◆李曄鋒

MongoDB的RBAC訪問控制技術(shù)研究

◆李曄鋒1,2

（1.北京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京 100124；2.寧波工程學(xué)院電信學(xué)院 浙江 315211）

作為一種開源的NoSQL數(shù)據(jù)庫，MongoDB被廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)處理與分析中，因此它的安全性顯得至關(guān)重要。MongoDB使用基于角色的訪問控制（RBAC）方式來控制屬于不同角色的用戶對數(shù)據(jù)庫資源的訪問。本文針對MongoDB以文檔形式存儲數(shù)據(jù)和非SQL形式訪問數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，分析了該訪問控制模型中的各組成部分以及它們之間的關(guān)系，從而總結(jié)出這種訪問控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

NoSQL；MongoDB；RBAC

0 前言

MongoDB是開源的文檔型NoSQL數(shù)據(jù)庫，它擺脫了關(guān)系模型的限制，具有靈活的存儲結(jié)構(gòu)，并且支持分布式部署，使得它的查詢性能遠(yuǎn)高于關(guān)系數(shù)據(jù)庫[1]，因此被廣泛應(yīng)用于云計(jì)算和大數(shù)據(jù)環(huán)境[2]。但是NoSQL的安全性普遍相對薄弱，Zahid在他的學(xué)術(shù)論文[3]中對各種分片式的NoSQL數(shù)據(jù)庫進(jìn)行了比較，其中對MongoDB的評論如下:“數(shù)據(jù)庫的安全配置等級非常低，完全依賴于數(shù)據(jù)庫管理員”。因此，在學(xué)術(shù)界和企業(yè)界有不少提高M(jìn)ongoDB安全性的研究，例如Sathyadevan等人提出了一種提升MongoDB數(shù)據(jù)級別安全的解決方案[4]，Hou等人對MongoDB的注入情況進(jìn)行了檢測和分析[5]，師德清把MongoDB應(yīng)用到CRP系統(tǒng)中，并對它的安全認(rèn)證機(jī)制進(jìn)行分析[6]，宋志毅等人實(shí)現(xiàn)了基于MongoDB的數(shù)據(jù)加密技術(shù)[7]。本文從訪問控制的角度分析MongoDB的安全性，首先在第一章介紹MongoDB的存儲和訪問特性，然后在第二章闡述現(xiàn)有的一些訪問控制技術(shù)，接著在第三章重點(diǎn)分析MongoDB中RBAC模型的各組成部分以及它們之間的關(guān)系，最后在第四章總結(jié)全文。

1 MongoDB概述

1.1 MongoDB的數(shù)據(jù)存儲方式

MongoDB只有三種存儲對象:數(shù)據(jù)庫（Database）、集合（Collection）和文檔（Document），它們被統(tǒng)稱為資源（Resource）。數(shù)據(jù)庫是最高級存儲對象，由多個(gè)集合組成；集合相當(dāng)于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表,每個(gè)集合包含多個(gè)文檔；文檔是MongoDB的最小存儲單元,它采用了BSON結(jié)構(gòu),每個(gè)文檔包含多個(gè)“字段”和“取值”對。

BSON是一種類似json的二進(jìn)制存儲格式，它的優(yōu)點(diǎn)在于支持內(nèi)嵌的文檔對象和數(shù)據(jù)對象，與關(guān)系數(shù)據(jù)庫相比存儲結(jié)構(gòu)更加靈活，能夠更好地描述數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。例如，某個(gè)學(xué)生李明的語文和數(shù)學(xué)兩門課成績可以表示如下:

如果使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫存儲這些信息，則需要把學(xué)生信息和課程信息分別存儲在兩張表中，而MongoDB通過這種文檔內(nèi)嵌的方式，能夠有效減少集合的數(shù)目，規(guī)避了連接操作，從而提高了查詢性能。此外，MongoDB還會為每個(gè)文檔對象生成全局唯一的ObjectID作為主鍵，它不但能夠用于區(qū)分不同的文檔，而且能夠用于排序、引用和創(chuàng)建索引，以達(dá)到更快的查詢速度。

1.2 MongoDB的數(shù)據(jù)訪問方式

作為一種NoSQL的數(shù)據(jù)庫，MongoDB使用了一種交互式的命令對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作訪問。絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)庫命令使用函數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，例如，假設(shè)需要在1.1節(jié)定義的student集合中需要查找學(xué)生“李明”的語文課成績，則可用如下的find命令實(shí)現(xiàn)

db.student.find（{“姓名”:”李明”}，

{“課程”:{$elemMatch:”語文”}，”_id”:0，”課程.成績”:1}）

命令返回的查詢結(jié)果也是BSON格式的文檔類型，它能夠作為中間結(jié)果保存在某一個(gè)變量中，為下一個(gè)查詢命令所使用。這種數(shù)據(jù)訪問方式雖然更加靈活，但是對數(shù)據(jù)庫管理員有更高的技術(shù)要求。

2 訪問控制技術(shù)

在20世紀(jì)60年代末，科研工作者提出了訪問控制技術(shù)，其主要目的是防止信息和資源被非常用戶訪問使用，或被合法用戶進(jìn)行非授權(quán)的使用。經(jīng)過40多年的發(fā)展，一些訪問控制模型已被廣泛應(yīng)用到各種應(yīng)用中，包括自主訪問控制（DAC）、強(qiáng)制訪問控制（MAC）和基于角色的訪問控制（RBAC）等。

自主訪問控制使用關(guān)聯(lián)表實(shí)現(xiàn)主體對客體的訪問。關(guān)聯(lián)表可以基于主體或者基于客體，前者以主體為核心，為每個(gè)主體創(chuàng)建一個(gè)可被它訪問的客體以及訪問權(quán)限的明細(xì)表，后者以客體為核心，存儲可以對它訪問的主體以及訪問權(quán)限的明細(xì)表。這種訪問控制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于靈活性較好，實(shí)現(xiàn)簡單，缺點(diǎn)在于關(guān)聯(lián)表占用大量的存儲空間，并且對權(quán)限的傳遞以及客體的副本管理相當(dāng)困難。

強(qiáng)制訪問控制為每個(gè)主體和客體分配安全標(biāo)簽，每種標(biāo)簽以不同的取值來表示安全等級，這樣主體對客體的訪問權(quán)限取決于安全標(biāo)簽的等級組合。這處訪問控制技術(shù)同樣實(shí)現(xiàn)簡單，并且數(shù)據(jù)只能根據(jù)標(biāo)簽等級從一級流向一級，具有較強(qiáng)的機(jī)密性，缺點(diǎn)在于靈活性不夠，而且犧牲了數(shù)據(jù)的完整性。

基于角色的訪問控制模型由喬治梅森大學(xué)的Sandhu等人于1996年首次提出，經(jīng)過不斷的完善形成了RBAC96模型簇[8]，它的核心思想是在用戶和權(quán)限之間引入了角色（Role）的概念，如圖1所示，通過用戶分配（UA）和權(quán)限分配（PA）為用戶（主體）和權(quán)限之間的關(guān)聯(lián)。相比DAC和MAC，它更具靈活性和安全性，但是缺乏操作順序的控制機(jī)制。

圖1 RBAC模型核心結(jié)構(gòu)

2004年，Sandhu等人又提出了一種使用控制模型（UCON）[9]，被學(xué)術(shù)界命名為“下一代訪問控制模型”。該模型對傳統(tǒng)的存取控制進(jìn)行了一定的擴(kuò)展，定義了授權(quán)（Authorization）、義務(wù)（Obligation）和條件（Condition）三個(gè)新的因素，以及存取控制的連續(xù)性（Continuity）和可變性（Mutability）兩個(gè)新的屬性，具有更高的安全性、靈活性和有效性，但是模型的定義也更加抽象，不利于具體實(shí)現(xiàn)，因此并沒有在信息安全領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3 MongoDB的RBAC模型分析

MongoDB使用RBAC管理用戶的訪問控制，它的核心結(jié)構(gòu)與圖1類似，只不過它把具體的操作行為（Action）與被操作的對象放在一起統(tǒng)稱為權(quán)限（Previlege）。

3.1 MongoDB的用戶

MongoDB在安裝完成后沒有任何用戶，不用登錄即可任意創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫和集合，也可以對元數(shù)據(jù)庫admin中的部分集合進(jìn)行操作，因此不具有任何安全性，必須手動(dòng)創(chuàng)建用戶才能激活驗(yàn)證功能。

MongoDB使用db.createUser命令創(chuàng)建用戶，所有的用戶信息被存儲在admin數(shù)據(jù)庫下的system.users集合中。默認(rèn)情況下，用戶屬于創(chuàng)建時(shí)所在的數(shù)據(jù)庫，并只能對該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。但是在admin數(shù)據(jù)庫下創(chuàng)建的用戶可以被賦予相應(yīng)的角色訪問多個(gè)數(shù)據(jù)庫。例如，使用下面的命令即可創(chuàng)建一個(gè)超級用戶sa，它被賦予root角色，可以對整個(gè)數(shù)據(jù)庫執(zhí)行任何操作。

use admin

db.createUser（{user:”sa”，pwd:”123456”，roles:[“root”]}）

此后，重新啟動(dòng)Mongd服務(wù)并加上--auth參數(shù)，然后再啟動(dòng)Mongo控制臺，需要先切換到admin數(shù)據(jù)庫下，再使用db.auth命令進(jìn)行登錄驗(yàn)證才可以進(jìn)一步的操作。

3.2 MongoDB的權(quán)限

MongoDB的權(quán)限由操作行為和被操作的對象組成，用BSON結(jié)構(gòu)可以表示如下:

其中resource字段表示被操作的對象，可以是數(shù)據(jù)庫或集合，也可以是分布式模式下的集群。另一個(gè)字段actions表示行為，它們可以是操作性的，例如1.2節(jié)所述的數(shù)據(jù)查找find命令，以及數(shù)據(jù)插入insert操作等，也可以是控制性的，例如3.1節(jié)所述的createUser命令，以及修改密碼changePassword等等。

每個(gè)權(quán)限定義中只能指定一個(gè)資源，但是可以有多個(gè)訪問行為，表示可以對某個(gè)資源進(jìn)行哪些操作。因此，MongoDB中的權(quán)限不再拘泥于傳統(tǒng)的“讀”、“寫”和“執(zhí)行”等操作，更加靈活機(jī)動(dòng)以適應(yīng)用戶的各種需要。

3.3 MongoDB的角色

角色是MongoDB訪問控制模型中的核心組件，也是連接用戶和權(quán)限的紐帶。MongoDB中已經(jīng)自帶了一些系統(tǒng)定義的角色，此外用戶還可以通過組合權(quán)限自定義角色。MongoDB中角色的BSON描述形式如下:

其中的privileges字段中以數(shù)組的形式包含了該角色擁有的權(quán)限，每個(gè)權(quán)限的構(gòu)造如3.2節(jié)所述；roles字段中包含了該角色繼承的其它角色，每個(gè)被繼承的角色表現(xiàn)形式為:{role:“<角色名>”，db:“<數(shù)據(jù)庫名>”}。角色繼承是MongoDB的重大特點(diǎn)，例如3.1節(jié)中定義超級用戶sa時(shí)用到的root角色就是由多個(gè)基本角色中繼承而來。

在系統(tǒng)自帶的角色中，包含同一類型行為的權(quán)限被放在了一起，例如read角色擁有一些只讀行為如find、listCollections、 listIndex等的權(quán)限，而userAdmin角色中包含了一些管理級的行為如createRole、createUser、changePassword等。行為跟角色之間是多對多關(guān)系，即一個(gè)角色可以有多個(gè)行為，而某個(gè)行為可以出現(xiàn)在不同的角色中。類似，用戶跟角色之間也是多對多關(guān)系，即一個(gè)用戶可以擁有多個(gè)角色，而某個(gè)角色可以屬于不同的用戶（比如有多名系統(tǒng)管理員角色）。

用戶的自定義角色通過createRole命令創(chuàng)建，并存放在admin數(shù)據(jù)庫的system.roles集合中。對于在admin數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的角色，它可以擁有操作任意數(shù)據(jù)庫的權(quán)限，并且能夠繼承在任意數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的其它角色；對于在普通數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的角色，只能擁有操作本數(shù)據(jù)庫的權(quán)限，并且只能繼承在本數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建的其它角色。

3.4 MongoDB的RBAC模型安全隱患

盡管MongoDB的RBAC的模型具有較強(qiáng)的靈活性，但由于它的角色并沒有等級劃分，導(dǎo)致一些低端角色可以分配高端角色。在3.3節(jié)中提到的userAdmin角色無法對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行find、update等訪問行為，但它可以執(zhí)行createRole、createUser等數(shù)據(jù)庫管理行為，從而能夠創(chuàng)建具有root角色的用戶來獲取數(shù)據(jù)庫中的具體內(nèi)容。由于MongoDB的角色具有繼承的特性，因此一旦與該角色相關(guān)的賬戶信息被遺失，對數(shù)據(jù)庫的安全將造成極大的威脅。

解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于制訂角色的安全等級劃分機(jī)制，即低等級的角色無法創(chuàng)建或?yàn)橛脩舴峙涓叩燃壍慕巧ＷC角色中的權(quán)限不被濫用。

4 結(jié)束語

本文通過對比傳統(tǒng)的訪問控制技術(shù)，研究了MongoDB的RBAC模型?？傮w而言，MongoDB的這種訪問控制機(jī)制具有較高的靈活性和安全性，但由于角色沒有被劃分安全等級，一些低端角色能夠分配高端角色，從而獲取更高的訪問權(quán)限。因此，在MongoDB數(shù)據(jù)庫的使用過程中，必須確保一些關(guān)鍵角色的信息不被丟失，以免造成嚴(yán)重的安全事故。

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[6]師德清.淺析MongoDB數(shù)據(jù)庫在CRP系統(tǒng)中的安全認(rèn)證機(jī)制[J].科協(xié)論壇，2011.

[7]宋志毅，馬兆豐，黃勤龍.基于保序加密的MongoDB數(shù)據(jù)加密技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[C].中國通信學(xué)會學(xué)術(shù)年會，2014.

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