保障校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性的思考

文章出處：http://overnightmodel.com 作者：劉海山．張焱林   人氣： 發(fā)表時間：2011年11月17日

    在校內消費管理和身份認證管理等方面，校園一卡通系統(tǒng)能為學校帶來高效、方便的新型管理模式，正在代替?zhèn)鹘y(tǒng)的管理模式而日益成為主流。但是在新興的校園一卡通系統(tǒng)不斷發(fā)展和完善的同時，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差、信息錯誤等隱患也隨之產生，應引起大家足夠的重視，以避免因數(shù)據(jù)缺失而造成的系統(tǒng)故障和各類損失．使校園一卡通系統(tǒng)成為更加高效、穩(wěn)定、安全的系統(tǒng)。

    一、校園一卡通系統(tǒng)概況

    1．系統(tǒng)架構

    目前，國內高校流行的校園一卡通系統(tǒng)架構主要包含兩大部分：金融部分和信息部分。金融部分的網(wǎng)絡一般都采用校園一卡通專用網(wǎng)，物理上與互聯(lián)網(wǎng)、校園網(wǎng)隔離，保證系統(tǒng)金融數(shù)據(jù)的安全；信息部分的網(wǎng)絡則架構在校園網(wǎng)的基礎上，充分利用校園網(wǎng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)先進的信息化管理模式。

    校園一卡通系統(tǒng)包含五種類別的子系統(tǒng)：交易類子系統(tǒng)、身份認證類子系統(tǒng)、管理類子系統(tǒng)、業(yè)務類子系統(tǒng)、自助服務類子系統(tǒng)。

    2．系統(tǒng)運行模式

    由于校園一卡通系統(tǒng)架構龐大、涉及面廣、數(shù)據(jù)量密集，而且一個穩(wěn)定、安全的網(wǎng)絡系統(tǒng)應將實時通訊和非實時通訊兩種運行模式緊密結合起來。因此校同一卡通系統(tǒng)的運行模式不僅有實時通訊和非實時通訊兩種形式，且需能實現(xiàn)兩種模式的自動切換。

    二、導致數(shù)據(jù)缺失的主要原因

    由于校園一卡通系統(tǒng)涉及面廣，設備眾多，數(shù)據(jù)在傳輸過程中的溢出丟失、硬件設備故障、軟件漏洞等情況，都將導致數(shù)據(jù)的缺失。

    1．傳輸過程中的數(shù)據(jù)缺失

    (1)TCP／IP協(xié)議下的網(wǎng)絡傳輸

    雖然TCP／IP協(xié)議下的網(wǎng)絡傳輸已經(jīng)做了改進，但在網(wǎng)絡傳輸過程中出現(xiàn)錯誤的可能性還是有的，如傳輸包太大、網(wǎng)絡阻塞、網(wǎng)絡本身不暢、發(fā)包頻率太高、接收方響應過不來等原因，還會造成數(shù)據(jù)傳輸過程中的溢出、丟包等現(xiàn)象。

    (2)RS一485接口總線

    RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，總線最高傳輸速率為10Mbps，標準最大傳輸距離為1200米，總線最大連接容量128個，總線工作模式為半雙工狀態(tài)。由于RS一485接口要與PC機特定接口通信．所以．實際速率往往在9600bps左右或以下。遇系統(tǒng)繁忙時，數(shù)據(jù)傳輸量驟增，較低帶寬占有率和頻繁的發(fā)包、響應是造成RS一485總線數(shù)據(jù)傳輸過程中丟包現(xiàn)象的主要原因

    (3)通訊線路噪音干擾

    無論是雙絞線還是RS一485通訊線，如果在線路周圍存在有強磁場、電場，將有可能造成數(shù)據(jù)在通訊過程中的失真。以RS一485通訊線為例，RS一485總線在抗干擾、自適應、通信效率等方面都存在一定的缺陷，若485線路周圍100cm距離內存在較強的電磁場干擾(如：二極管整流器產生的電磁場)，將會對RS一485通訊信號產生干擾，導致通訊信號失真甚至RS一485總線癱瘓。

    2．軟、硬件故障造成的數(shù)據(jù)缺失

    (1)硬件不穩(wěn)定造成的數(shù)據(jù)缺失

    通常，校園一卡通系統(tǒng)硬件設備涉及核心服務器、交換機、終端設備、網(wǎng)關、光纖、網(wǎng)線、RS一485通訊線等，若這些硬件設備在工作時出現(xiàn)不穩(wěn)定或者故障，就可能導致數(shù)據(jù)信息的缺失。

    在核心服務器方面。如果核心服務器配置較低，響應速度不能夠滿足系統(tǒng)滿載時的壓力．將會造成大量數(shù)據(jù)積壓，對于網(wǎng)絡存儲容量有限的中繼層來說，一旦積壓超過限額，則必然產生溢出，造成數(shù)據(jù)丟失。而在數(shù)據(jù)庫存儲層，由于可以采用臨時存儲策略積壓數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)丟失的可能性較小，由于數(shù)據(jù)未能及時更新，造成暫時性的數(shù)據(jù)誤差還不是最嚴重的情況，最嚴重的是在這種情況下，由于系統(tǒng)響應不及時造成數(shù)據(jù)重復記錄．從而造成數(shù)據(jù)的誤差。

    在通訊線路方面．隨著RS一485總線外掛的485終端設備越來越多，將導致RS一485總線的穩(wěn)定性越來越差。從概率上分析，假設RS一485總線上單個終端設備的準確率為99．95％ ，當整個RS一485總線容量處于飽和狀態(tài)時，整個RS一485總線的準確率就是99．95％的128次方，其準確率迅速降為93．8O％。

    (2)軟件設計、系統(tǒng)設置不完善造成的數(shù)據(jù)缺失由于校園一卡通系統(tǒng)結構龐大，軟件設計上要考慮到方方面面．若設計上存在缺陷，無疑將會造成數(shù)據(jù)的缺失。如：后臺數(shù)據(jù)庫的各種表中，字段長度等設置不完善，或者表空間自增量不夠，將會導致數(shù)據(jù)信息在存儲過程中的溢出，從而造成數(shù)據(jù)的缺失。

    3．信息采集不規(guī)范、不完整造成的數(shù)據(jù)缺失盡管教育部、建設部、國密辦(國家密碼管理委員會辦公室)等相繼出臺了相關的技術、數(shù)據(jù)標準，但校園一卡通系統(tǒng)在實際建設中仍然缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準與規(guī)范．大多由承擔建設校園一卡通系統(tǒng)的企業(yè)按照自身理解進行設計。再加上信息采集工作由學校內各相關部門完成，而各部門對信息采集的工作要求和工作步驟存在差異。因此存在信息采集的不規(guī)范或信息缺失、錯誤等情況。一旦這些錯漏信息進入系統(tǒng)，將有可能造成相應用戶無法正常使用校園卡的某些功能。

    4．非正常途徑造成的數(shù)據(jù)信息不準確篡改校園卡卡片信息、數(shù)據(jù)庫信息等黑客攻擊也是造成數(shù)據(jù)錯誤的原因。日前曾發(fā)生基于IC卡系統(tǒng)的Mifare芯片的扇區(qū)加密技術被破解的事件．這給校園一卡通系統(tǒng)的使用者帶來不小影響，如果有人惡意篡改卡片信息、復制他人卡片，不僅會造成使用者的損失，還會給系統(tǒng)開發(fā)商、管理部門帶來極大負面影響。

    三、保障數(shù)據(jù)完整性的構思

    數(shù)據(jù)的完整性是指數(shù)據(jù)的精確性和可靠性。它是為防止系統(tǒng)中存在不符合語義規(guī)定的數(shù)據(jù)和因錯誤信息的輸入輸出造成無效操作或錯誤信息而提出的。校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性是衡量系統(tǒng)是否穩(wěn)定、可靠的重要依據(jù)，因而保證系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)的完整，是系統(tǒng)有機、安全、穩(wěn)定的基礎。

    1．系統(tǒng)設計的整體性

    在系統(tǒng)結構方面．“服務器一中繼一終端”的三層結構設計方案是一個理想的選擇，如圖1所示

圖1 系統(tǒng)結構

    中繼起到中間層的作用，是終端設備和數(shù)據(jù)庫通信的橋梁和中繼站，中繼設備通過R．I一45總線直接連接到校園一卡通系統(tǒng)的各應用服務器，另一端通過RS一485總線與終端設備相連，這樣可以分擔應用服務器壓力，同時，提高校園一卡通系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性，確保數(shù)據(jù)不會因應用服務系統(tǒng)繁忙或響應時間滯后而產生數(shù)據(jù)丟失、重復。服務器系統(tǒng)使用安全級別較高的UNIX系統(tǒng)與Oracle數(shù)據(jù)庫，重要數(shù)據(jù)經(jīng)過加密后存儲到Oracle數(shù)據(jù)庫中。對Oracle數(shù)據(jù)庫的訪問進行嚴格授權控制，保證中心數(shù)據(jù)庫的安全，對需要接人的子系統(tǒng)通過系統(tǒng)授權、認證才能接人，各類數(shù)據(jù)發(fā)送和接收采用數(shù)字簽名技術，確保信息不被更改或截獲，保證數(shù)據(jù)信息的準確性。

    2．硬件配置的合理性

    雖然采用“服務器一中繼一終端”三層結構模式，中繼節(jié)點可以分擔應用服務器壓力，但其能力有限，且只能作為系統(tǒng)負載太大時的應急保障方案，因此系統(tǒng)硬件配置的選擇，要充分考慮到產品系列，以及產品在滿負荷運行時的處理能力、所需的容量。還要著眼未來發(fā)展，為將來可能對接進來的新系統(tǒng)和越來越多的信息增量留有一定的擴充和換代的能力，同時將各類服務分開，由單獨的服務器提供獨立的服務， 比如：將服務器部分做成服務器群．如圖2所示。

圖2 服務器群結構

    這種服務器群模式不僅有效地分擔了后臺服務器的壓力，而且還為將來的擴充奠定了良好的基礎，具有較高的綜合性價比。

    3．軟件設計的完備性

    當然，系統(tǒng)的處理能力也需要應用軟件為其提供強有力的支撐。在軟件設計方面，要同時考慮節(jié)省系統(tǒng)資源和系統(tǒng)的誤差處理、容錯機制。在這方面，很多學校都采取了異地備份數(shù)據(jù)庫的方式．解決了系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的數(shù)據(jù)恢復問題，但不能解決系統(tǒng)因硬件故障而導致的服務停止問題。核心數(shù)據(jù)庫采用雙機熱備份、磁盤陣列、異地備份等形式則可以保證硬件實體和數(shù)據(jù)信息的完整和安全。在系統(tǒng)正常情況下。工作機為應用系統(tǒng)提供全部或部分服務，備用機監(jiān)視工作機的運行情況(工作機同時也在檢測備份機是否正常)，當工作機出現(xiàn)異常，不能支持應用系統(tǒng)運營時，備用機主動接管工作機的工作，繼續(xù)支持關鍵應用服務，保證系統(tǒng)不間斷的運行，其結構如圖3所示。

圖3 保證系統(tǒng)結構

    4．校園一卡通系統(tǒng)的安全性

    (1)卡片信息的安全

    針對IC卡芯片安全算法已被破譯等情況，校園一卡通系統(tǒng)在建設初期應加強對各類漏洞的彌補和控制。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲應采取多份保存，校園卡卡片存儲信息應采取較為安全的加密機制。保存在卡片上的各類信息，在后臺數(shù)據(jù)庫還應同時保存一份，這樣做不僅有利于系統(tǒng)查詢校同卡信息和財務對賬．還能在防止非法篡改校園一卡通系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息上起到一定的遏制作用，系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)信息不一致的卡片，則立即將對應卡片列入黑名單，使其不能使用。但這樣也會帶來一定的弊端，那就是整個校園一卡通系統(tǒng)必須實時運行在聯(lián)機狀態(tài)下，一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡故障． 中繼設備或終端設備將無法從后臺取得有效的驗證信息，這將給利用非正常手段篡改卡片信息的不法分子帶來可乘之機，同時，校園一卡通系統(tǒng)的運行管理部門必須在第一時間內發(fā)現(xiàn)并立即恢復網(wǎng)絡通信，確保系統(tǒng)正常運行。這無疑將會增加系統(tǒng)維護的壓力。

    (2)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的安全

    由于校園一卡通系統(tǒng)結構中的信息部分可以向校園一卡通系統(tǒng)專用網(wǎng)絡以外的網(wǎng)絡開放，因此一些不法分子可以利用這些對外開放的入口，對校園一卡通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行攻擊，這就需要對系統(tǒng)的安全防火墻做好相應安全策略，除此以外，還可以利用鏡像數(shù)據(jù)庫的方式防止黑客攻擊，如圖4所示。

圖4 鏡像數(shù)據(jù)庫結構

    5．數(shù)據(jù)采集的規(guī)范性、有效性

    校園一卡通系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)，信息數(shù)據(jù)利用的重復性高，因此在系統(tǒng)設計和建設初期就應著手制定數(shù)據(jù)的標準與規(guī)范，并且應遵從該規(guī)范各項技術規(guī)定，規(guī)范化地采集和錄人數(shù)據(jù)。并在系統(tǒng)內建立好對錄人數(shù)據(jù)有效性驗證的機制，確保數(shù)據(jù)的規(guī)范性和有效性。綜上所述，一個高效、安全、可靠的校園一卡通系統(tǒng)體現(xiàn)在系統(tǒng)的軟件設計、硬件配置、數(shù)據(jù)規(guī)范等各個方面。