NHỮNG VẤN ĐỀ BẢO MẬT KHI TRUY VẤN CƠ SỞ DỮ LIỆU XML ĐỘNG ĐƯỢC “OUTSOURCED”

MỤC LỤC ACKNOWLEDGEMENT................................................................................................................ 4 ABSTRACT................................................................................................................................. 5 Chương 1 GIỚI THIỆU ..................................................................................................... 8 1.1 Data Confidentiality ............................................................................................ 12 1.2 User Privacy và Data Privacy ............................................................................. 13 1.3 Query Assurance ................................................................................................. 17 1.4 Nhận xét .............................................................................................................. 19 Chương 2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ............................................................... 22 2.1 Khái niệm ............................................................................................................ 22 2.2 Hướng tiếp cận dùng chữký điện tử................................................................... 23 2.3 Hướng tiếp cận sửdụng cấu trúc dữliệu đặc biệt ............................................... 25 2.4 Hướng tiếp cận Challenge – Response. .............................................................. 28 2.5 Hướng tiếp cận dựa vào đặc thù của bài toán ..................................................... 30 2.6 Bảo đảm truy vấn cho dữliệu dạng cây .............................................................. 31 2.7 Nhận xét .............................................................................................................. 33 Chương 3 DỮLIỆU XML ............................................................................................... 35 3.1 Mô hình lưu trữ................................................................................................... 35 3.2 Chỉmục cho tài liệu XML .................................................................................. 40 Chương 4 ĐẢM BẢO TRUY VẤN ................................................................................. 42 4.1 Phương pháp ....................................................................................................... 42 4.2 Nested B+ Tree ................................................................................................... 43 4.3 Tác vụchọn ......................................................................................................... 45 4.4 Các tác vụcập nhật dữliệu ................................................................................. 49 Chương 5 PHÂN TÍCH .................................................................................................... 51 Chương 6 THỰC NGHIỆM ............................................................................................. 58 Chương 7 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 63 Chương 8 PHỤLỤC ......................................................................................................... 67 8.1 Cấu trúc lưu trữXML ......................................................................................... 67 8.2 Giải thuật gán nhãn (labeling) ............................................................................. 67 8.3 Chương trình thửnghiệm .................................................................................... 68 8.4 Lược đồtài liệu mondial.xml .............................................................................. 71 8.5 Kếhoạch thực thi truy vấn .................................................................................. 72 8.6 Tóm lược các nghiên cứu liên quan .................................................................... 73 8.7 Bài báo liên quan ................................................................................................ 83

– TP. Hồ Chí Minh 02/2007 – ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA WX NGUYỄN VIỆT HÙNG NHỮNG VẤN ĐỀ BẢO MẬT KHI TRUY VẤN CƠ SỞ DỮ LIỆU XML ĐỘNG ĐƯỢC “OUTSOURCED” CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN MÃ SỐ NGÀNH: 60.48.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 2/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ ĐẶNG TRẦN KHÁNH Cán bộ chấm nhận xét 1: Tiến sĩ NGUYỄN ĐỨC CƯỜNG Cán bộ chấm nhận xét 2: Tiến sĩ TRẦN VĂN HOÀI Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 03 tháng 02 năm 2007 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . . năm 200. . NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Việt Hùng Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14 tháng 01 năm 1981 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Công nghệ thông tin MSHV: 00703170 I- TÊN ĐỀ TÀI: Các vấn đề bảo mật trong việc truy vấn CSDL XML động được outsourced. II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu tổng quan các vấn đề liên quan bảo mật CSDL được outsourced. - Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan khía cạnh Query Assurance. - Đề xuất giải pháp kiểm tra query assurance cho CSDL XM L được outsourced. - Xây dựng chương trình hiện thực giải pháp, đo đạc và đánh giá giải pháp đề ra. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sĩ Đặng Trần Khánh . CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua. Ngày tháng năm 2006 TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 4/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh A CKNOWLEDGEMENT I would like to express my gratefulness To my mom and dad who has brought me up and done everything for my life; To my advisor, Dr. DangTran Khanh, who has advised me with all his heart; To my friends who are always in my side, and especially, to my colleagues who are willing to help me complete some parts of the work. Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 5/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh A BSTRACT With the impressive improvement of the network technologies, database outsourcing is emerging as an important trend beside the “application-as-a-service”. In this model, data owners ship their data to external service providers. Service providers do data management tasks and offer their clients a mechanism to manipulate outsourced database. Since a service provider is not always fully trusted, security and privacy of outsourced data are important issues. These problems are referred as data confidentiality, user privacy, data privacy and query assurance. Among them, query assurance takes a crucial role to the success of the database outsourcing model. To the best of our knowledge, however, query assurance, especially for outsourced XML database, has not been concerned reasonably in any previous work. In this paper, we propose a novel index structure, Nested Merkle B+ Tree, combining the advantages of B+ tree and Merkle Hash Tree to completely deal with three issues of query assurance known as correctness, completeness and freshness in outsourced XML database. Experimental results with real dataset prove the effeciency of our proposed solution. Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 6/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh T ÓM TẮT Với sự phát triển vượt bậc trong lĩnh vực công nghệ mạng đã cho ra đời nhiều dịch vụ từ xa, đặc biệt là sự ra đời của dịch vụ “application as a service”. Dịch vụ này giúp cho mọi người có thể tiếp cận một cách hợp pháp với các phần mềm mới nhất với một chi phí thấp nhất. Thời gian gần đây, xuất hiện xu thế mới cho phép làm giảm chi phí về quản lý dữ liệu qua một dịch vụ gọi là “database outsourcing”. Với dịch vụ này, các đơn vị, tổ chức lưu trữ thông tin, dữ liệu của mình tại máy chủ của các nhà cung cấp dịch vụ. Các nhà cung cấp dịch vụ sẽ đảm nhận các công tác bảo trì máy chủ, bảo trì phần mềm DBMS cũng như bảo trì CSDL của khách hàng. Bên cạnh đó, họ cung cấp các cơ chế cho phép các đơn vị, tổ chức có thể thao tác trên CSDL của m ình. Tuy nhiên, thông tin vốn là một tài sản hết sức quý báu, nên các đơn vị hoàn toàn không thể tin cậy được các nhà cung cấp dịch vụ trong việc đảm bảo an toàn cho CSDL. Do đó đã phát sinh các yêu cầu bảo mật về CSDL outsourced. Các vấn đề đó có thể tóm gọn trong bốn yêu cầu bảo mật, bao gồm: data confidentiality, data privacy, user privacy và query assurance. Ngoài phần giới thiệu tổng quan về các kết quả đạt được t rong lĩnh vực data outsourcing, tài liệu đưa ra một cấu trúc chỉ mục mới cho dữ liệu XML. Dựa trên cấu trúc này, tài liệu trình bày phương pháp đảm bảo truy vấn cho CSDL XML outsourced cũng như một số kết quả thực nghiệm hiện thực cho phương pháp này. Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 7/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh M ỤC LỤC   A CKNOWLEDGEMENT 4   A BSTRACT . 5   Chương 1 GIỚI THIỆU . 8   1.1   Data Confidentiality 12   1.2   User Privacy và Data Privacy . 13   1.3   Query Assurance . 17   1.4   Nhận xét 19   Chương 2 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN . 22   2.1   Khái niệm 22   2.2   Hướng tiếp cận dùng chữ ký điện tử . 23   2.3   Hướng tiếp cận sử dụng cấu trúc dữ liệu đặc biệt . 25   2.4   Hướng tiếp cận Challenge – Response. 28   2.5   Hướng tiếp cận dựa vào đặc thù của bài toán . 30   2.6   Bảo đảm truy vấn cho dữ liệu dạng cây 31   2.7   Nhận xét 33   Chương 3 DỮ LIỆU XML . 35   3.1   Mô hình lưu trữ . 35   3.2   Chỉ mục cho tài liệu XML 40   Chương 4 ĐẢM BẢO TRUY VẤN . 42   4.1   Phương pháp . 42   4.2   Nested B+ Tree . 43   4.3   Tác vụ chọn . 45   4.4   Các tác vụ cập nhật dữ liệu . 49   Chương 5 PHÂN TÍCH 51   Chương 6 THỰC NGHIỆM . 58   Chương 7 KẾT LUẬN 63   Chương 8 PHỤ LỤC . 67   8.1   Cấu trúc lưu trữ XML . 67   8.2   Giải thuật gán nhãn (labeling) . 67   8.3   Chương trình thử nghiệm 68   8.4   Lược đồ tài liệu mondial.xml 71   8.5   Kế hoạch thực thi truy vấn 72   8.6   Tóm lược các nghiên cứu liên quan 73   8.7   Bài báo liên quan 83   Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 8/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh Chương 1 GIỚI THIỆU Thông tin là một nguồn tài nguyên rất quan trọng trong mọi tổ chức. Quản lý và xử lý thông tin hiệu quả đã và đang tập trung sự quan tâm của mọi người. Với sự ra đời của máy tính điện tử (eclectronic computer) và các máy tính cá nhân (personal computer – PC), ngành khoa học máy tính đã mang đến kỷ nguyên mới, kỷ nguyên của thông tin, tác động mạnh mẽ đến mọi lĩnh vực trong đời sống. Dữ liệu được lưu trữ thành các các cơ sở dữ liệu (CSDL), thông thường, đư ợc đặt trong nội bộ tổ chức (in-house database). Điều này đòi hỏi mỗi tổ chức phải đầu tư một khoản chi phí cho việc quản lý hệ thống CSDL, bao gồm: thiết bị phần cứng (máy móc, hệ thống mạng), phần mềm (hệ quản trị CSDL – DBMS, các chương trình ứng dụng cụ thể,…), nhân sự (nhân viên quản trị mạng, nhân viên quản trị CSDL,…). Cùng với sự phát triển của xã hội nói chung và tổ chức nói riêng, nhu cầu lưu trữ và xử lý ngày càng gia tăng và phức tạp hơn. Những yêu cầu này làm tăng tổng chi phí trong quản lý. Mặc dù, giá thành phần cứng đã giảm rất nhiều, nhưng chi phí bản quyền phần mềm, chi phí cho đội ngũ nhân viên quản trị có trình độ cao để quản lý các hệ thống thông tin ngày một phức tạp thật sự là một vấn đề đá ng quan tâm trong tổng chi phí sở hữu (total cost of ownership) của tổ chức. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các tổ chức vừa và nhỏ, tổ chức phi lợi nhuận,… Trong những năm gần đây, sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ mạng và truyền thông đã cho ra đời hệ thống mạng tốc độ cao, băng thông rộng, khai sinh ra khái niệm “application as a service”. Người dùng chỉ cần phải trả một khoản phí nhỏ cho nhà cung cấp dịch vụ là có thể sử dụng được các phần mềm mới mà không cần phải quan tâm đến chi phí bản quyền, chi phí cài đặt và bảo trì hệ thống. Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 9/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh Bên cạnh đó, một dịch vụ khác cũng dần được hình thành, đó là “database as a service”, cung cấp cho người dùng nơi lưu trữ và truy xuất dữ liệu chỉ với một chi phí thấp, mà không cần phải mua sắm thiết bị, cũng như đòi hỏi phải có đội ngũ chuyên trách. Điều này sẽ giúp giảm đáng kể chi phí quản lý thông tin cho các tổ chức. Hình 1.1. Mô hình “Database as a Service”. Trong mô hình “database as a service”, người sở hữu dữ liệu (data owner – DO) đặt CSDL của mình tại nhà cung cấp dịch vụ (service provider – SP) cho các khách hàng (clients, queriers – C, Q) thực hiện các tác vụ trên CSDL như select, insert update. Mô hình còn được gọi là “outsourced database services” (ODBS). Thông tin là tài sản quan trọng của tổ chức. Việc đặt CSDL lưu trữ các thông tin ở một nơi không tin cậy bên ngoài tổ chức (nhà cung cấp dịch vụ) đã làm nảy sinh các vấn đề bảo mật. Chính những vấn đề này sẽ quyết định tính khả thi của Dịch vụ CSDL outsource (outsourced database services – ODBS). Các CSDL outsourced phải được đảm bảo an toàn, ngăn cấm sự truy cập của các tổ chức/cá nhân không có thNm quyền, kể cả nhà cung cấp dịch vụ. Khi đó, chính nhà cung cấp dịch vụ trở thành đối tượng nguy hiểm nhất trong việc đảm bảo bảo mật của dữ liệu. Do các xâm nhập từ bên ngoài, cao nhất, cũng chỉ đạt được khả năng truy cập hệ thống như các nhà cung cấp dịch vụ. Vì vậy các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào việc ngăn chặn hành vi xâm nhập của chính các nhà cung cấp dịch vụ (service provider – SP). Về mặt cơ bản, vấn đề bảo mật C SDL tại các SP có thể chia thành bốn lĩnh vực như sau [1]: Đề tài: Security Issues in Querying Dynamic Outsourced XML Databases Trang 10/93 SV: Nguyễn Việt Hùng HD: TS Đặng Trần Khánh Data confidentiality tính nội bộ của dữ liệu. Chủ sở hữu dữ liệu (data owner – DO) không muốn những người khác không có thNm quyền có khả năng truy cập CSDL của mình, kể cả các SP. User privacy tính riêng tư của người dùng. Thông tin là hàng hóa. Do đó nó có thể sẽ được bán cho các công ty khác. Các công ty khách hàng không muốn để lộ những thông tin mà họ khai thác, kể cả đối với DO và SP. Data privacy tính bảo mật dữ liệu. DO không muốn khách hàng của mình có thể khai thác được nhiều hơn nhưng thông tin mà họ được phép khai thác. Query Assurance tính bảo đảm truy vấn. Khách hàng (Client) phải được đảm bảo ra dữ liệu mà mình nhận được là chính xác, đầy đủ và mới nhất từ CSDL nguyên thủy do DO cung cấp, mà không bị những thay đổi ngoài ý muốn. Bảng 1.1. Các vấn đề bảo mật trong ODBS. Song song với việc đảm bảo các yêu cầu bảo mật, ta cần phải quan tâm đến hiệu năng thực hiện truy vấn (performance) cũng nhưng khả năng mở rộng của CSDL (scalability, usability). Để đảm bảo data confidentiality, dữ liệu được mã hóa trước khi được “outsourced”. Tuy nhiên điều này làm tăng tính phức tạp của việc xử lý các truy vấn trên dữ liệu mã hóa mà vẫn phải đảm bảo các yêu cầu bảo mật khác.