篡改和登記操作日志等方面來(lái)考慮。從登錄控制的角度，通過(guò)對(duì)客戶機(jī)登錄采取控制，對(duì)非法的客戶機(jī)加以拒絕，防止非法的客戶機(jī)向服務(wù)器發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求。在登錄控制的基礎(chǔ)上，采用對(duì)操作員進(jìn)行權(quán)限控制的方式來(lái)控制操作員對(duì)一卡通系統(tǒng)的訪問(wèn)，使得不同的操作員只能在自己的權(quán)限范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。為防止發(fā)生數(shù)據(jù)庫(kù)的合法用戶非法修改數(shù)據(jù)庫(kù)的重要數(shù)據(jù)的情況，可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要數(shù)據(jù)表加校驗(yàn)。此外，系統(tǒng)將對(duì)所有的操作保存詳細(xì)的記錄，以便在發(fā)生問(wèn)題后進(jìn)行追查。

     對(duì)于已有的與一卡通系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)字化校園應(yīng)用系統(tǒng)，可以通過(guò)提供一整套應(yīng)用編程接口，使其經(jīng)過(guò)小范圍的改造，就能接人一卡通系統(tǒng)。由于應(yīng)用系統(tǒng)在接入一卡通系統(tǒng)時(shí)只能使用指定的接口，因而也只能完成許可范圍內(nèi)的操作，這樣就消除了其非法訪問(wèn)一卡通系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)庫(kù)的可能性。

     2．3 卡片及讀卡設(shè)備

     目前，一卡通系統(tǒng)中卡片大多數(shù)采用Mifare I非接觸式射頻IC卡，主要是考慮卡中信息在存儲(chǔ)及交易過(guò)程中的完整性、有效性和真實(shí)性，防止對(duì)卡片的偽造以及對(duì)卡中的信息進(jìn)行非法修改和非法使用。Mifare I卡通過(guò)天線感應(yīng)進(jìn)行讀寫操作，在出現(xiàn)電網(wǎng)干擾、感應(yīng)臨界點(diǎn)等情況下，可能出現(xiàn)讀寫信息出錯(cuò)。為了降低讀寫信息出錯(cuò)的概率，可以通過(guò)將頻繁寫的信息(如金額)和不常使用的信息(如姓名、學(xué)(工)號(hào)等)分別存放在不同的扇區(qū)來(lái)減少在頻繁使用的場(chǎng)合中讀寫信息的時(shí)間。通過(guò)對(duì)卡內(nèi)存儲(chǔ)的信息增加校驗(yàn)算法，保證卡面只能被仿制，而卡內(nèi)信息不能被篡改。被篡改的卡由于卡內(nèi)信息不符合校驗(yàn)算法，被使用時(shí)，通過(guò)上層軟件對(duì)這類異?？ńo予自動(dòng)凍結(jié)。

     一卡通系統(tǒng)中讀卡設(shè)備的安全主要包括POS機(jī)的安全、圈存機(jī)的安全和系統(tǒng)黑白名單的管理。

     POS機(jī)是一卡通系統(tǒng)內(nèi)對(duì)卡片進(jìn)行讀寫操作的機(jī)具中裝備數(shù)量最大、使用頻率最高的設(shè)備，涉及校內(nèi)的食堂、餐廳、超市、圖書館、校醫(yī)院和體育場(chǎng)館等眾多的公共服務(wù)場(chǎng)所，且需要對(duì)卡內(nèi)的金額信息進(jìn)行讀寫操作，所以其穩(wěn)定運(yùn)行和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全可靠成為一卡通系統(tǒng)安全性重要的指標(biāo)之一。一方面，通過(guò)在讀寫電路上采取從電源穩(wěn)定到讀寫保護(hù)等一系列設(shè)計(jì)，可以降低出錯(cuò)的概率；另～方面，采用在卡內(nèi)使用備份數(shù)據(jù)可以保證卡上的金額讀寫不出現(xiàn)差錯(cuò)。

     圈存機(jī)的核心任務(wù)是將持卡人的銀行卡賬戶中的金額轉(zhuǎn)移到持卡人的校園卡賬戶和校園卡中。圈存操作的時(shí)間較長(zhǎng)，為防止因持卡人在操作過(guò)程中從圈存機(jī)中取出校園卡，圈存機(jī)在感應(yīng)到校園卡被取出后立刻中止整個(gè)操作。也可通過(guò)設(shè)置吸人校園卡的機(jī)械裝置來(lái)確保在整個(gè)操作過(guò)程中校園卡不被取出。如果出現(xiàn)校園卡在圈存過(guò)程中被取出，造成的持卡人銀行卡金額已扣除但未寫人校園卡的情況，圈存機(jī)應(yīng)自動(dòng)報(bào)警，并產(chǎn)生相應(yīng)的操作記錄，以便管理人員進(jìn)行處理。黑名單管理是各類讀卡機(jī)具都需要具備的一個(gè)重要功能。讀卡機(jī)具內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間有限，而丟卡產(chǎn)生黑名單數(shù)量部是在增加，如果不采取措施控制，終有一天會(huì)出現(xiàn)讀卡機(jī)具數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫滿、新掛失的卡片不能進(jìn)人黑名單的情況。而且，當(dāng)名單數(shù)量達(dá)到一定數(shù)量后，讀卡速度會(huì)受到影響，從而降低讀卡機(jī)具的處理速度。為控制黑名單的數(shù)量，一方面，采用設(shè)置卡片使用有效期的方法，在卡片開(kāi)戶時(shí)寫有有效期。當(dāng)卡片超出有效期沒(méi)有重新注冊(cè)，讀卡機(jī)具會(huì)自動(dòng)拒絕使用，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)從讀卡機(jī)具內(nèi)清除這些黑名單。另一方面，采用批次的概念，將一屆學(xué)生設(shè)置為一個(gè)批次，當(dāng)該屆學(xué)生離校后，將該批次號(hào)掛失，同時(shí)從掛失庫(kù)中清除該批次卡號(hào)。

     2．4 交易數(shù)據(jù)

     為了確保交易數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全，POS機(jī)內(nèi)包含大容量的非易失性存儲(chǔ)空間，以存儲(chǔ)足夠的脫機(jī)交易記錄和黑名單。在內(nèi)部的的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空閑存儲(chǔ)空間不多時(shí)，POS機(jī)自動(dòng)產(chǎn)生提示信息。在內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器已經(jīng)滿時(shí)，POS機(jī)自動(dòng)報(bào)警并拒絕消費(fèi)，保證已經(jīng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的安全可靠。存儲(chǔ)脫機(jī)交易流水信息時(shí)，在每條記錄中增加通過(guò)加密算法生成的校驗(yàn)碼，以識(shí)別對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的非法修改。為保證讀卡機(jī)具與中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信安全，讀卡機(jī)具在系統(tǒng)中進(jìn)行注冊(cè)，未注冊(cè)的機(jī)具卡片無(wú)法使用。為了應(yīng)對(duì)交易記錄從POS機(jī)到數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)的傳輸過(guò)程中被篡改而發(fā)生的交易記錄的安全問(wèn)題，在普通的POS機(jī)中，每產(chǎn)生及上傳一筆交易記錄時(shí)，每筆記錄中均采用校驗(yàn)，然后上傳至數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)通過(guò)驗(yàn)證校驗(yàn)碼，以確保采集到的校驗(yàn)記錄的完整性和合法性。

     為應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中因網(wǎng)絡(luò)故障而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，在POS機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中增加重復(fù)采集的功能。即在采集脫機(jī)交易流水信息時(shí)，只是移動(dòng)指針，采集完畢后流水信息仍存在于POS機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)，以便對(duì)全部或指定范圍的流水信息記錄重新采集。數(shù)據(jù)丟失往往是因?yàn)榇鎯?chǔ) 片中的數(shù)據(jù)指針丟失造成的，需要將數(shù)據(jù)指針保存在存儲(chǔ)器中的多處不同位置。只要有一處存在指針，即可確保數(shù)據(jù)讀取正確。

     2．5 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

     目前，一卡通系統(tǒng)大多依托校園網(wǎng)進(jìn)行建設(shè)。校園網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境如路由器、交換機(jī)及網(wǎng)絡(luò)線路必須安全穩(wěn)定。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，中心?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、圈存機(jī)、語(yǔ)音服務(wù)、銀校轉(zhuǎn)賬前置機(jī)等專用設(shè)備還應(yīng)鋪設(shè)有一定冗余的專網(wǎng)線路，專網(wǎng)線路和各業(yè)務(wù)部門采用虛擬專用網(wǎng)(VLAN)相連。對(duì)于無(wú)法實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)線路的場(chǎng)所，在原有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過(guò)VLAN手段和基于源IP地址和目的IP地址的訪問(wèn)控制列表來(lái)完成對(duì)用戶對(duì)一卡系統(tǒng)中數(shù)據(jù)訪問(wèn)限制。

     2．6 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸

     在一卡通系統(tǒng)中，為了體現(xiàn)三層架構(gòu)的優(yōu)越性，許多基礎(chǔ)及核心功能用Web Service來(lái)實(shí)現(xiàn)，這大大增加了系統(tǒng)的可重用性和可伸縮性，使其易于擴(kuò)展和維護(hù)。但是，在利用Web Service帶來(lái)便利的同時(shí)，也帶來(lái)了安全上的隱患。這是因?yàn)閃eb Service是一種分布式的組件，發(fā)布在Internet上，對(duì)外提供統(tǒng)一的接口以及外部調(diào)用，在沒(méi)有安全措施的情況下，任何知曉接口屬性(可通過(guò)WSDL的接口描述獲得)的一方都可以使用Web Service提供的功能，這就帶來(lái)了安全的隱患。因此，為了保證一卡通系統(tǒng)的安全性，必須采取措施以保證Web Service的安全。在一卡通系統(tǒng)中，采用CA認(rèn)證方案，使用X．509數(shù)字證書來(lái)保證安全性。在CA認(rèn)證體系中，數(shù)字證書是一個(gè)經(jīng)證書認(rèn)證中心(CA)數(shù)字簽名的包含公開(kāi)密鑰擁有者信息以及公開(kāi)密鑰的文件，其遵循ITU的X．509 V3標(biāo)準(zhǔn)。

     另外，所有接人一卡通系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)，都采用EKey加密卡完成身份認(rèn)證及數(shù)據(jù)安全傳輸和數(shù)據(jù)安全存儲(chǔ)。密鑰存儲(chǔ)在EKey中，由EKey加密卡內(nèi)置的加密算法實(shí)現(xiàn)敏感數(shù)據(jù)的硬加密。EKey應(yīng)是通過(guò)國(guó)家密碼管理委員會(huì)認(rèn)證的硬件加密產(chǎn)品，支持DES／3DES／MD5等加密算法，支持RAS1024bit、ECCl60bit／l92bit公鑰算法。

     2．7 網(wǎng)絡(luò)防病毒

     計(jì)算機(jī)病毒，特別是網(wǎng)絡(luò)病毒，已經(jīng)成了信息時(shí)代的公害。新一代病毒所運(yùn)用的技術(shù)使其傳播速度極快，偽裝更巧妙，破壞力更強(qiáng)，攻擊更加頻繁。在一卡通系統(tǒng)中，有些終端不可避免地聯(lián)接校園網(wǎng)，所以網(wǎng)絡(luò)防病毒也就成了系統(tǒng)不可或缺的一部分。要使用企業(yè)版網(wǎng)絡(luò)防病毒產(chǎn)品，提供穩(wěn)定集成的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)。

     3 結(jié) 語(yǔ)

     作為數(shù)字化校園的基礎(chǔ)和核心系統(tǒng)------一卡通系統(tǒng)，從分析、設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)要充分體現(xiàn)安全性理念。在一卡通安全管理體制的監(jiān)督保障下，一卡通系統(tǒng)的建設(shè)對(duì)未來(lái)數(shù)字化校園的提升和完善起著非常重要的推動(dòng)作用。(遼寧科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)信息中心，楊延朋)

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