校園一卡通系統(tǒng)的4層安全結(jié)構(gòu)模型及關鍵技術

文章出處：http://botanicstilllife.com 作者：孫桂林 人氣： 發(fā)表時間：2009年09月25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“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)字化校園的建設提供了全面的數(shù)據(jù)采集和信息共享的環(huán)境．目前，關于校園一卡通系統(tǒng)設計方面的研究較多[1 ]，但設計的系統(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)應用集成技術，提出一個“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、網(wǎng)絡通信技術、數(shù)據(jù)庫技術、自動控制技術和IC卡技術，集成了證件管理、檔案管理、師生考勤、教學管理、食堂管理、機房管理及其他多種服務功能于一體，可使學生通過“一卡”實現(xiàn)對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)動策略，采用Web service應用集成接口標準對應用系統(tǒng)及網(wǎng)絡安全認證功能統(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)為終端用戶與應用系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)的一卡通網(wǎng)絡，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 認證算法實現(xiàn)用戶的安全認證，保障合法用戶對系統(tǒng)的訪問；第4層為數(shù)據(jù)源頭層(各個部門數(shù)據(jù)庫)，包括財務、教務、學工、圖書等各種數(shù)據(jù)源；第3層為元數(shù)據(jù)驅(qū)動層，是系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)層集成的關鍵部分．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)、教務元數(shù)據(jù)、財務元數(shù)據(jù)、用戶界面元數(shù)據(jù)、用戶權限元數(shù)據(jù)等，并采用元數(shù)據(jù)建模技術對這些元數(shù)據(jù)進行建模，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的靈活集成，保障各個子系統(tǒng)的異構(gòu)性及可擴充性等需求；第2層是實現(xiàn)對大學園區(qū)中各種應用系統(tǒng)在應用級別的統(tǒng)一集成問題，采用web service／XML技術實現(xiàn)不同的應用系統(tǒng)在XML接口級上的應用集成；第1層為用戶的應用層，用戶通過卡片實現(xiàn)用戶認證及網(wǎng)絡訪問．

圖1 校園一卡通系統(tǒng)集成體系結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的關鍵技術

2．1 元數(shù)據(jù)的集成

關于元數(shù)據(jù)概念的理解有多種觀點，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)之間的依賴關系、數(shù)據(jù)的質(zhì)量等”；也可廣義理解為“不僅實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的描述，而且描述并實現(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問題和操作數(shù)據(jù)進行描述．因此，元數(shù)據(jù)的概念可以理解為元數(shù)據(jù)是關于數(shù)據(jù)、操縱數(shù)據(jù)的過程和應用程序的結(jié)構(gòu)與意義的描述信息，其主要目標是保持數(shù)據(jù)的一致性定義、數(shù)據(jù)間清晰明確的關系和數(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)庫應用系統(tǒng)的元數(shù)據(jù)是指有關數(shù)據(jù)庫應用的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和對象的描述信息．它們規(guī)定了數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)的用戶界面、系統(tǒng)行為和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源．可見，應用系統(tǒng)元數(shù)據(jù)是系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的抽象．對于特定系統(tǒng)，元數(shù)據(jù)是相對穩(wěn)定、相對靜止的，是整個系統(tǒng)的核心，對系統(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，引入元數(shù)據(jù)技術，并針對需要集成的數(shù)據(jù)源，設計的數(shù)據(jù)集成中心框架模型，見圖2．

圖2 基本地數(shù)據(jù)的集成

2．2 模型功能

(1)VLAN隔離技術．基于校園寬帶環(huán)境下的校園一卡通系統(tǒng)，主干網(wǎng)絡部分要求所有的以太網(wǎng)設備在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個網(wǎng)絡，設備不允許互相訪問．在實際應用過程中，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)絡分成若干IP子網(wǎng))相結(jié)合的方法來實現(xiàn)對網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全性控制．在分段方式中，主要采用VLAN的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡安全．VLAN即虛擬網(wǎng)技術主要基于近年高速發(fā)展的局域網(wǎng)交換技術(ATM 和以太網(wǎng)交換)E4]．交換技術將傳統(tǒng)的基于廣播的局域網(wǎng)技術發(fā)展為面向連接的技術．以太網(wǎng)從本質(zhì)上說是基于廣播機制，但應用了交換機和VLAN技術后，實際上轉(zhuǎn)變?yōu)辄c到點的通訊．劃分VLAN的方式有3種：① 基于端口的VLAN，就是將交換機中若干個端口定義為一個VLAN，同一個VLAN中的計算機具有相同的網(wǎng)絡地址，不同VLAN之間進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)點在網(wǎng)絡上怎樣移動，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，就需要對交換機進行復雜的配置，以確定該節(jié)點的VLAN歸屬．③ 基于IP地址的VLAN，新增加節(jié)點時，無須進行太多配置，交換機根據(jù)IP地址會自動將其劃分到不同的VLAN，這種VLAN智能化最高，實現(xiàn)最復雜．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地址來越權使用資源．這3種劃分方式各有其優(yōu)缺點，在實際應用時應從安全性和可擴展性等方面全面考慮．

(2)卡片與設備的雙向認證．設備具有防偽卡功能，卡片與設備雙向認證，對于POS機每筆交易明細大慶石油學院學報 第33卷2009年記錄都有流水號，所有交易帳目均帶校驗功能；POS機采用雙CPU機制(一個負責讀寫卡，另一個負責數(shù)據(jù)通訊)和雙FLASH 數(shù)據(jù)存儲方式．

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

(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，并且對中心數(shù)據(jù)庫中的重要數(shù)據(jù)表加校驗，使之無法篡改；系統(tǒng)采用磁帶備份、雙機熱備份、數(shù)據(jù)自動存儲和異地備份等方式進一步保證一卡通數(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是一個分組加密算法，它以64位為分組對數(shù)據(jù)加密，加密和解密用的是同一個算法，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64(bit)位的明文分組M 進行操作，M 經(jīng)過一個初始置換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)進行16輪完全相同的函數(shù)廠運算，在運算過程中數(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)通過一個擴展置換將數(shù)據(jù)的右半部分擴展成48位，并通過一個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，通過另一個異或運算，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16次，計算完畢．DES算法框圖見圖3．

圖3 DES算法框圖