拟态数据库的网络攻击抵御能力评估和实证.pdf
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第 ３９卷第 １期 计算机应用与软件 Ｖｏｌ３９ Ｎｏ．１
２０２２年 １月 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ Ｊａｎ．２０
２２
拟态数据库的网络攻击抵御能力评估和实证
万仕贤 赵 瑜 吴承荣
（复旦大学网络信息安全审计与监控教育部工程研究中心 上海 ２００４３３）
收稿日期：２０１９－１２－１９。国家重点研发计划项目（２０１７ＹＦＢ０８０３２０３）。万仕贤，硕士生，主研领域：网络空间安全。赵瑜，硕士
生。吴承荣，副教授。
摘 要 在复杂的网络环境中 Ｗｅｂ数据库面临诸多威胁和挑战。在传统数据库防护技术的基础上，提出一种
基于动态异构冗余体系的拟态数据库应用。针对动态异构冗余的拟态数据库模型进行攻击抵御能力实证评估。
重点针对拟态数据库的表决器部分进行评估和实验，从不利用软件漏洞的基础出发，使用应用软件的字符处理特
性机制来完成攻击实验。论证得出在满足“共谋攻击”的条件下或者在掌握了一定数量的异构体应用漏洞信息
的情况下，针对异构体的语义识别差异构造信息输出，可以实现敏感信息从表决器的多模裁决中逃逸，削弱系统
设计的理论安全性。
关键词 拟态数据库 动态异构冗余 ＳＱＬ注入 表决器 数据库语法 防御评估
中图分类号 ＴＰ３ 文献标志码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００３８６ｘ．２０２２．０１．０４９
ＥＶＡＬＵＡＴＩＯＮＡＮＤＤＥＭＯＮＳＴＲＡＴＩＯＮＯＦ
ＮＥＴＷＯＲＫ ＡＴＴＡＣＫ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥＯＦＭＩＭＥＴＩＣＤＡＴＡＢＡＳＥ
ＷａｎＳｈｉｘｉａｎ ＺｈａｏＹｕ ＷｕＣｈｅｎｇｒｏｎｇ
（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＮｅｔｗｏｒｋＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｅｃｕｒｉｔｙ，ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＦｕｄａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００４３３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｗｅｂｄａｔａｂａｓｅｆａｃｅｓｍａｎｙｔｈｒｅａｔｓａｎｄｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｎｅｔｗｏｒｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆ
ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄａｔａｂａｓｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅａｍｉｍｉｃｄａｔａｂａｓｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ
ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｓｙｓｔｅｍ．Ｉｔｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ａｎ ｅｍｐｉｒｉｃａｌｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅａｔｔａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ
ｒｅｄｕｎｄａｎｔｍｉｍｉｃｄａｔａｂａｓｅｍｏｄｅｌ．Ｗｅｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｖｏｔｅｒｏｆｔｈｅｍｉｍｉｃｄａｔａｂａｓｅ．Ｗｅ
ａｐｐｌｉｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｔｈｅａｔｔａｃｋｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ
ｗｉｔｈｏｕｔｕｓｉｎｇｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｉｅｓ．Ｉｔｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆ＂ｃｏｌｌｕｓｉｏｎａｔｔａｃｋ＂ｏｒｍａｓｔｅｒｉｎｇ
ａｃｅｒｔａｉｎａｍｏｕｎｔｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｉｓｏｍｅｒ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｕｔｐｕｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｍａｎｔｉｃ
ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｏｆｔｈｅｉｓｏｍｅｒｓｃａｎａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｅｓｃａｐｅｏｆｓｅｎｓｉｔｉｖｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｆｒｏｍ ｔｈｅｍｕｌｔｉｍｏｄｅｒｕｌｉｎｇｏｆｔｈｅ
ｖｏｔｅｒａｎｄｗｅａｋｅｎｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｓｅｃｕｒｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｍｉｍｅｔｉｃｄａｔａｂａｓｅ Ｄｙｎａｍｉｃｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ ＳＱＬｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｖｏｔｅｒ Ｄａｔａｂａｓｅｓｙｎｔａｘ
Ｄｅｆｅｎｓｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ
０ 引 言
在传统信息安全漏洞中，漏洞产生的本质原因来
自于产品实现的缺陷
［１］
。通过理论安全证明的产品在
具体产品实现的过程中也会因为开发者实现的差异导
致不可预计的后果。在 ２０１４年，ＯｐｅｎＳＳＬ１．０．１版 本
爆出漏洞“心脏滴血”（ＣＶＥ２０１４０１６０）
［２］
，攻击者可
以通过构造特殊的网络请求包，从服务器内存读取多
达 ６４ＫＢ的数据。ＳＳＬ协议的理论安全性已经获得行
业内的普遍认可，但由于开发人员在具体实现时考虑
不周全，并不能完全保证产品的安全性，因此在现实中
存在漏洞或缺陷是不可避免的。传统的网络空间安全
体系中更多的是基于威胁特征感知的精确防御
［３］
。含
有高风险漏洞的软件安全并不是建立在软件自身的内
生安全上，软件安全更多地取决于外在的攻击者及内
３２０ 计算机应用与软件 ２０２２年
部防守者所掌握的可利用信息。攻击方和防守方处于
一种信息不对等的环境中，防守方并不能检测出应用
系统中所有的漏洞，只能力求在攻击方攻击完成以后
尽可能快 地 修 复 受 损 系 统，以 减少 受 攻 击 而带 来 的
损失。
１ 研究现状
国外针对主动防御技术近年来应用研究成果之一
称为移动目标防御技术（Ｍｏｖｉｎｇｔａｒｇｅｔｄｅｎｆｅｎｓｅ，ＭＴＤ）。
ＭＴＤ技术主 要包 括 在 三 个 方 面 的 动 态 化，包 括 网 络
层、软件应用层和设计架构层
［４］
。在 ＭＴＤＷｏｒｋｓｈｏｐ
［４］
中有提到新的 ＭＴＤ防御思想也正在和许多新的技术
相融合，例如
ＭＴＤ与深度学习及一些新数学模型的结
合；ＭＴＤ技 术 与 传 统 通 信 网 络 相 结 合形 成 的 ＮＭＴＤ
（ＮｅｔｗｏｒｋＭｏｖｉｎｇＴａｒｇｅｔＤｅｆｅｎｓｅ）
［５］
也为提供通信安全
作出了巨大贡献。ＭＴＤ技术正在不断将其应用从学
术界拓展到工业界。
随着基于动态异构冗余体系（ＤｙｎａｍｉｃＨｅｔｅｒｏｇｅ
ｎｅｏｕｓＲｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ＤＨＲ）
［６］
的发展，关于拟态 Ｗｅｂ服
务器的整体设计
［１］
最早被提出。拟态 Ｗｅｂ服务器中
包含了保护底层数据库的“数据库防御模块”，该模块
带有明显的拟态数据库的防御特征。随后，基于动态
异构冗余架构的路由器防御体系被提出
［７］
，以及关于
拟态数据库
［８］
的具体设计方法被提出，同时针对数据
库的同步及表决器表决方法的设计也有多项经典方法
被提出。
针对数据库拟态化应用的需要，文献 ［
８］给出了
基于异构冗余的拟态数据库的总体设计并针对性地给
出了防御性能测试，利用异构处理方法，将同构的 ＳＱＬ
操作语句分别异构化处理并加以裁决，有效地防御了
许多系统设计不足所带来的潜在攻击，使整个数据库
系统具有内生的安全性，在设计上完整还原了拟态防
御体系原理。
文献［９］提出了一种基于大数表决的数据库离线
表决与同步的实现方案 ＤＢＯＬＶＳ。相较于传统数据库
同步问题，拟态数据库的子数据库之间是相互对等的
关系，同步方法需要依据“少数服从多数”的原则，根
据所有的子数据库状态来同步整体拟态数据库的状
态。该方法完善了拟态数据库服务的离线数据库表决
和同步服务，同时针对一些特定的数据库可以有效屏
蔽恶意操作对数据库产生的影响。
文献［１０］在经典的基于编辑距离的字符串相似
度计算法计算方法之上，提出了一种应用于拟态
Ｗｅｂ
服务器的基于编辑距离和最长公共子串的相似度求解
方法。该方法引入了最长公共子串长度，根据网页字
符串的特点和恶意的网页篡改行为重新定义新的相似
度计算公式；利用改进的双向跨越比较方法求解最长
公共子串。这两种改进策略优化了传统字符串比较方
法的时间复杂度，针对拟态 Ｗｅｂ服务器异构多变的特
性，使得计算相似度结果也更加准确，降低了系统对于
正常返回信息的误判率。但该方法未考虑拟态防御过
程中防御系统为了整体拟态化的需要可能会修改网页
字符串并导致相似度计算结果出现差异的问题。
文献［
１１］基于文献［１０］的相似度计算方法，提出
了一种改进的适用于拟态服务器响应判决的相似度计
算方法，针对利用拟态服务器进行有效拟态防御时在
一定程度上也会影响响应输出的问题，提出了一种利
用网页 ＤＯＭ响应树的判决方法。该方法通过读取网
页的动态 ＤＯＭ结构信息，递归处理每个 ＤＯＭ树节点
的字符串计算编辑距离，根据设置的响应阈值 Ｋ
２
、Ｋ
３
来对响应信息的合法性进行裁决，最终得出合法的响
应输出。该方法在响应速度和判决精准度方面相对于
传统基于字符的判决方法都有了显著的提升。
２ 拟态数据库
２．１ 拟态数据库模型设计
由文献［８］可知，拟态数据库在设计上由三个主
要模块组成，分别为保留字拟态化模块、指纹过滤模块
和拟态中间件模块，如图 １所示。
图 １ 拟态数据库设计
２．２ 拟态数据库模块分析
拟态数据库 设计 架构 在整 体上 主要 分为 两个部
分，一是针对 ＳＱＬ操作指令进行预处理的保留字拟态
化模块和指纹过滤模块；二是用于对输出信息进行裁
决的表决器模块。
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