37、安全的Web数据管理与数字图书馆

安全的Web数据管理与数字图书馆

1. 容错处理、恢复与复制

数据库种类繁多，包括包含个人关键信息的国家数据库、存储金融信息的银行数据库，以及存有高度敏感信息的机构数据库等。一旦这些数据库遭到攻击，敌人可能获取机密信息，甚至清空银行账户。即便敌人不对数据进行操作，仅破坏数据库就可能使整个业务受阻。如今，计算机系统掌控着制造工厂、过程控制工厂等关键基础设施的运行，数据损坏可能带来灾难性后果。

容错计算领域已提出多种算法，用于从故障和其他问题中恢复数据库和系统，这些技术包括验收测试和检查点机制。有时还会对数据进行复制以创建备份。不过，这些技术需要进一步研究，以应对针对数据库的恶意攻击和数据损坏问题。同时，还需开展可靠计算方面的研究，确保安全、完整性、容错能力和实时处理。这就要求为可靠计算制定服务质量指标，并制定灵活的安全策略，因为安全和实时处理等需求可能相互冲突。

2. 安全的数字图书馆概述

之前讨论了通用Web安全以及Web数据库安全的威胁与解决方案，涵盖了各种类型的威胁，如内部威胁分析和破坏行为，还探讨了数据挖掘和风险分析等技术。接下来将聚焦数字图书馆安全的各个方面，包括安全的Web数据库功能、信息检索系统、标记语言、搜索引擎以及问答系统。

3. 安全的Web数据库功能

3.1 数据表示与标准模型

Web数据管理面临的一大挑战是确定合适的数据表示方案。是否需要为数字图书馆和Web数据库访问制定标准数据模型，以及能否开发出这样的标准，都是值得探讨的问题。若存在标准模型，它与Web上各个数据库使用的个体模型之间的关系也需要明确。近年来，已经开发出包括XML和RDF安全模型在内的多种模型，并对其安全影响进行研究。同时，也在研究将SQL等语言用于Web数据库，并融入安全特性。

3.2 数据库管理功能的安全影响

• 查询处理 ：查询和浏览是关键功能，需要合适的查询语言。由于SQL是常用语言，可以对其进行适当扩展，XML - QL正朝着这个方向发展。还需融入安全构造来指定安全约束和断言，例如扩展W3C社区的Web规则语言以指定安全策略。此外，查询处理涉及开发成本模型，需要考虑访问控制规则，以及在Web环境中如何进行查询修改。当更新Web数据库中的数据时，需要验证用户是否具有相应的授权。
• 事务管理 ：对于许多应用来说，事务管理至关重要。Web上可能存在新型事务，例如通过Web销售商品时，潜在买家出价后不应立即锁定商品，应在收到多个出价并完成销售后再进行处理。需要研究如何将访问控制和其他安全特性融入并发控制和恢复方案中。
• 元数据管理 ：元数据描述了数字图书馆的所有相关信息，包括网站、用户类型、访问控制问题和实施的策略等。需要确定对元数据实施的访问控制方法，以及发布元数据是否会导致安全漏洞。
• 存储管理 ：Web数据库访问的存储管理是一项复杂的功能，需要合适的索引策略和访问方法来处理各种类型的数据，包括半结构化数据和多媒体数据。由于数据量巨大，还需要将数据库管理技术与海量存储技术相结合，并确保存储管理的安全性。
• 数据完整性 ：维护数据的完整性至关重要。由于数据可能来自世界各地的多个来源，很难监控数据的准确性。因此，需要为数字图书馆和Web数据库访问开发数据质量维护技术，例如使用特殊的标记机制来确定数据质量。
• 其他功能 ：还包括集成Web上的数据库以及管理半结构化和多媒体数据。在集成多个数据库时，需要集成各种安全策略。此外，安全和隐私也是所有功能面临的主要挑战，需要解决数据所有权、版权保护、数字签名的作用以及防止抄袭等问题。

以下为安全的Web数据库管理的相关组件列表：
| 组件 | 描述 |
| — | — |
| 安全通信网络 | 确保数据传输的安全性 |
| 安全搜索引擎 | 提供安全的搜索功能 |
| 安全数据管理器 | 管理数据库中的数据 |
| 策略管理器 | 制定和实施安全策略 |
| 安全知识管理器 | 管理与数据库相关的知识 |
| 安全Web数据管理 | 整体管理Web数据 |
| 安全元数据管理 | 管理元数据 |
| 安全数据仓库 | 存储和管理数据仓库 |
| 安全Web挖掘 | 进行Web数据挖掘 |
| 安全互操作性 | 确保不同系统之间的互操作性 |
| 安全查询处理 | 处理用户的查询请求 |
| 安全事务管理 | 管理数据库事务 |
| 安全存储管理 | 管理数据库的存储 |
| 安全与完整性 | 确保数据库的安全和完整性 |

下面是安全的Web数据库管理的流程mermaid图：

graph LR
    A[用户请求] --> B[安全查询管理器]
    B --> C{访问控制检查}
    C -- 允许 --> D[查询处理]
    C -- 拒绝 --> E[返回拒绝信息]
    D --> F[数据检索]
    F --> G[结果返回]
    H[数据更新请求] --> I[事务管理器]
    I --> J{权限验证}
    J -- 允许 --> K[数据更新]
    J -- 拒绝 --> L[返回拒绝信息]
    M[元数据管理] --> N[安全元数据管理器]
    N --> O[元数据存储与更新]

4. 安全的信息检索

信息检索是数字图书馆的重要组成部分，Web上的大量数据以文本、图像、视频和音频等形式存在。因此，确保信息检索的安全性对于保障数字图书馆的安全至关重要。

4.1 文本处理系统安全

保护文本处理系统时，挑战在于防止某些单词、段落和句子被未经授权的访问。这比保护结构化的关系数据库更为复杂，因为单词和段落可能出现在文档的任何位置。例如，如何对某些单词和句子进行分类，是否像处理纸质文档那样将其屏蔽，以及需要维护何种类型的元数据等问题都需要解决。同时，可能存在数百条访问控制规则，如何管理这些规则也是一个难题。

4.2 图像、音频和视频数据安全

对于图像、音频和视频数据，也面临类似的挑战。例如，如何对像素进行分类，是否指定特定位置的像素为机密信息；对于视频和音频，是否对帧进行分类；以及如何实施基于内容的访问控制。例如，用户组A可能无权访问包含恐怖活动场景的内容。

虽然有观点认为保护信息检索系统的技术与保护关系数据库系统的技术相似，但信息检索系统需要管理的数据更为复杂，可能存在更多的约束条件和语义提取方面的挑战。因此，需要开发高效的技术来控制对文本、图像、视频和音频等数据的访问，同时确保文档的版权保护、数据质量和隐私。

以下是安全的信息检索系统的组件列表：
| 组件 | 描述 |
| — | — |
| 安全查询处理器 | 处理用户的查询请求 |
| 安全浏览器/编辑器 | 提供安全的浏览和编辑功能 |
| 安全更新处理器 | 处理数据更新请求 |
| 安全/完整性管理器 | 确保系统的安全和完整性 |
| 安全元数据管理器 | 管理元数据 |
| 安全存储管理器 | 管理数据的存储 |

下面是安全的信息检索系统的流程mermaid图：

graph LR
    A[用户查询请求] --> B[安全查询处理器]
    B --> C{访问控制检查}
    C -- 允许 --> D[信息检索]
    C -- 拒绝 --> E[返回拒绝信息]
    D --> F[结果筛选与排序]
    F --> G[结果返回]
    H[数据更新请求] --> I[安全更新处理器]
    I --> J{权限验证}
    J -- 允许 --> K[数据更新]
    J -- 拒绝 --> L[返回拒绝信息]
    M[元数据管理] --> N[安全元数据管理器]
    N --> O[元数据存储与更新]

5. 安全的搜索引擎

搜索引擎在Web上起着重要作用，但也面临着安全、隐私和数据质量等方面的可靠性问题。需要确保搜索引擎列出的网页是用户可以访问的，维护用户的隐私，并保证提供的信息质量。

5.1 现存问题

目前，搜索引擎通常不执行访问控制规则，访问控制主要由服务提供者负责。然而，是否应该让搜索引擎也执行安全策略是一个值得探讨的问题。例如，如何改进搜索引擎，以确保儿童不会接触到不适当的内容。此外，当网页提供的信息不正确时，需要明确责任归属，这涉及到法律问题。虽然已经对安全、隐私和数据质量进行了讨论，但相关的研究工作还比较少。

5.2 技术支持

Web挖掘技术可以帮助解决这些问题，找到有用和相关的搜索结果。虽然数据挖掘有助于解决安全问题，如入侵检测和审计，但也存在隐私问题。许多Web服务器现在都制定了隐私政策，用户同意后才能填写各种表格。W3C社区也开始推行P3P（隐私偏好平台）来加强隐私保护。需要开展关于语义Web安全的积极研究，特别是针对搜索引擎的安全问题。

以下是安全的搜索引擎的组件列表：
| 组件 | 描述 |
| — | — |
| 安全用户界面管理器 | 提供安全的用户界面 |
| 安全元数据管理器 | 管理元数据，包括目录信息并实施安全策略 |
| 安全查询管理器 | 处理用户请求，进行优化和搜索，并执行安全规则 |
| 安全索引/存储管理器 | 根据安全规则管理索引和对Web服务器的访问 |

下面是安全的搜索引擎的流程mermaid图：

graph LR
    A[用户搜索请求] --> B[安全用户界面管理器]
    B --> C[安全查询管理器]
    C --> D{访问控制检查}
    D -- 允许 --> E[搜索处理]
    D -- 拒绝 --> F[返回拒绝信息]
    E --> G[结果筛选与排序]
    G --> H[结果返回]
    I[元数据更新] --> J[安全元数据管理器]
    J --> K[元数据存储与更新]
    L[索引更新] --> M[安全索引/存储管理器]
    M --> N[索引更新处理]

6. 安全的标记语言

标记语言是数字图书馆和语义Web的重要组成部分。在保护标记语言时，首先要确定分类的粒度。以XML为例，可能需要对XML文档的部分内容进行访问控制。如果对某个节点设置了否定访问权限，这种权限是否会传播到所有子节点也是需要考虑的问题。

另一个挑战是如何安全地发布用XML和HTML等语言编写的文档。是信任整个Web，还是允许不可信的发布者并使用适当的加密技术，都是需要解决的问题。虽然已经对XML文档的安全保护进行了概述，讨论了访问控制以及维护文档的真实性和完整性，但对于其他类型的文档，如RDF，仍有很多工作需要完成。

7. 安全的问答系统

早期的问答系统只能给出“是”或“否”的答案，而现在的问答系统变得更加复杂，可以回答如“查找纽约和波士顿之间没有交通拥堵的路线”等问题。随着技术的发展，问答系统的安全性面临更多挑战。例如，不同用户可能被授权获取不同的答案。

当问答系统较为简单时，可以分析是否应向特定用户提供“是”或“否”的答案。但现在，面对更复杂的问题和答案，需要确定应向哪些用户发布哪些信息。安全的问答系统需要结合安全的信息检索、搜索引擎、Web数据库和标记语言等技术。目前，关于安全问答系统的研究工作还比较少。

以下是安全的问答系统的组件列表：
| 组件 | 描述 |
| — | — |
| 安全查询处理器 | 处理用户的查询请求 |
| 安全浏览器/编辑器 | 提供安全的浏览和编辑功能 |
| 安全更新处理器 | 处理数据更新请求 |
| 安全/完整性管理器 | 确保系统的安全和完整性 |
| 安全元数据管理器 | 管理元数据 |
| 安全存储管理器 | 管理数据的存储 |
| 安全问答子系统 | 扩展安全查询处理器的功能 |

下面是安全的问答系统的流程mermaid图：

graph LR
    A[用户问题请求] --> B[安全查询处理器]
    B --> C{访问控制检查}
    C -- 允许 --> D[问题解析]
    C -- 拒绝 --> E[返回拒绝信息]
    D --> F[信息检索与答案生成]
    F --> G[答案筛选与验证]
    G --> H[答案返回]
    I[数据更新请求] --> J[安全更新处理器]
    J --> K{权限验证}
    K -- 允许 --> L[数据更新]
    K -- 拒绝 --> M[返回拒绝信息]
    N[元数据管理] --> O[安全元数据管理器]
    O --> P[元数据存储与更新]

8. 总结与展望

讨论了各种网络威胁，特别是针对Web数据库的威胁，包括访问控制违规、破坏行为、基础设施攻击和内部威胁分析等。同时提出了多种解决方案，如数据挖掘技术和基于角色的访问控制。网络威胁是真实存在的，需要采取一切可能的措施来检测、预防和管理这些威胁，控制损失。

目前，多个研究项目正在进行中，以开发应对网络攻击的解决方案。国家科学基金会等组织都有相关的网络安全项目。尽管已经开发出了一些技术，但需要确保这些技术能够适用于超大型数据库和大量互联系统，实现端到端的安全，保障客户端、服务器和基础设施的安全。

9. 网络威胁与解决方案总结

网络威胁形式多样，对Web数据库和数字图书馆构成了严重挑战。以下是对各类威胁及相应解决方案的总结：
| 威胁类型 | 具体表现 | 解决方案 |
| — | — | — |
| 访问控制违规 | 敌人可能绕过访问控制规则，获取机密信息或篡改数据 | 采用基于角色的访问控制、数据挖掘技术进行入侵检测和审计 |
| 破坏行为 | 恶意攻击导致数据库损坏，业务受阻 | 运用容错处理、恢复和复制技术，确保数据的可用性和完整性 |
| 基础设施攻击 | 攻击关键基础设施的计算机系统，影响正常运行 | 加强系统的安全防护，制定应急预案 |
| 内部威胁 | 内部人员的不当操作或恶意行为 | 进行内部威胁分析，加强员工的安全培训和管理 |

10. 安全技术在不同领域的应用对比

为了更清晰地了解安全技术在不同领域的应用情况，下面对安全的Web数据库、信息检索、搜索引擎、标记语言和问答系统进行对比：
| 领域 | 安全挑战 | 主要安全技术 |
| — | — | — |
| Web数据库 | 数据表示、查询处理、事务管理、元数据管理、存储管理、完整性维护等 | 标准数据模型、安全的查询语言、访问控制规则、事务并发控制、元数据访问控制、数据加密等 |
| 信息检索 | 保护文本、图像、音频和视频数据的访问 | 内容分类、元数据管理、基于内容的访问控制 |
| 搜索引擎 | 确保搜索结果的安全性、隐私性和质量 | 访问控制规则、Web挖掘技术、隐私政策 |
| 标记语言 | 确定分类粒度、安全发布文档 | 访问控制、加密技术 |
| 问答系统 | 确定信息的发布对象 | 结合信息检索、搜索引擎和数据库的安全技术 |

11. 未来研究方向

虽然已经在网络安全领域取得了一定的进展，但仍有许多问题需要进一步研究和解决。以下是一些未来的研究方向：
- 大规模系统的安全扩展 ：随着数据库和互联系统规模的不断增大，需要确保现有的安全技术能够在大规模环境下有效运行。
- 端到端安全保障 ：实现客户端、服务器和基础设施的全面安全，防止任何环节的安全漏洞。
- 语义Web安全 ：加强对语义Web的安全研究，特别是针对搜索引擎和标记语言的安全问题。
- 隐私保护技术 ：解决数据挖掘和Web服务中的隐私问题，制定更加完善的隐私政策。
- 安全策略集成 ：在集成多个数据库和系统时，如何有效地集成不同的安全策略。

12. 安全系统设计建议

在设计安全的数字图书馆系统时，可以参考以下建议：
1. 整体架构设计 ：采用分层架构，将不同的功能模块进行分离，便于管理和维护。例如，将安全控制层与数据处理层分开，确保安全策略的独立实施。
2. 安全策略制定 ：根据不同的用户角色和数据类型，制定详细的安全策略。例如，对于敏感数据，设置严格的访问控制规则；对于普通用户，提供有限的访问权限。
3. 数据加密 ：对重要数据进行加密处理，确保数据在传输和存储过程中的安全性。可以采用对称加密和非对称加密相结合的方式。
4. 备份和恢复机制 ：定期对数据进行备份，并建立有效的恢复机制。在数据出现问题时，能够快速恢复到正常状态。
5. 安全审计和监控 ：建立安全审计系统，对用户的操作和系统的运行状态进行实时监控。及时发现异常行为，并采取相应的措施。

13. 安全系统实施流程

以下是一个安全系统实施的基本流程mermaid图：

graph LR
    A[需求分析] --> B[系统设计]
    B --> C[安全策略制定]
    C --> D[技术选型]
    D --> E[系统开发与集成]
    E --> F[测试与验证]
    F --> G[部署与上线]
    G --> H[运行与维护]
    H --> I[安全审计与监控]
    I --> J{是否有安全事件}
    J -- 是 --> K[应急处理]
    J -- 否 --> H
    K --> H

具体步骤如下：
1. 需求分析 ：明确系统的安全需求，包括数据的保密性、完整性和可用性要求。
2. 系统设计 ：根据需求分析的结果，设计系统的整体架构和安全模块。
3. 安全策略制定 ：制定详细的安全策略，包括访问控制规则、数据加密策略等。
4. 技术选型 ：选择合适的安全技术和工具，如加密算法、防火墙等。
5. 系统开发与集成 ：根据设计方案进行系统开发，并将安全模块集成到系统中。
6. 测试与验证 ：对系统进行全面的测试，验证安全策略的有效性和系统的稳定性。
7. 部署与上线 ：将系统部署到生产环境中，并正式上线运行。
8. 运行与维护 ：对系统进行日常的运行和维护，及时处理系统故障和安全事件。
9. 安全审计与监控 ：建立安全审计系统，对系统的运行状态进行实时监控。
10. 应急处理 ：当发生安全事件时，启动应急预案，采取相应的措施进行处理。

14. 总结

网络安全是数字图书馆和Web数据管理领域的重要问题。通过对各种安全威胁的分析和解决方案的探讨，我们可以看到，保障系统的安全需要综合运用多种技术和策略。未来，随着技术的不断发展，网络安全领域将面临更多的挑战和机遇。我们需要不断地研究和创新，以应对日益复杂的安全形势，确保数字图书馆和Web数据的安全可靠。

在实际应用中，我们应该根据具体的需求和场景，选择合适的安全技术和方案，并严格按照安全系统实施流程进行操作。同时，加强安全意识培训，提高用户和管理员的安全素养，也是保障系统安全的重要环节。只有这样，才能构建一个安全、可靠的数字图书馆和Web数据管理环境。