武 彤，漆 媛

(貴州大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

分區(qū)加密與結(jié)構(gòu)化加密相結(jié)合實現(xiàn)OLAP的數(shù)據(jù)安全性

武 彤，漆 媛

(貴州大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

隨著數(shù)據(jù)倉庫、OLAP、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的普及，基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持系統(tǒng)在企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。而企業(yè)決策支持系統(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)是企業(yè)決策所需的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的丟失或泄露將直接影響企業(yè)的生存與發(fā)展，確保企業(yè)決策系統(tǒng)OLAP的安全性從而保護數(shù)據(jù)安全有其重要的意義。因此OLAP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性已成為數(shù)據(jù)安全領(lǐng)域的研究熱點。以某“生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策分析系統(tǒng)”為研究平臺，分析了系統(tǒng)的安全需求，針對平臺上OLAP系統(tǒng)的多維數(shù)據(jù)，結(jié)合分區(qū)加密及結(jié)構(gòu)化加密的特點，使用分區(qū)加密與結(jié)構(gòu)化加密相結(jié)合，實現(xiàn)了OLAP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密。通過實踐證明，這種混合加密策略既能保證數(shù)據(jù)的安全性，又不影響OLAP系統(tǒng)的性能。該研究方案在同類系統(tǒng)中具有一定的推廣應(yīng)用價值。

數(shù)據(jù)倉庫；OLAP；數(shù)據(jù)加密；分區(qū)加密；結(jié)構(gòu)化加密

0 引 言

隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)的深入發(fā)展及普及應(yīng)用，企業(yè)已經(jīng)在不同的時期針對具體應(yīng)用建立了大量的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)，這些數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)解決了企業(yè)在生產(chǎn)、管理中的很多問題，同時推動了數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展。但是面對不斷增加的數(shù)據(jù)，企業(yè)用戶不再滿足于數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)提供的功能，而且提出了深層次的應(yīng)用問題：能不能從數(shù)據(jù)中提取信息或者知識為決策服務(wù)，就數(shù)據(jù)庫技術(shù)而言是無能為力的，由此產(chǎn)生了數(shù)據(jù)倉庫、OLAP(聯(lián)機分析處理)以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。隨著數(shù)據(jù)倉庫、OLAP以及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展，基于數(shù)據(jù)倉庫的決策支持系統(tǒng)在企業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[1]。

數(shù)據(jù)倉庫是一個綜合的解決方案，主要幫助企業(yè)有關(guān)主管部門和業(yè)務(wù)人員做出更符合企業(yè)發(fā)展規(guī)律的決策。而OLAP、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)倉庫的協(xié)同工作，一方面可以迎合和簡化決策分析過程中的重要步驟，提高決策分析的效率和能力，確保決策分析中數(shù)據(jù)來源的廣泛性和完整性。另一方面，OLAP、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)已經(jīng)成為數(shù)據(jù)倉庫應(yīng)用中極為重要和相對獨立的方面[2]。OLAP是使分析人員、管理人員或執(zhí)行人員能夠從多角度對信息進行快速、一致、交互地存取，從而獲得對數(shù)據(jù)的更深入了解的一類軟件技術(shù)。數(shù)據(jù)倉庫中存儲的巨大數(shù)據(jù)量能夠科學(xué)地反映歷史信息，通過OLAP技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理與多維分析，可以幫助企業(yè)管理者從數(shù)據(jù)中獲得支持決策的信息，從而做出正確的決策。這對幫助企業(yè)提高市場競爭力，完善企業(yè)管理，針對性地制定出相關(guān)政策意義重大。由此可以看出，OLAP分析所涉及的數(shù)據(jù)是決策所需的重要數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的丟失或泄露將直接影響企業(yè)的生存與發(fā)展，因此確保企業(yè)決策系統(tǒng)OLAP的安全性從而保護數(shù)據(jù)安全有其重要的意義。文中以某企業(yè)生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策分析系統(tǒng)為研究平臺，研究以分區(qū)加密和結(jié)構(gòu)化加密相結(jié)合實現(xiàn)OLAP的安全性。

1 分區(qū)加密與結(jié)構(gòu)化加密

OLAP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)倉庫，確保數(shù)據(jù)倉庫中數(shù)據(jù)安全的最有效方法就是數(shù)據(jù)加密。對數(shù)據(jù)倉庫內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行加密時，常用的方法有分區(qū)加密和結(jié)構(gòu)化加密。

(1)分區(qū)加密。

分區(qū)加密就是對數(shù)據(jù)倉庫的不同部分應(yīng)用不同的加密模塊。如針對一個數(shù)據(jù)倉庫，可以根據(jù)數(shù)據(jù)重要程度的不同，將數(shù)據(jù)劃分成A，B，C，…不同的分區(qū)，對不同的分區(qū)數(shù)據(jù)采用不同的加密算法進行加密，當用某一分區(qū)的編碼器對另一分區(qū)的數(shù)據(jù)進行解密時，將得到一堆垃圾。即不同的加密/解密過程可以有效地分到不同的分區(qū)中，以保證數(shù)據(jù)的安全性。

(2)結(jié)構(gòu)化加密。

在數(shù)據(jù)倉庫中，數(shù)據(jù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)的類型在加密/解密過程中必須被保護。例如在一個非加密狀態(tài)，如果域A在域B之前，域B又在域C之前，那么在加密狀態(tài)下，也應(yīng)該維護這樣的結(jié)構(gòu)。如果一個ASCII域被加密，那么加密值也必須是ASCII。在加密過程中維護域是一個非常復(fù)雜的問題，并且加密數(shù)據(jù)使得像匯總之類的處理很難進行，因此需要選擇性地對數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)進行加密[3]。通常只有非鍵值，非索引的數(shù)據(jù)被加密。加密鍵值和索引使得本來復(fù)雜的過程更加復(fù)雜，還有一些其他的問題要考慮。在決定哪些數(shù)據(jù)加密時，最簡單的方法就是把一個表中的所有非鍵值，非索引值加密。一種情況是只加密一列數(shù)據(jù)，所有其他的數(shù)據(jù)都以原始的狀態(tài)存儲。另外一種情況是加密數(shù)據(jù)的特定行。還有一種情況，加密算法是周期性變化的。因此請求者不僅要使解密算法和加密數(shù)據(jù)相匹配，而且這個解密算法在這個時刻是正確的[4]。

2 OLAP系統(tǒng)的多維分析及安全需求

文中研究內(nèi)容基于的平臺是某企業(yè)“生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策分析系統(tǒng)”，該系統(tǒng)將對生產(chǎn)線上的電視機產(chǎn)品質(zhì)量圍繞“基板品質(zhì)”及“電視機質(zhì)量”兩個主題進行OLAP分析。

2.1 基板品質(zhì)分析

“基板品質(zhì)”分析是通過電視機主板生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各個質(zhì)量信息采集點的數(shù)據(jù)處理匯總及分析，可以為決策者們提供事實數(shù)據(jù)的有力支持，因此，決策分析系統(tǒng)將基板品質(zhì)分析作為主要分析主題是非常必要的?；宸治鲋黝}主要以基板的合格數(shù)量、出錯數(shù)量來計算基板品質(zhì)的合格率等，并將其作為基板品質(zhì)的度量信息。

有如下分析需求：

(1)某段時間內(nèi)，某種基板類型的合格率。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接版型維度表、時間維度表以及版型分析事實表三張表。

(2)某段時間內(nèi)，某個生產(chǎn)線上工作生產(chǎn)的基板合格率。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接生產(chǎn)線維表、時間維度表以及生產(chǎn)線分析事實表三張表。

(3)某段時間內(nèi)，某個采集點上的基板合格率。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接采集點維度表、時間維度表以及基板類型分析事實表三張表。

(4)某段時間內(nèi)，生產(chǎn)線上工作生產(chǎn)的某種版型的基板合格率。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接版型維度表、時間維度表、生產(chǎn)線維表、生產(chǎn)線分析事實表四張表。

(5)某段時間內(nèi)，生產(chǎn)線上工作生產(chǎn)的某種版型的基板合格率。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接版型維度表、時間維度表、采集點維度表、版型分析事實表四張表。

(6)某段時間內(nèi)，產(chǎn)生某種故障現(xiàn)象的基板數(shù)量。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接故障現(xiàn)象維表、時間維度表、版型故障現(xiàn)象分析事實表三張表。

(7)某段時間內(nèi)，產(chǎn)生某種故障類型的基板數(shù)量。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接故障現(xiàn)象維表、時間維度表、版型故障現(xiàn)象分析事實表三張表。

(8)某段時間內(nèi)，某采集點上，因何種故障原因所致的故障數(shù)量。

欲得到查詢結(jié)果，需要連接采集點維度表、故障現(xiàn)象維表、時間維度表、版型故障現(xiàn)象分析事實表四張表[5]。

從以上查詢內(nèi)容可見，企業(yè)用戶所關(guān)注的查詢大多需要連接3張或以上的維表與事實表。

2.2 電視機質(zhì)量分析

電視機質(zhì)量分析主題中，是對主板生產(chǎn)之后一直到電視機成品下線整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)品的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)進行多維分析。包括故障數(shù)量、產(chǎn)品直通率等，最終以分析數(shù)據(jù)說明質(zhì)量控制情況[6]。該主題分析與基板品質(zhì)主題分析一樣，按時間粒度(日，月，季，年)進行多角度的切片、切塊、鉆取分析。具體分析需求不再贅述。

2.3 OLAP系統(tǒng)的安全需求

該OLAP系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)倉庫的海量歷史數(shù)據(jù)中提取出的具有針對性的決策型數(shù)據(jù)，以構(gòu)建OLAP多維分析模型。因此，數(shù)據(jù)加密是為了防止非法用戶進入OLAP系統(tǒng)后，盜取重要的企業(yè)決策數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)倉庫中的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)類型等在數(shù)據(jù)進行加/解密過程中都不能有所改變，一旦進行加/解密過程，都將占用一定的機器資源，從而對OLAP系統(tǒng)分析效率造成一定的影響。因此，需要選擇既能保證數(shù)據(jù)安全性，又對OLAP系統(tǒng)性能影響最小的數(shù)據(jù)加密安全方案[7]。選擇的加解密方法必須滿足如下要求：

(1)安全性：安全機制須能防止非法訪問數(shù)據(jù)操作，預(yù)防惡意推理。

(2)適用性：安全機制應(yīng)適用于本生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策分析系統(tǒng)，并能在不需要重大修改的情況下應(yīng)用在多種環(huán)境中。

(3)有效性：安全機制須滿足OLAP系統(tǒng)的在線處理和實時響應(yīng)的性能要求。該系統(tǒng)中，要求加入安全控制后，系統(tǒng)響應(yīng)時間不能超過加入安全控制前原響應(yīng)時間的一半。

(4)可用性：安全機制對于合法用戶來說，數(shù)據(jù)必須是可訪問的，只在某些情況下才設(shè)置合理的訪問約束。

(5)實用性：安全機制不應(yīng)要求對現(xiàn)存的OLAP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做重大修改，而應(yīng)能夠利用現(xiàn)存的查詢處理機制和安全機制[8]。

3 OLAP系統(tǒng)的分區(qū)加密

由于“生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策分析系統(tǒng)”是一個實際運用的OLAP系統(tǒng)，實施的安全加密方案需滿足OLAP的可用性與快速決策性等需求，這就決定了所采用的加密算法必須具有安全、加密/解密速度快等特點，并且要在數(shù)據(jù)存儲、實現(xiàn)平臺方面具有較強的可塑性。通過實驗對比分析后，采用SHA-1和AES算法進行分區(qū)加密。

3.1 分區(qū)加密的設(shè)計

在該OLAP系統(tǒng)中，分為系統(tǒng)用戶管理與OLAP查詢分析兩大模塊。用戶管理模塊主要是對USER表中數(shù)據(jù)進行管理，該模塊用于管理用戶名和密碼、角色的分配、權(quán)限的控制等。OLAP查詢分析模塊是對基板品質(zhì)、電視機質(zhì)量分析主題進行數(shù)據(jù)分析與處理。采用兩種不同的加密算法對用戶管理模塊與OLAP查詢分析模塊所涉及數(shù)據(jù)進行分區(qū)加密。

系統(tǒng)用戶管理模塊中，采用SHA-1加密算法對用戶密碼進行加密。由于登錄密碼需要在增加用戶時便存入加密后的密文密碼，而且在系統(tǒng)管理級別的超級管理員用戶對USER維表中Password審查過程中，SHA-1所具有的對同一數(shù)據(jù)加密后密文相同的特點，當出現(xiàn)兩者以上用戶密文相同的情況時，系統(tǒng)管理級別用戶便可提醒密碼設(shè)置重復(fù)的用戶更換更為復(fù)雜的登錄密碼以保證密碼安全。

OLAP查詢分析模塊對加密算法的加解密速率有較高要求。AES算法由于其加密實現(xiàn)快、加解密效率高的特點[9]，用來加密決策分析查詢的各維表與事實表中重要數(shù)據(jù)。首先對參與決策查詢分析的各維表與事實表中數(shù)據(jù)用AES加密后重新導(dǎo)入維表/事實表中，當提交查詢申請后，系統(tǒng)程序調(diào)用AES解密算法，對所有表內(nèi)數(shù)據(jù)進行解密，然后恢復(fù)維表與事實表間連接，從而進行查詢分析，并將結(jié)果以直觀的方式顯示。

3.2 分區(qū)加密的實現(xiàn)

(1)SHA-1算法加密用戶登錄密碼。

采用SHA-1算法對該OLAP系統(tǒng)中用戶表(USER)的用戶密碼進行加密。超級管理員在添加用戶時，可為該用戶設(shè)置原始密碼，用戶可自行進行密碼修改。加密系統(tǒng)對用戶修改后的密碼實施加密，以密文形式直接存入用戶表Password列中，系統(tǒng)管理員級別用戶(即超級管理員)也無法破解用戶的密文密碼。由于SHA-1算法是單一加密，即相同的加密內(nèi)容能得到相同的密文字符串。當用戶設(shè)置密碼后，提交進行存儲時，對顯示相同密文字符串的用戶，可提醒更改為更復(fù)雜的密碼[10]。

(2)AES算法加密維表與事實表數(shù)據(jù)。

該OLAP系統(tǒng)有兩個分析主題，分別是“基板品質(zhì)”和“電視機質(zhì)量”，兩個分析主題都采用星座模型進行數(shù)據(jù)的組織與存儲。“基板品質(zhì)”主題的OLAP模型如圖1所示。

圖1 基板品質(zhì)主題分析模型

如圖所示，基板品質(zhì)分析模型中有5個維表與3個事實表，其中事實表之間共享維表，組成了星座模型[11]。電視機質(zhì)量分析模型與此相同。對于數(shù)據(jù)倉庫中存儲的這8張表的數(shù)據(jù)，采用AES加密算法進行加密存儲。當要進行OLAP查詢分析時，解密系統(tǒng)對多維表數(shù)據(jù)全部解密后再進行連接查詢?？梢姴樵償?shù)據(jù)時需要對全部多維數(shù)據(jù)進行解密后，再由表間主鍵連接多維表進行查詢操作。系統(tǒng)查詢響應(yīng)時間花銷主要由查詢請求提交時間、數(shù)據(jù)解密時間、數(shù)據(jù)連接查詢時間、數(shù)據(jù)反饋時間構(gòu)成，由于請求提交時間與數(shù)據(jù)反饋時間是一定的，時間花銷的差距可以視為數(shù)據(jù)解密時間與查詢時間的總和差。由于查詢需求并非對每個維表與事實表數(shù)據(jù)都要求參與分析運算，對全部數(shù)據(jù)整體進行解密的環(huán)節(jié)可能造成時間開銷的浪費，不滿足查詢條件的數(shù)據(jù)所消耗的解密時間應(yīng)該是可以被節(jié)約的。由此提出如下的結(jié)構(gòu)化加密方法進行改進。

4 OLAP系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化加密

結(jié)構(gòu)化加密方法僅對OLAP系統(tǒng)中部分維表數(shù)據(jù)以及事實表中重要的敏感數(shù)據(jù)進行AES加密，而用于連接維表與事實表間的主鍵不予加密。因此，即使在多維表中數(shù)據(jù)以密文顯示的情況下，也能實現(xiàn)表間的連接。采用結(jié)構(gòu)化加密后，可以通過查詢得到視圖，對視圖內(nèi)涉及的數(shù)據(jù)進行解密，解密數(shù)據(jù)范圍比分區(qū)加密方法大大減少，進而加快了查詢響應(yīng)時間。當用戶提交查詢請求時，系統(tǒng)只需要調(diào)用參與查詢的多維表，通過表間聯(lián)系，將參與查詢的數(shù)據(jù)進行解密，最后將查詢結(jié)果反饋用戶。這樣可以節(jié)約系統(tǒng)對所有維表與事實表數(shù)據(jù)解密后再進行連接查詢而產(chǎn)生不必要的時間開銷。

當用戶提交查詢分析請求時，系統(tǒng)通過表間主鍵連接，將符合查詢請求的數(shù)據(jù)查找出后形成物化視圖，解密程序調(diào)用AES解密算法只對視圖涉及部分的數(shù)據(jù)進行解密，并將分析結(jié)果反饋用戶。

圖2是沒有進行數(shù)據(jù)加密和進行結(jié)構(gòu)化加密以及分析加密后OLAP系統(tǒng)查詢分析響應(yīng)時間的比較。

圖2 加密前系統(tǒng)查詢與采用加密

從圖中可以看出，結(jié)構(gòu)化加密作為改進加密方案，節(jié)省了系統(tǒng)用于解密后連接數(shù)據(jù)再進行查詢分析的時間花銷，采用結(jié)構(gòu)化加密在實現(xiàn)了安全性的同時，降低了對系統(tǒng)查詢性能的影響[7]。

5 結(jié)束語

文中研究的“生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策分析系統(tǒng)”是一個OLAP系統(tǒng)，對該OLAP系統(tǒng)中存儲的數(shù)據(jù)，采用不同的加/解密算法對不同的數(shù)據(jù)進行分區(qū)加/解密，如對用戶信息采用SHA-1算法進行加/解密，對多維數(shù)據(jù)采用AES算法進行加/解密。而對多維數(shù)據(jù)進行加密時，采用了結(jié)構(gòu)化加密的思想，只對OLAP系統(tǒng)中部分維表數(shù)據(jù)以及事實表中重要的敏感數(shù)據(jù)進行加密，用于連接維表與事實表間的主鍵不予加密，從而保證了進行OLAP分析時，數(shù)據(jù)加/解密時間開銷不會影響OLAP系統(tǒng)的查詢分析性能。通過實踐證明，這種混合的加/解密方案，既保證了OLAP系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全性，又不影響OLAP系統(tǒng)的查詢分析性能。該研究方案在同類系統(tǒng)中有一定的推廣應(yīng)用價值。

[1] 陳京民.數(shù)據(jù)倉庫與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003:12-14.

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[11] 武 彤.電視機生產(chǎn)線質(zhì)量控制決策系統(tǒng)OLAP模型設(shè)計[J].微計算機信息，2012(11):283-284.

Implementation of Data Security of OLAP System Combined Partition Encryption with Structured Encryption

WU Tong,QI Yuan

(College of Computer Science & Technology,Guizhou University, Guiyang 550025,China)

With the popularization of data warehouse,OLAP and data mining technology,decision support system based on data warehouse has been widely used in enterprise,and the data involved in enterprise decision support system is important for enterprise decision-making.The loss or disclosure of these data will directly affect the survival and development of enterprises.To ensure the security of the enterprise decision-making system OLAP in order to protect data security has its important significance.Therefore,the data security of OLAP system has become a research hotspot in data security field.The security requirements of the system is analyzed based on a "quality control decision analysis system of production line".According to the multi-dimensional data of the OLAP system on the platform,combined with the characteristics of partition encryption and structured encryption,the combination of them is used to achieve the OLAP system data encryption.The practice shows that this hybrid encryption strategy can not only guarantee the security of data,but also does not affect the performance of OLAP system.The research program has a certain value in the same kind of system.

data warehouse;OLAP;data encryption;partition encryption;structured encryption

2015-11-17

2016-02-25

時間：2017-01-04

貴州省科技計劃工業(yè)攻關(guān)項目(黔科合GY字[2010]3061)

武 彤(1964-)，女，碩士，教授，CCF會員，研究方向為數(shù)據(jù)倉庫；漆 媛(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170104.1023.028.html

TP309.2

A

1673-629X(2017)01-0089-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.01.020