第八章 安全

　　由于安全问题对大数据系统乃至当前社会的重要性，我们在Laxcus 2.0版本实现了全体系的安全管理策略。同时我们也考虑到系统的不同环节对安全管理的需求是不一样的，所以有选择地做了不同的安全设计和处理。图8是Laxcus安全管理架构，首先使用SHA1签名获得基本确认，然后在FIXP网络层面，数据通信采用RSA加密，后面分别是对称加密、系统安全策略、签名、用户安全策略。SHA1是一种数字签名，可以保证网络间传输的内容正确性，RSA是目前安全度最高的加密手段，对称加密则次之，系统安全策略包含了为不同节点和各种服务设计的安全验证，签名是系统判断每个登录账号的合法性，用户安全策略赋与了用户自定义安全规则的能力，应用于用户自己的分布任务组件和数据存取上，有助于强化数据处理过程中，用户的数据安全。

　　上述安全管理措施非常繁多，但是其实都是围绕着两个目标进行：防窃取和防篡改。因为考虑到安全管理对数据处理业务的影响（RSA计算就对CPU的占用比率非常高），所以在系统的某些层面，安全管理被设置为可选项，决定权交给集群管理者和用户自己处理。例如在内网通信中，由于内网的安全保障程度比较高，而且内网的数据传输量又非常大，几乎所有网络计算都在内网中进行。在这种情况下，为了给数据处理是腾出基础资源，提高处理效率，可以酌情选择省略掉部分安全管理。

　　本章将依循Laxcus大数据系统架构，阐述每个层面的安全管理。

 

图8 Laxcus安全管理架构

8.1 环境安全

　　在架构设计上，Laxcus被分为彼此隔绝的内外两个网络环境。内部网络的拓扑结构对外保密，网络地址一般是采用TCP/IP协议中的内网地址（10.0.0.0 - 10.255.255.255、172.16.0.0 - 172.31.255.255、192.168.0.0 - 192.168.255.255），它们由专业的集群管理人员来管理和维护，被认为是“安全”的。外网由普通的注册用户来管理，不在集群管理人员的可控制范围内，来源可以是互联网或者VPN的连接，他们属于低可信度用户，被认为是“不安全”的。网关节点位于它们之间，除了起到沟通双方的连接和分解任务压力的作用外，更主要是接受外部网络请求的同时，可以屏蔽内部网络拓扑结构，使内部网络有一个相对安全的运行环境，防范可能遭到的网络攻击。

　　虽然运行环境提供了这样的安全设计，但是在部署集群时，仍然需要集群的组织管理人员遵守设计规定。集群运行过程中，管理人员也应该具备安全管理常识，这是需要相互配合的工作。在这个的架构安全基础上，还有后续一系列的安全管理措施，使集群被攻击的可能性进一步降低。

8.2 通信安全

　　节点同时具有客户机/服务器的双重身份。在每一次网络通信开始时，为了确保客户机是可以信任的，服务器会要求客户机出示通信安全凭证。这个凭证将保证双方在安全的状态下通信。

　　通信安全凭证在FIXP服务器上配置，里面保存了客户机必须出示的信息。安全通信类型分为三种：地址验证、账号验证、地址/账号复合验证。当服务器要求出示安全凭证时，客户机必须遵守这个协定，向服务器出示自己的安全凭证，否则通信将被服务器中止。客户机也可以主动向服务器要求安全校验，每次服务器都会接受的。

　　通过安全凭证检测后，可以确定网络两端间传输的数据是正确和可信任的，这样就为后续的数据处理提供了一个基本的安全保障。

　　使用中也有例外，例如上面提到的内网通信。因为内部网络相对公共网络，它的安全度和信任度颇高，而通信安全项除了地址验证外，其他两种都需要执行消耗CPU的计算，这会造成数据处理的延迟，对大规模、高密度的网络计算来说显得得不偿失。所以，一般的建议是，在穿越VPN或者互联网的通信双方，应该启用安全通信；在信任度高的内部网络，这项工作可以选择地址验证，或者忽略。

8.3 节点准入制度

　　在Laxcus集群里，一个节点若要向另一个节点发起命令请求，必须首先以客户机的身份登录它的服务器节点，客户机发出的每一条命令，都要接受服务器的验证和检查，这就是节点准入制度。

　　节点准入制度是在安全通信之后，为各节点间的连接和操作定义的一套安全措施。在这个层面上，能够保证各节点之间的连接都是正确的，被传输的命令也在监管范围内。

　　比如，Aid节点只能连接Top节点，连接Home节点就是非法的。Front节点必须先向Call节点注册，才能得到命令操作许可。Call节点只能向Data节点发出SQL SELECT命令，向任何其它节点发出这道命令都会遭到拒绝。

　　我们对不同节点的节点准入制度有一套详细的规定，在此就不赘述。由于这个规定准确定义了它们之间的请求、受理范围、命令许可，使得每个节点和每一道命令在运行过程中都接受检查，杜绝了一切可能的非法连接和操作。

8.4 用户账号安全

　　用户登录使用Front节点。无论用户是以终端的交互方式还是驱动程序的嵌入方式接入Laxcus集群，系统都要求用户提供一个登录账号，确认用户是可信的。Laxcus账号由用户名称和密码组成，每一个账号必须由系统管理员建立，账号的用户名和密码会被计算机计算为SHA1算法的散列码，再通过网络上传到Top节点，保存到数据字典里，供后续使用。

　　账号的用户名是系统唯一的，一经建立不能修改。当系统管理员建立账号后，会通过其它渠道将账号的明文转交给账号持有人。账号持有人拥有修改账号密码的权利，通常账号持人会修改系统管理员设置的密码。

　　特别注意，在建立、修改和使用账号登录的过程中，账号的明文只出现在用户的计算机屏幕上或者用户的驱动程序里，不会出现在网络传输的任何环节。Top节点保存的只是账号明文的SHA1算法散列码，由于SHA1算法逆向破解的难度，使得获取账号明文的可能性极小。这样就使得账号在产生和使用过程中拥有极大的安全性。

　　另外，用户登录除了需要提供登录账号外，还必须持有一个系统管理员颁发的安全许可证书。这是一个经过RSA算法签名的文件，由系统管理员建立和保管。用户登录时首先出示这个证书，服务器会检查证书的有效性，确定证书有效和登录者可信后，再执行账号检查，进一步判断账号的正确性和操作范围，决定是接受还是拒绝。

　　这样，实际上每一个用户的登录过程都是RSA和SHA1的组合，首先用SHA1对账号进行签名，然后用RSA进行传输和校验。因为这是进入集群的第一阶段，必须保证有足够的安全强度。这种双保险措施保证了每一个登录用户的可信性。

　　登录成功后，双方进入正式的通信状态。我们通常要求数据经过加密或者签名处理。目前提供的加密和签名算法有：AES、DES、3DES、MD5、SHA1等。这些算法和密码会随着通信过程自动变换，使得窥密者短时间内难以获得明文，这又进一步提高了交互双方的数据安全。

　　综上所述，用户进入Laxcus集群依次有三道安全门槛：RSA、用户账号、对称加密或者数字签名，前两种保证用户登录时的安全，后一种保证登录后数据内容的安全。

8.5 用户权限管理

　　用户使用FRONT节点登录，只是拥有了进入集群的权利。若要获得数据处理能力，还需要获得进一步的数据操作权限。

　　数据操作权限也是由管理员来授权。数据操作权限从高到低分为三级：用户级、数据库级、表级。每一个级别有多个操作选项，部分选项会在多个级别存在，对于这类同质选项，上一级操作权限默认高于下一级操作权限。例如SQL“SELECT”操作权限，用户级“SELECT”高于数据库级”SELECT“，数据库级”SELECT“又高于表级“SELECT”。

　　由管理员分配的数据操作权限也可以被管理员回收。权限回收后将立即生效，超过权限的数据请求在此之后将被拒绝。

　　通过用户权限管理，管理员可以把用户的数据处理操作控制在规定的范围内，杜绝用户可能的越权操作。

8.6 私有业务安全

　　私有业务即是用户的数据业务，这一块的安全管理全权交给用户处理。在这个层面，用户可以自由组织自己的数据内容和数据格式。组织方式分成两种：1.用系统提供的可类化接口，在发送前，把数据按照自己理解的数据格式，用各种方式编排在一起，在接收后，再重新拆解。可类化接口中的“ClassWriter、ClassReader”同时提供加密/解密功能，进一步提高了安全能力。这样在数据传输过程中，由于格式和内容都经过了处理，破解就变得很困难。至于密码，可以放在外界难以窥测到的地方，比如命令自定义参数的某个位置，或者集群的数据字典里。

　　数据表中的数组数据，在生成时就可以通过系统提供的“Packing“接口加密。这样内容在生成就已经处理过，只是在显示的时候被解开，重新以明文格式出现，中间过程都是以密文的形式存在。在不掌握密码的情况下，外界也是无从窥视。

 

 

图8.6.1 可类化接口函数

8.7 分布任务组件安全

　　分布任务组件的安全由沙箱来保证。沙箱（sandbox）是一种可以限制程序操作范围和处理能力的容器，现在已经集成到Laxcus大数据管理系统里。所有处于运行状态的分布任务组件，都被放置到沙箱里运行。

　　将分布任务组件置于沙箱里运行的根本原因在于：分布任务组件来源于用户，从保守的安全角度考虑，我们无法预先判断每个分布任务组件都是善意和可以信任的，不会在他们的程序里含有恶意代码，那么从统一处理的原则出发，我们就假定这些分布任务组件都是不安全的，需要在它们运行过程中，对它们进行约束和限制，以防止各种可能危害系统或者其它分布任务组件的事情发生。

　　在沙箱里运行的分布任务组件，它们的操作权限受到沙箱严格监管，只能“读、写、删除”规定目录下面的文件，或者获取规定的系统属性，其它操作都被排除在外。运行过程中，分布任务组件发出的每个操作请求都会首先传到沙箱进行安全检查，当发现操作超出许可范围时，沙箱将拒绝执行，以保证运行环境安全。

　　沙箱的安全检查项目被放在安全策略文件中，在系统启动时加载。修改安全策略文件是很容易的，不过这属于集群管理员的职责，普通用户没有这个能力。

 

图8.7.1 沙箱安全策略选项

8.8 数据块安全

　　数据块的安全依赖于对数据的签名。当数据块从Cache状态转向Chunk状态过程中，系统会计算这个数据块的数据内容，生成一个256位的Laxcus签名，做为校验码保存到数据块里。产生数据块的签名过程很快，一个64M的数据块签名生成时间，在Pentium4 2.0G的计算机上，通常在10毫秒左右。

　　当Data节点重新启动，或者数据块被加载到内存，或者通过网络传输到另一个Data节点，系统会重新根据数据内容再次生成一个校验码，与已经存在的校验码进行比较，确认数据的完整性，以保证后续数据处理的数据本身是正确的。

8.9 DSM/NSM安全

　　数据块从Cache状态转入到Chunk状态过程中，除了生成数据块签名，还会根据数据块的存储模型，针对每一行或者每一列集合，生成它们的CRC32校验码，并且保存在记录的开始位置。

　　设置行/列集校验码的原因是，因为整块的数据不会被经常调用，而行/列集的数据却总是在网络上大量、频繁传递，这就使得行/列集的数据校验更有实际意义。

　　然而相较于少量的数据块签名计算，被传输的行/列集因为粒度细、数据量大、校验次数频繁，计算持续时间也会更长，这将消耗大量计算资源，影响到网络计算的处理效率。所以，通常任务请求方在收到计算结果后，会根据数据的来源来选择是否检测。如果是内网数据，由于网络安全度高，这个校验可以被忽略。