Software & Systems

Атаки на хранилища и БД являются одними из самых опасных для предприятий и организаций. Согласно статистике компании infowatch [1], в последние годы количество утечек данных в мире неуклонно растет, при этом на 2015 год более тридцати процентов из них приходятся на внешних нарушителей и более шестидесяти выполнено с участием сотрудников организации. Даже если предположить, что в ряде случаев утечка включала данные, к которым сотрудник имеет легальный доступ, каждый третий случай приходился на внешнюю атаку. Также нужно отметить, что, согласно приведенным в [1] данным, на внешние атаки приходятся семь из восьми утечек объемом более десяти миллионов записей.

Злоумышленников интересуют такие виды информации, как внутренняя операционная ин- формация, персональные данные сотрудников, финансовая информация, информация о заказчиках/клиентах, интеллектуальная собственность, исследования рынка/анализ деятельности конкурентов, платежная информация [2]. Эти сведения в итоге хранятся в корпоративных хранилищах и БД различного объема.

Все это приводит к необходимости обеспечения защиты не только коммуникаций, операционных систем и других элементов инфраструктуры, но и хранилищ данных как еще одного барьера на пути злоумышленника. Однако на сегодняшний день работы в области обеспечения безопасности БД направлены в основном на преодоление существующих и уже известных уязвимостей, реализацию основных моделей доступа и рассмотрение вопросов, специфичных для конкретной СУБД. Целью данной работы являются комплексное рассмотрение и систематизация вопросов безопасности раз- личных БД в свете новых угроз, общих тенденций развития информационной безопасности и возрас- тающей роли и разнообразия хранилищ данных.

Вопросы комплексной безопасности БД привлекают внимание исследователей, им ежегодно посвящается ряд работ как в России, так и за рубежом. Можно отметить такие исследования, как классическая работа [3]. В ней рассматриваются подходы к обеспечению конфиденциальности, целостности и доступности СУБД, предотвращение, определение и игнорирование атак. Предлагаются подходы к обеспечению мандатного и ролевого дискреционного доступа к реляционному серверу. Данную тему развивает работа [4], затрагивающая те же вопросы обеспечения разделения доступа, привилегий, аудита и шифрования данных, а также вопросы применения для обеспечения защищенного доступа встроенных механизмов, таких как триггеры, представления и хранимые процедуры. Резюмирующая их работа [5] обобщает развитие подходов к безопасности в историческом аспекте.

Среди зарубежных работ, освещающих современные направления исследований, можно отметить [6, 7]. Работы российских исследователей в основном посвящены узким вопросам безопасности СУБД, например [8–12].

Нельзя не отметить также монографии [13, 14]. Однако эти работы, как и известные учебные пособия и материалы, в частности [15, 16], также не выходят за рамки вышеозначенных тем или же, как например [14], отражают специфику конкретной СУБД.

Аналогичную ситуацию можно наблюдать и в работе [17]. STIG включает известные вопросы безопасности и критерии уровневой сертификации программных средств СУБД, оценивая безопас- ность ПО на основании известных угроз, без учета специфики хранимых данных.

Таким образом, сегодняшние исследования в области безопасности СУБД ограничиваются развитием концепции конфиденциальности, целостности и доступности данных, что не соответствует современным требованиям к системам защиты и информационной безопасности программных решений (например [18]), причем в контексте конкретных методов защиты, а не целостного рассмотрения проблемы. При этом они зачастую посвящены конкретным программным продуктам, а не всему классу соответствующего ПО.

Эволюция систем безопасности БД

Исторически развитие систем безопасности БД происходило как реакция на действия злоумышленников в соответствии с этапами эволюции самих хранилищ (БД) и изменениями типа и вида возрастающих угроз. Эти изменения были обусловлены общим развитием БД от решений на мейнфреймах до облачных хранилищ.

В архитектурном плане [5] можно выделить следующие подходы:

-     полный доступ всех пользователей к серве- ру БД;

-     разделение пользователей на доверенных и частично доверенных средствами СУБД (системы управления БД);

-     введение системы аудита (логов действий пользователей) средствами СУБД;

-     введение шифрования данных; вынос средств аутентификации за пределы СУБД в опе- рационные системы и промежуточное ПО; отказ от полностью доверенного администратора данных.

Тем не менее, введение средств защиты как реакции на угрозы не обеспечивает защиту от новых способов атак и формирует разрозненное представление о самой проблеме обеспечения безопасности. С одной стороны, крупные компании могут выделить достаточное количество средств обеспечения безопасности для своих продуктов, с другой стороны, именно по этой причине имеется большое количество разнородных решений, отсутствует понимание комплексной безопасности данных (и ее компоненты разнятся от производителя к производителю), нет общего, единого подхода к безопасности хранилищ данных и, как следствие, возможности. Усложняются прогнозирование будущих атак и перспективная разработка защитных механизмов, для многих систем сохраняется актуальность уже давно известных атак, усложняется подготовка специалистов по безопасности.

Именно разработка программных средств перспективной защиты (на опережение злоумышленника), обеспечение возможности внедрения такой технологии представляются авторам статьи наиболее актуальными задачами на текущем этапе.

Современные проблемы обеспечения безопасности БД

Список основных уязвимостей хранилищ данных, актуальный на сегодняшний день [19], не претерпел существенных изменений за последние более чем пять лет. Проанализировав средства обеспечения безопасности СУБД, архитектуру БД, интерфейсы, известные уязвимости и инциденты безопасности, можно выделить следующие причины возникновения такой ситуации:

-     проблемами безопасности серьезно занимаются только крупные производители прежде всего в ведущих продуктах линеек для хранения данных;

-     программисты БД, прикладные программисты и администраторы БД не уделяют должного внимания вопросам безопасности;

-     разные масштабы и виды хранимых данных требуют разных подходов к безопасности;

-     различные СУБД используют разные языковые диалекты для доступа к данным, организованным на основе одной и той же модели;

-     появляются новые виды и модели хранения данных.

Рассмотрим эти положения более подробно на примере линейки продуктов от Oracle. СУБД Oracle Database Server имеет достаточно развитую систему безопасности, включающую основные и дополнительные модули и содержащую средства гранулирования доступа до уровня записи и маскирования данных. Отметим, что продукт компании СУБД MySQL не может похвастаться таким уровнем защищенности. Это достаточно серьезная проблема, так как MySQL – широко применяемая СУБД как в электронной коммерции, так и в БД государственных структур.

Многие уязвимости, обозначенные в исследованиях (например в [19]), сохраняют актуальность за счет невнимания или незнания администраторами систем БД вопросов безопасности. Например, известные техники простой SQL-инъек­ции широко эксплуатируются сегодня в отношении различных web и иных приложений, в которых не уделяется внимание контролю входных данных запроса. Причинами этого являются как недостаточная информированность или внимание администраторов СУБД и прикладных программистов, так и отсутствие встроенных средств контроля известных уязвимостей в большинстве СУБД. Хорошим решением были бы автоматизация и перенос контроля таких угроз на уровень сервера, однако многообразие языковых диалектов не позволяет это сделать.

Также нужно отметить, что применение различных средств обеспечения информационной безо­пасности является для организации компромиссом в финансовом плане: внедрение более защищенных продуктов и подбор более квалифицированного персонала требуют больших затрат. К тому же ком- поненты безопасности могут отрицательно влиять на производительность систем управления БД, например уровни согласованности транзакций. Полное соответствие модели ACID – самый медленный способ обеспечения целостности при многопользовательской работе. Такие подходы, как маскирование данных или введение проверок безо­пасности доступа, также замедляют работу [13, 20].

Еще одна причина такой ситуации – разрозненность диалектов языка запросов к СУБД. Если рассматривать только известные реляционные СУБД, несмотря на наличие развивающегося стандарта SQL (SQL-92, SQL-99, SQL-2003, SQL-2008), даже крупные производители не только используют собственные расширения языка, но и не поддерживают до конца операции принятой версии стандарта. Этот факт осложняет разработку единых механизмов защиты БД уровня сервера.

Приведенные выше проблемы усугубляются с появлением и широким распространением нереляционных хранилищ данных и СУБД, оперирующих другой моделью данных, однако построенных по тем же принципам и имеющих аналогичное назначение, что и традиционные, реляционные серверы. По сути многообразие современных так называемых NoSQL (нереляционных) решений приводит к разнообразию применяемых моделей данных и размывает границу понятия БД.

Следствием этих проблем и отсутствия единых методик является нынешняя ситуация с безопасностью NoSQL-систем. Эти решения появились на рынке недавно и еще не успели пройти «путь ошибок и уязвимостей», характерный для их более зрелых реляционных аналогов. В большинстве NoSQL-систем отсутствуют не только общепринятые механизмы безопасности вроде шифрования, поддержки целостности и аудита данных, но даже развитые средства аутентификации пользователей.

Особенности систем БД как объекта защиты

В связи с появлением новых решений в области нереляционных хранилищ, размывающих границу традиционного представления о СУБД (например, система кэширования данных в памяти MemcasheDB или Hadoop HDFS), определим функции, отличающие СУБД от файлового хранилища и других типов программных продуктов. В этом ключе в [20] выделено несколько признаков. Переформулировав первый признак – «поддержание логически согласованного набора файлов», в силу активного развития in memory СУБД, осуществляющих хранение и все операции над данными в оперативной памяти, приведем эти критерии в следующей редакции:

-     поддержание логически согласованного набора данных;

-     обеспечение языка манипулирования дан- ными;

-     восстановление информации после разного рода сбоев;

-     реальная параллельная работа нескольких пользователей (процессов).

Используя такой подход, можно отделить именно СУБД от файловых систем и ПО другого вида.

Отличительной особенностью систем БД от остальных видов прикладного ПО является (относительно информационной безопасности и не только) их двойственная природа. С этой точки зрения СУБД включает в себя два компонента: хранимые данные (собственно БД) и программы управления (СУБД).

Обеспечение безопасности хранимой инфор- мации, в частности, невозможно без обеспечения безопасного управления данными. Исходя из этой концепции, все уязвимости и вопросы безопасности СУБД можно разделить на две категории: зависимые от данных и независимые от данных.

Отметим, что уязвимости, независимые от данных (их структуры, организации и т.д.), являются характерными для всех прочих видов ПО. К этой группе можно отнести несвоевременное обновление ПО или наличие неиспользуемых функций.

Зависимыми от данных (в той или иной степени) является большое число аспектов безопасности. В частности, зависимыми напрямую можно назвать механизмы логического вывода и агрегирования данных, называемые специфичными проблемами СУБД. В то же время многие уязвимости являются косвенно зависимыми от данных. Например, современные СУБД (считая и реляционные, и нереляционные решения) поддерживают запросы к данным с использованием некоторого языка запросов. В свою очередь, в этом качестве используются специализированные языки запросов (SQL, CQL, OQL и других), наборы доступных пользователю функций (которые, в свою очередь, тоже можно считать операторами запросного языка) или произвольные функции на языке программирования (чаще всего Java). Обобщенные интерфейсы работы с данными представлены на рисунке.

Архитектура применяемых языков, по крайней мере, то, что касается специализированных языков (запросов) и наборов функций, напрямую связана с моделью данных, применяемой для хранения информации. Таким образом, модель определяет особенности языка, а особенности языка – наличие в нем тех или иных уязвимостей. Причем уязвимости общего типа, например инъекция (под инъекцией будем понимать атаку на БД путем модификации входных запросов, заставляющую сервер СУБД выполнить нелегитимный набор действий), выполняются по-разному (SQL-инъекция, JAVA-инъек­ция) в зависимости от синтаксиса и семантики языка, которые, как уже сказано выше, отчасти определяются моделью данных и, следовательно, являются зависимым от данных компонентом.

Требования к безопасности БД

Таким образом, на основании разделения уязвимостей можно выделить зависимые и независимые от данных меры обеспечения безопасности хранилищ информации. Независимыми от данных мож­но назвать следующие требования к безопасной системе БД.

·      Функционирование в доверенной среде.

Под доверенной понимается информационная среда, интегрирующая совокупность защитных механизмов, которые обеспечивают обработку информации без нарушения политики безопасности [21]. В данном случае СУБД должна функционировать в доверенной информационной системе с соответствующими методами обмена данными.

·      Организация физической безопасности файлов данных.

Данный вопрос требует более детального изучения, так как применяемые структуры данных в различных моделях данных СУБД могут иметь значение при шифровании и защите файлов данных. Однако в первом приближении вопрос физической безопасности файлов данных сходен с вопросом физической безопасности любых других файлов пользователей и приложений.

·      Организация безопасной и актуальной настройки СУБД.

К данному аспекту относятся такие общие вопросы обеспечения безопасности, как своевременная установка обновлений, отключение неиспользуемых модулей или применение эффективной политики паролей.

Следующие требования можно назвать зависимыми от данных.

·      Безопасность пользовательского слоя ПО.

К этой категории относятся задачи построения безопасных интерфейсов и вызовов (в том числе с учетом интерфейса СУБД и механизма доступа к данным).

·      Безопасная организация данных и манипулирование ими.

Вопрос организации данных и управления ими является ключевым в системах хранения информации. Несмотря на то, что в приведенном перечне он указан последним, именно в эту область входят задачи организации данных с контролем целостности, обеспечение защиты от логического вывода и другие, специфичные для СУБД проблемы безо­пасности. Фактически эта задача включает в себя основной пул зависимых от данных уязвимостей и защиты от них.

Пути создания защищенных БД

Для преодоления названных проблем обеспечения информационной безопасности СУБД необходимо перейти от метода закрытия уязвимостей к комплексному подходу обеспечения безопасности хранилищ информации. Основными этапами этого перехода, по мнению авторов, должны стать следующие положения.

1.    Разработка комплексных методик обеспечения безопасности хранилищ данных на текущем этапе.

Создание комплексных методик позволит применять их (или их соответствующие версии) при разработке хранилищ данных и пользовательского ПО. Основой для создания таких документов могут стать обобщающие проблематику работы, например [16] или [22]. Следование комплексной методике позволит избежать многих ошибок управления СУБД и защититься от наиболее распространенных на сегодняшний день уязвимостей.

2.    Оценка и классификация угроз и уязвимостей СУБД.

Специализированная классификация угроз и уязвимостей СУБД позволит упорядочить их для последующего анализа и защиты, даст возможность установить зависимость между уязвимостями и причинами (источниками) их возникновения. В результате при введении конкретного механизма в СУБД появится возможность установить и спрогнозировать связанные с ним угрозы и заранее подготовить соответствующие средства обеспечения безопасности.

3.    Разработка стандартных (применимых к различным СУБД без внесения изменений или с минимальными изменениями) механизмов обеспечения безопасности.

Стандартизация подходов и языков работы с данными позволит создать мультиплатформенные средства обеспечения безопасности, применимые к разным СУБД. С одной стороны, это методические и теоретические подходы, применимые в рамках модели данных. На сегодняшний день есть наработки таких механизмов по реляционной модели, однако они не решают всех насущных вопросов безопасности. С другой – это разработка теоретического базиса для новых СУБД, в частности, конкретизация и формализация агрегатных моделей данных. Появление готовых программных средств во многом зависит от производителей и разработчиков СУБД и их следования стандартам, а также достаточности определенных в стандарте средств для построения развитых механизмов безопасности.

4.    Разработка теоретической базы информационной защиты систем хранения и манипулирования данными.

Выше отмечен ряд характерных особенностей, специфичных для хранилищ данных: двойственная природа СУБД, зависимость уязвимостей и механизмов управления от данных и описывающей их организацию модели, угрозы логического вывода, различная значимость сочетаний данных. Все это определяет специфический характер безопасности СУБД и требует новых теоретических подходов к обеспечению защиты данных в программных системах такого рода. Отдельный большой вопрос – развитие теоретического базиса в контексте формализации модели данных, а также разработка подходов обеспечения целостности информации для новых NoSQL-хранилищ.

На основании изложенного сделаем следующие выводы. В результате рассмотрения российских и зарубежных работ, а также ситуации на рынке СУБД в статье выделены текущий подход к обеспечению безопасности, принцип и основные эволюционные этапы систем БД. Сформулированы проблемы информационной безопасности современных СУБД: разнообразие языковых средств, появление новых моделей данных, не подкреп- ленных теоретическим базисом, необходимость поиска баланса между безопасностью и ее стоимостью, развитие систем защиты как реакции на потерю средств и престижа, а также общее невнимание к вопросам безопасности.

Сформулированы критерии, выделяющие СУБД из сходных программных продуктов, с учетом новых кластерных и in memory решений, особенности этого класса ПО с точки зрения информационной безопасности и предложено базовое деление уязвимостей на зависимые и независимые от данных и их организации.

В результате сформулированы общие требования к безопасности БД, перспективные пути исследования и развития систем защиты для построения надежных и защищенных серверов по обработке информации. В них вошли как систематизация и развитие существующих подходов в виде выработки методик и стандартизации механизмов защиты, так и направления новых исследований, например, классификация уязвимостей СУБД и формализация новых моделей данных, построение прогнозирующих средств защиты.

Литература

1.     Исследование утечек информации за первое полугодие 2015 года. URL: http://www.infowatch.ru/analytics/reports/16340 (дата обращения: 26.02.2016).

2.     Информационная безопасность бизнеса. Исследование текущих тенденций в области информационной безопасности бизнеса. 2014. URL: http://media.kaspersky.com/pdf/IT_risk_ report_Russia_2014.pdf (дата обращения: 26.02.2016).

3.     Sandhu Ravi S., Jajodia Sushil. Data and database security and controls. Handbook of Information Security Management, Auerbach Publishers, 1993, pp. 181–199.

4.     Qiu M., Davis S. Database security mechanisms and implementation. IACIS, Issues in Inform. Syst. 2002, vol. 03, pp. 529–534.

5.     Lesov P. Database security: a historical perspectiv. 2010. URL: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1004/1004.4022.pdf (дата обращения: 26.02.2016).

6.     Burtescu E. Database security – attacks and control me- thods. Journ. of Applied Quantitative Methods, 2009, vol. 4, no. 4, pp. 449–454.

7.     Rohilla S., Mittal P.K. Database Security: Threads and Challenges. Intern. Journ. of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, 2013, vol. 3, iss. 5, pp. 810–813.

8.     Потапов А.Е., Манухина Д.В., Соломатина А.С., Бадмаев А.И., Яковлев А.В., Нилова А.С. Безопасность локальных баз данных на примере SQL Server Compact  //  Вестн. Тамбов. ун-та. Серия: Естественные и технические науки. 2014. № 3. С. 915–917.

9.     Бортовчук Ю.В., Крылова К.А., Ермолаева Л.В. Информационная безопасность в современных системах управления базами данных // Современные проблемы экономического и социального развития. 2010. № 6. С. 224–225.

10.   Горбачевская Е.Н., Катьянов А.Ю., Краснов С.С. Информационная безопасность средствами СУБД Oracle // Вестн. ВУиТ. 2015. № 2 (24). С. 72–85.

11.   Ткаченко Н.О. Реализация монитора безопасности СУБД MySQL в dbf/dam системах // ПДМ. Приложение. 2014. № 7. С. 99–101.

12.   Полтавцева М.А. Задача хранения прав доступа к данным в РСУБД на примере Microsoft SQL Server // Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований: матер. V Междунар. науч.-практич. конф. 2015. С. 118–120.

13.   Баранчиков А.И., Баранчиков П.А., Пылькин А.Н. Алгоритмы и модели доступа к записям БД. М.: Горячая линия–Телеком, 2011. 182 с.

14.   Поляков А.М. Безопасность Oracle глазами аудитора: нападение и защита. М.: ДМК Пресс, 2014. 336 с.

15.   Смирнов С.Н. Безопасность систем баз данных. М.: Гелиос АРВ, 2007. 352 с.

16.   Murray M.C. Database security: what students need to know. JITE:IIP, vol. 9, 2010, pp. 61–77.

17.   Database Security Technical Implementation Guide (STIG). US Department of Defense. Vers. 7. Release 1. 2004. URL: https://www.computer.org/ cms/s2esc/s2esc_excom/Minutes/2005-03/DISA%20STIGs/DATABASE-STIG-V7R1.pdf (дата обращения: 26.02.2016).

18.   Зегжда П.Д. Обеспечение безопасности информации в условиях создания единого информационного пространства // Защита информации. Инсайд. 2007. № 4 (16). С. 28–33.

19.   Top Ten Database Security Threats. URL: http://www.imperva.com/docs/wp_topten_database_threats.pdf IMPREVA 2015 (дата обращения: 26.02.2016).

20.   Кузнецов С.Д. Базы данных: учебник для студ. М.: Академия, 2012. 496 с.

21.   Зегжда Д.П., Калинин М.О. Обеспечение доверенности информационной среды на основе расширения понятия «целостность» и управления безопасностью // Проблемы информ. безопасности. Компьютерные системы. 2009. № 4. С. 7–16.

22.   Полтавцева М.А., Зегжда Д.П., Супрун А.Ф. Безопасность баз данных: учеб. пособие. СПб: Изд-во СПбПУ, 2015. 125 с.