校園一卡通的4層安全結(jié)構(gòu)模型及關(guān)鍵技術(shù)

文章出處：http:// 作者：馬明志等   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年11月14日

    隨著信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，全國各大高校都在積極推進(jìn)“數(shù)字化校園”．校園一卡通系統(tǒng)是數(shù)字化校園的重要組成部分，它為數(shù)字化校園的建設(shè)提供了全面的數(shù)據(jù)采集和信息共享的環(huán)境．目前，關(guān)于校園一卡通系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究較多[1 ]，但設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還存在著安全方面的問題[4 ]．筆者基于元數(shù)據(jù)應(yīng)用集成技術(shù)，提出一個(gè)“四層安全”結(jié)構(gòu)模型以保障校園信息系統(tǒng)的安全．該模型通過采用元數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和IC卡技術(shù)，集成了證件管理、檔案管理、師生考勤、教學(xué)管理、食堂管理、機(jī)房管理及其他多種服務(wù)功能于一體，可使學(xué)生通過“一卡”實(shí)現(xiàn)對(duì)校園綜合信息的共享．

    1 4層安全結(jié)構(gòu)模型 

    以元數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織與驅(qū)動(dòng)策略，采用Web service應(yīng)用集成接口標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證功能統(tǒng)一集成．其體系結(jié)構(gòu)模型見圖1．圖1中最底層(第5層)為終端用戶與應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的一卡通網(wǎng)絡(luò)，通過在該層引入四層安全結(jié)構(gòu)模型來保障系統(tǒng)的安全．采用DESE 認(rèn)證算法實(shí)現(xiàn)用戶的安全認(rèn)證，保障合法用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問；第4層為數(shù)據(jù)源頭層(各個(gè)部門數(shù)據(jù)庫)，包括財(cái)務(wù)、教務(wù)、學(xué)工、圖書等各種數(shù)據(jù)源；第3層為元數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)層集成的關(guān)鍵部分．通過在該層定義各種主題元數(shù)據(jù)，如圖書元數(shù)據(jù)、餐飲元數(shù)據(jù)、教務(wù)元數(shù)據(jù)、財(cái)務(wù)元數(shù)據(jù)、用戶界面元數(shù)據(jù)、用戶權(quán)限元數(shù)據(jù)等，并采用元數(shù)據(jù)建模技術(shù)對(duì)這些元數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的靈活集成，保障各個(gè)子系統(tǒng)的異構(gòu)性及可擴(kuò)充性等需求；第2層是實(shí)現(xiàn)對(duì)大學(xué)園區(qū)中各種應(yīng)用系統(tǒng)在應(yīng)用級(jí)別的統(tǒng)一集成問題，采用web service／XML技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用系統(tǒng)在XML接口級(jí)上的應(yīng)用集成；第1層為用戶的應(yīng)用層，用戶通過卡片實(shí)現(xiàn)用戶認(rèn)證及網(wǎng)絡(luò)訪問．

圖1 校園一卡通系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)

    2 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) 

    2．1 元數(shù)據(jù)的集成 

    關(guān)于元數(shù)據(jù)概念的理解有多種觀點(diǎn)，綜合分析，可狹義理解為“描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，描述數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的更新情況、數(shù)據(jù)之間的依賴關(guān)系、數(shù)據(jù)的質(zhì)量等”；也可廣義理解為“不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的描述，而且描述并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、操作、管理”．狹義元數(shù)據(jù)概念和廣義元數(shù)據(jù)概念是從不同層次上對(duì)問題和操作數(shù)據(jù)進(jìn)行描述．因此，元數(shù)據(jù)的概念可以理解為元數(shù)據(jù)是關(guān)于數(shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)的過程和應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)與意義的描述信息，其主要目標(biāo)是保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性定義、數(shù)據(jù)間清晰明確的關(guān)系和數(shù)據(jù)間的信息共享，提供數(shù)據(jù)資源的全面指南．

    數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)是指有關(guān)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和對(duì)象的描述信息．它們規(guī)定了數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的用戶界面、系統(tǒng)行為和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源．可見，應(yīng)用系統(tǒng)元數(shù)據(jù)是系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的抽象．對(duì)于特定系統(tǒng)，元數(shù)據(jù)是相對(duì)穩(wěn)定、相對(duì)靜止的，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)系統(tǒng)起控制作用．所以，基于元數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)集成方面的優(yōu)勢(shì)，引入元數(shù)據(jù)技術(shù)，并針對(duì)需要集成的數(shù)據(jù)源，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)集成中心框架模型，見圖2． 

圖2 基本地?cái)?shù)據(jù)的集成

    2．2 模型功能 

    (1)VLAN隔離技術(shù)．基于校園寬帶環(huán)境下的校園一卡通系統(tǒng)，主干網(wǎng)絡(luò)部分要求所有的以太網(wǎng)設(shè)備在VLAN部分和現(xiàn)有的校園網(wǎng)相隔離，保證現(xiàn)有的校園網(wǎng)和一卡通部分是2個(gè)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備不允許互相訪問．在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常采取物理分段(即在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層上分為若干網(wǎng)段)與邏輯分段(即把網(wǎng)絡(luò)分成若干IP子網(wǎng))相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性控制．在分段方式中，主要采用VLAN的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全．VLAN即虛擬網(wǎng)技術(shù)主要基于近年高速發(fā)展的局域網(wǎng)交換技術(shù)(ATM 和以太網(wǎng)交換)E4]．交換技術(shù)將傳統(tǒng)的基于廣播的局域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展為面向連接的技術(shù)．以太網(wǎng)從本質(zhì)上說是基于廣播機(jī)制，但應(yīng)用了交換機(jī)和VLAN技術(shù)后，實(shí)際上轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)到點(diǎn)的通訊．劃分VLAN的方式有3種：① 基于端口的VLAN，就是將交換機(jī)中若干個(gè)端口定義為一個(gè)VLAN，同一個(gè)VLAN中的計(jì)算機(jī)具有相同的網(wǎng)絡(luò)地址，不同VLAN之間進(jìn)行通訊需要通過三層路由協(xié)議，并配合MAC地址的端口過濾，就可以防止非法入侵和IP地址的盜用問題．② 基于MAC地址的VLAN，一旦劃分完成，無論節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上怎樣移動(dòng)，由于MAC地址保持不變，因此不需要重新配置，但是如果新增加節(jié)點(diǎn)，就需要對(duì)交換機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的配置，以確定該節(jié)點(diǎn)的VLAN歸屬．③ 基于IP地址的VLAN，新增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，無須進(jìn)行太多配置，交換機(jī)根據(jù)IP地址會(huì)自動(dòng)將其劃分到不同的VLAN，這種VLAN智能化最高，實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜．一旦離開該VLAN，原IP地址將不可用，從而可防止非法用戶通過修改IP地址來越權(quán)使用資源．這3種劃分方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)從安全性和可擴(kuò)展性等方面全面考慮．

    (2)卡片與設(shè)備的雙向認(rèn)證．設(shè)備具有防偽卡功能，卡片與設(shè)備雙向認(rèn)證，對(duì)于POS機(jī)每筆交易明細(xì)大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào) 第33卷2009年記錄都有流水號(hào)，所有交易帳目均帶校驗(yàn)功能；POS機(jī)采用雙CPU機(jī)制(一個(gè)負(fù)責(zé)讀寫卡，另一個(gè)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通訊)和雙FLASH 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式． 

    (3)卡片的安全．卡片具有非常高的安全性，Mifare One卡物理破譯時(shí)間長；卡片分16個(gè)扇區(qū)，每一個(gè)扇區(qū)都有自己的讀卡密碼與寫卡密碼；卡片內(nèi)所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)采用3層128位DES加密算法進(jìn)行加密． 

    (4)數(shù)據(jù)安全．充分利用oracle數(shù)據(jù)庫的訪問控制，保證中心數(shù)據(jù)庫的安全性，并且對(duì)中心數(shù)據(jù)庫中的重要數(shù)據(jù)表加校驗(yàn)，使之無法篡改；系統(tǒng)采用磁帶備份、雙機(jī)熱備份、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和異地備份等方式進(jìn)一步保證一卡通數(shù)據(jù)的安全性。

    2．3 基于DEC的數(shù)據(jù)加密算法 

    2．3．1 加密算法 

    DES是一個(gè)分組加密算法，它以64位為分組對(duì)數(shù)據(jù)加密，加密和解密用的是同一個(gè)算法，它的密匙長度為56位，密匙可以是任意的56位的數(shù)，而且可以任意改變．

    (1)DES對(duì)64(bit)位的明文分組M 進(jìn)行操作，M 經(jīng)過一個(gè)初始置換IP置換成m。
    (2)將m。明文劃分成左半部分和右半部分，m。=(L。，R。)，左右部分各32位長．
    (3)進(jìn)行16輪完全相同的函數(shù)廠運(yùn)算，在運(yùn)算過程中數(shù)據(jù)與密匙結(jié)合．
    (4)經(jīng)過16輪后，左、右半部分合在一起經(jīng)過一個(gè)末位置換．在每一輪中，密匙位移位，然后再從密匙的56位中選出48位．
    (5)通過一個(gè)擴(kuò)展置換將數(shù)據(jù)的右半部分?jǐn)U展成48位，并通過一個(gè)異或操作替代成新的32位數(shù)據(jù)，再將其置換一次．這4步構(gòu)成函數(shù)f．然后，通過另一個(gè)異或運(yùn)算，函數(shù) 的輸出與左半部分結(jié)合，其結(jié)果成為新的右半部分，原來的右半部分成為新的左半部分，將該操作重復(fù)16次，計(jì)算完畢．DES算法框圖見圖3．

圖3 DES算法框圖

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