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上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 摘要 随着信息技术的飞速发展，人类对以计算机为基础的信息系统的依赖度越来 越高，与之相对应的信息系统安全性成为信息系统设计者与管理者所面临的最严 峻的问题，据公安部统计，我国信息网络安全事件发生比例连续3 年呈上升趋势， 2 0 0 7 年已经达到6 5 7 ，较2 0 0 6 年上升1 1 7 。 本文重点研究信息管理系统中安全防伪机制及其设计方法，将强双因子身份 认证技术应用到系统中以保证数据的合法修改，并将数据同步作为系统异地备份 的一种方式，保证系统整体的安全。同时，将加密二维码( q rc 0 d e ) 应用到系 统报表的防伪验证中，保证系统报表数据的真实性、可靠性。 本文以上海师范大学学生成绩管理系统为例，进行需求分析，确定系统安全 的设计目标，设定系统的运行环境与设备。系统以b s 与c s 相结合的模式作为 系统的体系结构。通过高校成绩数据管理系统安全性实现，研究讨论相关系统的 数据安全性问题。 本文希望通过一系列新技术新思路的提出与应用，来提升信息管理系统的安 全性，并减轻日常管理工作负担，提高工作效率。 关键字：强双因子身份认证，数据同步，q rc 0 d e ，信息管理系统 m 上海! 至堕查堂堡圭翌壅生堂垡笙壅 兰生垡丝笪垄墨竺室全堕垡翌! 型坌堑量丝生 _ _ - _ - _ _ _ - _ i _ _ _ _ _ _ _ _ - 一一一一一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t0 fi r 哟r m a t i o nt e c l l i l o l o 跚p e o p l ei n c r e a s i n 酉yh i g hd 印e n d m i s t h eb 远p r o b l e mf o rd e s i g n e 娼趾da d m i n i s t r a t o r si st h es e c i l r i t yo fm i s a c c o r d i n gt 0 t h es t a t i s t i c so fm i n i s t 巧o fp u b l i cs e c i l r i t y ，t h es e c i l r i t yi n c i d e n t so fi n f o m a t i o ns y s t e mh a v e b e e ni n c r e a s e di nl a s tt l l r e ey e a r s 1 1 l ep r o p o r t i o ni s 舶m5 4 i n2 0 0 6t o6 5 7 i n2 0 0 7 t h er e s e a r c h0 ft l l i st h e s i si st 0s t l l d yh o wt od e s i 驴t h es e c i l r i t y m e c h a i l i s m i d e n t i f i c a t i o n0 fd o u b l es t r o n gf a c t o r st e c h n o l o 舒i sa p p l i e dt o t h e s y s t e m si d e n t i t y a u t h e n t i c a t i o n ，w h i c hw mg i l a r a n t e et h e1 e g n i m a t ei n o d i ! f = i e d d a t a d a t as y n c h r 伽i i z a t i o n s y s t e m 嬲aw a yo fr e m o t eb a c k i l pm a k e st h es e c u r i 哆o ft h eo v e r a us y s t e m a n dt h er e p o r t f 0 咖so ft h cs y s t e m 盯ep r i n t e d 丽t he n c r y p t e dq rc 0 d et om a k es u r et l l ef 0 珊sa r er e a l 锄d t m s t e d s h a n 曲a in o m a lu n i v e r s 姆缸a d e i i l i ca 蛳r s m i si sa p p l i e da s 孤i n s t 撇( 削蝴i s ) t 0 d e s i g nt l l es y s t e ms e c u f i t yo b j e c t i v e s ，e n v i r 0 姗e n ta n dt h ee q l l i p m e n ti nt h er e q u i r e m e n t s 姐a l y s i s n ec o m b i n e db sa n dc s 啪d e li su s e da st h es y s t e m s 盯c l l i t e c t u r e 1 1 l i st h e s i si s t os t u d ym i sd a t as e c u r i t yi s s u e sb yr e a l i z a t i o nt l l ea a m i ss e c u r i t ym e c h a n i s m - s o m en e wt e c h n o l o g i e sa n dr e s e a r c h e sa r eu s e df o re 1 1 l l 锄d n gm es e c u 衄o f sa n d i m p r o v i n gw o f ke f i d e n c y k e yw o r d s ：i d e n t i f i c a t i o no fd o u b l es 仃o n g f a 咖r s ，d a t as y n c m n i z a t i o n ，q rc o d e ，m i s 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他入 或机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发 和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：日期： 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其 它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：导师签名：日期： 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 第一章绪论 1 1 研究背景 随着信息技术的飞速发展，从人们的日常生活到社会的管理所有这些事件无 不例外的成为计算机中的数据，人类对以计算机为基础的信息系统的依赖度越来 越高，与之相对应的信息系统安全性成为了信息系统管理者所要面对的最严峻的 问题。2 0 0 2 年的攻击鑫诺卫星事件，2 0 0 7 年的台湾网络间谍案，2 0 0 8 年初的艳 照门事件等等，无不凸现出信息安全无论对国家还是对个人都是极其重要的。 一些与国计民生相关的数据库管理系统，如银行、保险等金融行业，由于存 储数据的重要性，投入了极高的成本来开发系统安全机制。但其它一些部门与单 位所使用的信息系统一般只注重功能的开发，忽略了其安全性方面的投入，使得 信息安全事件频频发生。据公安部统计，我国信息网络安全事件发生比例连续3 年呈上升趋势，2 0 0 7 年已经达到6 5 7 ，较2 0 0 6 年上升1 1 7 【1 】o 针对某一部 门与单位的信息安全事件一旦发生，将会给受害部门与单位造成巨大的损失。 信息安全是信息管理系统的重要组成部分，同时也是计算机应用领域的研究 热点。信息是建立在数据的基础上，作为计算机信息系统核心的数据库管理系统 ( d b m s ) 担负着与信息系统相关数据的存储与处理任务，而成为了信息安全的 主要目标。一些传统的技术，包括物理安全和操作系统安全机制为数据库提供了 一定的安全措施，但这些方法并不能完全保证数据库内信息的安全，特别是些 重要数据的安全【到。 系统信息安全不仅指系统内部数据安全，而且由系统出具的各类报表的防伪 安全也是系统安全的一个重要组成部分。当今各类光学扫描技术日益先进，各类 证书与重要报表的伪造事件层出不穷，面对此类情况国家教育部不得不使用高等 学校毕业生毕业证书在线防伪鉴定系统，以此来方便各部门与单位对毕业生的毕 业证书的真伪进行鉴定。相对于毕业证书的电子防伪，而由各高校出具的其他类 证书、成绩单报表等防伪工作则只能依赖于求证单位与出具单位之间的函调或者 外调的方式，由此为求证单位与出具单位带来了工作上的诸多不便。 为解决上述问题，增强普通关系数据库管理系统的安全性，对通信和数据库 存储的内容实施有效保护，以及保证纸质报表的可靠性，本文讨论并研究引入一 系列新的技术和思路来增强系统的安全，包括：将敏感数据以密文的形式保存在 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 数据库中，在用户身份认证过程中使用u s bk e v 强双因子身份认证技术，在纸质 报表中引入基于q rc 0 d e 的加密防伪报表等。 结合本人的教务管理经验，本文将以高校成绩管理信息系统为例，对信息系 统安全机制进行研究与分析，并将信息安全性扩展到纸制的数据报表。 1 2 研究意义 成绩管理信息系统是整个数字化校园信息系统建设的重要组成部分，是提高 教学管理的质量和效益乃至建设高水平学校的关键环节。它的出现强化了教务管 理的职能，使教学管理工作日益现代化、信息化、规范化、制度化和科学化，并 大大减少了教学管理的手工劳动，提高了教学管理工作的效率，是学校提高管理 水平的得力助手。成绩数据安全事关学校声誉与学生前途，数据一旦出现问题后 果不堪设想，所以相比其他教学管理系统，成绩管理系统的安全性和可靠性更显 重要。 本文以高校成绩管理系统安全性设计为例，研究讨论基于网络的信息系统安 全性问题；并深入对系统产生的数据报表进行安全防伪性研究，保证了数据安全 的完整性。 1 3 研究内容 本文对高校教学管理系统中的重要组成部分成绩管理信息系统的安全性设 计进行讨论研究，它是一个综合了身份认证技术、数据库技术、二维码技术、网 络技术、数据加密与解密技术的信息管理系统。 首先，登录用户的身份认证。系统面向四种类型的用户：管理用户、教师用 户、学生用户、校外成绩验证用户。管理用户、教师用户和学生用户均为校内用 户，一般仅凭用户名+ 口令方式进行身份认证，但考虑到管理用户和教师用户对 系统有修改权限，为保证数据安全，本文考虑采用基于u s bk e y 的强双因子身 份认证方式；对学生用户和校外成绩验证用户来说，只具备查询功能，一般的用 户名+ 口令认证方式即可。 。 其次，系统数据异地备份。s q l s e r v e r 拥有一定的安全机制来保证数据安全， 但当数据服务器遭遇恶意修改、破坏等不可抗力的损坏时，数据库管理系统的安 全机制在此时就无法发挥作用了。数据库的异地镜像备份技术则可以起到保证数 据安全，数据服务不被中断的作用。本文中所讨论的数据复制技术是s q l s e e r 2 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 所提供的一种可以起到异地镜像备份的技术。 再次，数据报表的安全性防伪与认证。系统出具的报表是系统数据的重要组 成部分之一，若系统的纸质报表容易被仿制篡改，则系统数据的安全性同样形同 虚设。本文提出了一种基于q rc o d e 的成绩报表加密防伪设计技术从系统中 提取部分数据字段形成一串信息码，经加密后生成相应的q rc o d e 图像打印在成 绩报表上，成绩报表的验证者通过上传q rc o d e 图像来进行真伪鉴别，该方法能 有效确保系统纸质报表的安全。 1 4 论文的创新点 本文对现有的身份认证、加密算法等技术进行整合应用，来实现成绩管理信 息系统的安全性。 ( 1 ) 在身份认证中使用基于u s bk e y 的强双因子认证，并对用户密钥以及 密码等核心数据在数据库存储中以密文形式存储。 ( 2 ) 在系统中运用s q ls e r v e r 所提供的异地镜像备份技术，并以类c 语言 实现。 ( 3 ) 在纸质报表防伪中引入q rc o d e 技术，并用r s a 加密算法对数据进行 预加密，保证q rc o d e 中包含的数据只被拥有读取权限的系统读取，无法进行 篡改与伪造。 1 5 章节安排 本文以上海师范大学使用的成绩管理系统为例，文中出现的流程图并不是程 序设计中的流程图，只是某个功能实现的过程图。 第一章绪论。本章介绍了本文的设计背景及意义，阐明了论文研究的必要性， 并介绍了研究内容及各章安排。 第二章成绩管理信息系统功能设计。本章介主要介绍了成绩管理系统的体系 结构及基本功能，为第三第四章系统安全设计作铺垫。 第三章信息系统的安全性设计。本章将系统内安全性设计分为两大部分，第 一部分引入基于u s bk e y 的强双因子身份验证方式保证对系统操作的合法性； 第二部分运用s q l 数据复制技术实现数据异地镜像备份，保证了数据整体最大 可能安全及数据服务的连续。 第四章成绩报表的防伪设计。本章是对信息系统报表防伪设计及验证的研 3 上海师范大学硕士研究生学位论文 学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 究。 4 第五章总结与展望。 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 第二章成绩管理信息系统功能设计 计算机信息管理系统多种多样，但信息的唯一介质是数据，因此信息管理系 统的核心是数据库管理系统( d b m s ) ，对信息管理系统的设计其实质是对数据 库的设计。本文以上海师范大学学生成绩管理系统为例，研究和讨论信息管理系 统的安全性设计，本章主要是简单介绍成绩管理系统所采用的体系结构、硬件组 成以及系统功能。 2 1 系统的体系结构设计 随着数字化校园进程的推进，学校信息平台的雏形初现，成绩管理模块不再 是单独为教学管理部门服务的独立系统，而成为了学校信息化平台中一个重要的 子系统。如何与信息化管理平台相融合并且又要做到让管理者与使用者更加方便 高效的应用是此模块体系结构设计上力求做到的。本章先就成绩管理信息系统的 整体体系结构及硬件组成进行了分析，提出了c s 与b s 并用的体系结构；然后 对成绩管理信息系统的各项功能进行详细分析与设计【3 】o 2 1 1c s 与b s 体系结构 目前网络系统的体系结构主要有c s ( c l i e n t s e e r ) 客户机l 月艮务器结构和 b s ( b r o w s e r s e r v e r ) 浏览器服务器结构两种。 c s ( c l i e n t s e e r ) 结构，即客户机和服务器结构。它是软件系统体系结构， 通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到c l i e n t 端和s e e r 端来实现，降低系统的通信开销。 b s ( b r o w s e r ，s e e r ) 结构即浏览器和服务器结构。它是随着i n t e m e t 技术的 兴起，对c s 结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是 通过w w w 浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端( b r o w s e r ) 实现，主要事 务逻辑在服务器端( s e r v e r ) 实现，形成所谓三层3 。t i e r 结构。这样就大大简化了 客户端电脑载荷，减轻了系统维护与升级的成本和工作量，降低了用户的总体成 本( t c o ) 眇】。 c s 架构软件的优势与劣势： ( 1 ) 应用服务器运行数据负荷较轻； ( 2 ) 数据的储存管理功能较为透明： ( 3 ) c s 架构的劣势是高昂的维护成本且投资大。 5 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 b s 架构软件的优势与劣势： ( 1 ) 维护和升级方式简单； ( 2 ) 成本降低，选择更多； ( 3 ) 应用服务器运行数据负荷较重。 2 1 2 成绩管理系统中c s 与b s 结合的体系结构 成绩管理信息系统不仅要用于系统内部成绩录入、修改与分析，还要面向局 域网内学生及非管理人员的访问查询。考虑到系统的安全性及c s 架构和b s 架构 各自的优缺点，本系统把两种架构融合到一起，形成b s 和c s 并存的体系结构。 c s 方式主要面向该系统的关键性应用，如成绩的批量导入、成绩的批量修 改、教师送审成绩确认等。用户一般是各级教务管理人员，如院系的教学秘书、 学校教务处的管理员等。这类用户的特点是使用者数量不多，涉及的操作较为复 杂、对安全性要求高、用户使用的地点较为固定。在此，我们采用c s 的架构实 现，即安装客户端成绩管理软件。 b s 方式主要面对系统中较为广泛的用户，一般为学生和任课教师。这类应 用的特点是使用者数量大、涉及操作简单、使用地点分布广。在此，我们采用 b s 的架构实现，即只需使用标准的w e b 浏览器就可以使用系统提供的功能，不 再需要安装客户端软件。 2 2 系统的硬件系统组成 系统的硬件组成主要有主数据库服务器、主数据库备份服务器、w e b 数据 库服务器以及若干台客户机组成。硬件系统组成的拓扑图如图2 1 所示。 6 上海师范大学硕十研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 数据库备份 图2 一l 硬件系统组成的拓扑图 f i g 2 1t o p o l o g i c a lg r a p ho f h a r d w a r e ( 1 ) 主数据库服务器 此服务器为存放学生成绩数据服务器，经安全连接入校园网，此数据库拥有 访问限制，只对校园网内管理用户开放，对此服务器内的数据进行添加修改删除 均须通过拥有数字签名的客户端系统进行。 但) 主数据库备份服务器 学生成绩数据是学生在校期间最重要的数据之一，因此对学生成绩数据的安 全性控制是此系统模块的首要任务。主数据库的备份服务器在特定时间段内，将 主数据库内的数据通过s q l 的数据同步机制同步到备份数据库中，防止因不可 抗力或服务器硬件问题造成的数据丢失和服务中断的问题( s q l 数据同步机制 的设计实现将在本文的第三章信息系统的安全性设计中完成) 。 ( 3 ) 主数据库磁带备份系统 此系统为防止来自网络的非法修改数据，在一定时问段内启动将数据库各份 存入磁带上，新备份不会覆盖原来备份。若发生非法入侵，磁带上的备份恢复后 可将非法修改数据复原，以最大可能保证成绩数据的安全。 7 查询 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 ( 4 ) w e b 数据库服务器 作为与学校数据平台的接口服务，用于存放与其他部门共享的数据及一些临 时数据，也为学生及校外查询提供数据与服务，减轻主数据库的访问负担，保证 主数据库服务器的安全。 ( 5 ) 校内客户机 为教学管理人员例如教学秘书、各学院主管教学的副院长以及各专业负责人 等所使用的具有校内i p 地址的p c 机，安装有成绩管理系统专用的客户端软件。 从该客户端登录成绩管理系统对学生成绩进行更新、添加或删除操作，都必须将 带有管理人员个人数字签名证书的u s bk e y 插入计算机中，由系统进行身份验 证，以确保修改的合法性。 2 3 成绩系统功能设计 成绩管理系统管理学生在校期间全部学习成绩数据，系统模块还能提供一 系列与教学密切相关的统计和分析功能，并提供数据给学籍管理系统进行毕业资 格审查等。该系统对提高教学管理人员的工作效率，帮助学校管理层评估本校教 学水平与教学质量具有重大作用。 2 3 1 教师对学生的成绩管理 每位教师拥有一个带有自己数字签名证书的u s bk c y ，教师可以通过任意一 台连接互联网的计算机，使用浏览器访问成绩系统的w e b 界面，系统根据每位 教师的p 玳码以及u s bk e y 来验证教师的身份。教师登录后可以获得所有在当 前学期选择过所教授课程的所有学生的信息，并且对这些学生的成绩进行管理 ( 包括平时成绩以及最终成绩) 。由于成绩系统的所有数据来自于学生培养方案 系统，在培养方案中未选择该门课程的学生，教师无法获得他的信息，同时也无 法给该生成绩，避免了错误的发生也保证了公平性。 教师可以在当前所教授这门课程的学期中给与学生平时成绩，并在期末时设 定所给予的平时成绩在最终成绩中所占的权重，系统将结合期末成绩以及平时成 绩给出学生的最终成绩。成绩管理系统提供平时成绩管理功能，能客观反映班级 的平时成绩水平，同时也减轻了教师期末时计算总评成绩的工作。教师在结束当 前学期的教学成绩统计后，可利用自己u s bk e y 中的数字签名证书进行签名验 证后提交，以便学院的教学秘书审核完毕后提交正式成绩数据库。 8 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 2 3 2 教学管理人员对成绩的管理 我校的教学管理人员分为学院方面的教学秘书、专业负责人以及主管教学的 院长，学校方面的教务处工作人员、教学视导员以及高等教育研究人员。在这些 教学管理人员中，只有教学秘书具有对学生成绩的操作权限，其余教学管理人员 均只有统计分析学生成绩的权限。 教学秘书在审核完由教师签名验证并提交的成绩后，使用客户端系统将这些 成绩正式送入成绩数据库中。并在每学期初学校安排的重考成绩公布后，由教学 秘书在规定时间段内对所有参加重考的学生成绩进行修改。对于超过规定的时间 段的成绩修改操作，须向系统管理员书面申请获得修改权限。 2 3 3 学生对自己成绩的管理 在学期成绩上报确认完成以后，学生就可以在成绩报表查询模块中，查询到 自己的成绩和绩点情况。 当学生的不及格门数达到一定的限度，或者平均绩点没有达到合格标准，报 警系统就会给出多种方式的报警信息。比如：当学生登录学生平台时，给出醒目 的提示信息，或者以电子邮件的形式提醒学生。 2 3 4 成绩报表子系统 该子系统可生成包括学生成绩报告单( 每学期期末成绩) 、学生成绩总单( 学 生在校修读期间所有成绩) 、教学班学生成绩统计( 每门课程每个教学班内的学 生成绩汇总，用来统计评估教学方案及教学质量) 、学生学分绩点统计( 用来统 计学生所修读的学分以及获得的绩点) 等需要纸质存档的所有报表。 本文的第四章节将对成绩报表子系统出具的纸质报表进行加密二维码防伪 处理，加强成绩报表的可靠性和防伪性。 9 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 第三章信息系统的安全性设计 现在我校使用的成绩管理系统是“用户名+ 口令单因子静态身份认证方式， 系统中用户名与密码等信息都是作为数据表记录以明码形式存放，若数据库出现 安全危机，可能造成用户信息的泄漏，安全性上存在极大隐患。成绩管理系统中 包含全校学生的学科成绩，若有用户非法窃取用户信息后登录，并恶意修改其中 内容后果将十分严重。本章提出采用基于u s bk c v 的强双因子身份认证方式， 即通过运用c h a 认证协议与存储介质的结合来加强对登录人员身份的控制，从 而确保数据的安全性；同时，引入数据同步机制进行系统异地备份，确保本地端 系统一旦毁损，远地端可以立即上线接手，尽可能地保证数据完整、正确和服务 的连续性。 3 1 单因子认证系统存在的问题 3 1 1 静态单因子身份认证方式 一个基于互联网的管理信息系统，为确保系统的安全运行，使用一种相对可 靠、有效的身份认证方式是设计的关键。 现在我校的成绩管理信息系统采用的是“用户名+ 口令 的登录认证模式， 其安全主要取决于用户密码，实际是一种静态的单因子认证。这种认证，由于采 用明文或标准编码传输敏感验证信息，无法消除网络侦听的安全隐患；而且用户 代码和口令是放在本地数据库中的，一旦数据库文件被他人非法获得，用户代码 和口令将有可能落入非法人员手中，这对于存有大量学生成绩信息的系统而言将 是致命之伤。 3 1 2 动态单因子身份认证方式 动态的单因子身份认证方式，对用户名、口令等敏感信息进行了加密并通过 握手方式进行身份确认，相比静态的身份认证方式更为可靠。c 地廿协议是目前 常用的一种动态单因子身份认证方式，它是通过验证方与被验证方之间的三次信 息交互( 握手) 来验证访问者身份的认证协议。验证方周期性地检验登录和访问 请求，一旦检测到，就生成和发送一个随机数c h a l l e n g e 给被验证者。被验证者据 此生成一单向加密( o n ew a ye n c r y p t i o n ) 的摘要值作为应答( r e s p o n s e ) 传给验证 方，验证方根据收到的r e s p o n s e 来判断用户身份合法性1 6 j 。 图3 1 演示了c m 奸认证过程，其成功认证的前提是验证双方共享同样的秘密 1 0 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 值和单向加密算法( o n ew a ye n c r ) ，p t i o n ，实际就是h a s h 算法) 。实际验证中，服 务器端在发出随机数的同时，会和客户端一道以共享的秘密值和c h a l l e n g e 为因子 计算报文摘要，并把二者计算的结果汇总、比较，若相等，则认可该次访问，反 之予以拒绝。 图3 1c h a p 认证流程图 f 喀3 1c 地廿凡o w c h a n 这种认证的好处在于关键的用户认证信息( 秘密值) 不在网上传输，避免了 网上侦听的威胁。但在服务器端，秘密值的保存和管理却不容易做到既方便又安 全。对信息安全需求较高的系统而言，来自系统内部的帐号信息泄密可能成为更 令人担心的问题。 3 2 基于强双因子身份认证设计原理 根据上一小节对系统的身份认证安全分析可知，系统无论采用静态还是动态 的单因子来保护应用系统，都无法较为有效地确保登录人员的合法性。所以本文 考虑在系统中运用强双因子身份认证，从根本上解决身份认证的安全问题。 3 2 1 强双因子身份认证的基本原理 为了达到安全身份认证的目的，系统采用了c 地心认证协议与存储介质相结 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 合的双因子认证机制，相对单纯依赖密码的认证，风险大大降低，并减少了冒充 登录和伪装访问的可能。c m 墟认证协议能保证整个验证过程用户秘密信息不在 网上传输，消除了对第三方侦听的顾虑；为保证用户信息的安全存储，在服务器 端采用加密算法进行敏感信息加密；密钥放在用户的存储介质中，即使超级用户 也无法获取用户的秘密信息；在验证过程中，引入公钥加密和会话密钥技术，可 圆满解决了用户加密密钥传递的安全性。 3 2 2 强双因子身份认证的认证过程 系统在验证方为每个注册用户生成了一个随机秘密值s ，并采用某种对称加 密算法对其加密存储；同时，加密( 秘密值) 的密钥k 和原始秘密值s 则存于 某种便携安全的存储介质中交给用户保管。这样做一方面源于双因子认证比传统 单因子认证更可靠、安全，另一方面保证敏感帐号信息在客户和服务器两端的存 储都安全。认证过程如图3 2 所示，当服务器检测到用户登录或访问请求时，首 先生成c h a l l e n g e 和一对临时会话密钥( p b ，p v ) ，然后将其中的公钥和c h a l l e n g e 编码后传到客户端【1 】。客户端收到后，从该用户的存储介质中读取原始秘密值 和密钥k ，以秘密值和收到的c h a l l e n g e 为入口参数计算报文摘要w 1 ，用p b 加密k ( 得到p b ( k ) ) ，连同w1 一道传给服务器服务器收到后，首先用会话密钥对 中的私钥p v 解密p b ( k ) ，得到原始加密密钥k ；再用k 解密本地加密存储的秘密值， 还原出s ；并以c h a l l e n g e 和s 为入口参数计算出w 2 ；比较w 1 、w 2 ，若相等，则 认证成功，反之，认证失败【7 j 。 1 2 ( 1 ) 键入认证信r e q u e t ( n a m e 。e t c ) ( 2 ) 基本信息验 息，发送登录、访问 证；产生临时密钥对 请求 c 黥名称c ) ( 4 ) 加密密钥最取 ( 力 ( 3 ) 发送d 巴 出秘密值& 以( ，d 刚为参数生成报文 摘要彬 ( 6 ) 用啤密 ( 巴御，肋 巴得到密钥颤 用胚原出用户秘密 s u c c e e d ( 胛= 肋 值s ( 5 ) 发送巴御，胛 f a ii e d ( 胛 肋 - ( 7 ) 以为 参数计算琶比较 脊| 舷 图3 2 认证过程示意图 上海师范大学硕士研究生学位论文 学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 f l g3 。2c e r t l 士f i c a t l o np r o c e s s 3 3 基于u s bk e y 的强双因子身份认证方式在系统中的应用 目前较为常用的用于身份认证的存储介质是u s bk e y ，它是一种u s b 接口 的小巧的硬件设备，形状与我们常见的u 盘类似。但它内置了c p u 、存储器、 芯片操作系统( c o s ) ，可以存储用户的密钥，利用u s bk e y 内置的密码可实 现对用户身份的认证【8 1 。 3 3 1 基于u s bk e y 的强双因子身份认证过程 运用于本系统的u s bk e y 预先内置m d 5 单向散列算法，并在u s bk e y 和 服务器中存储一个证明用户身份的密钥，当用户请求登录成绩管理信息系统时， 先由客户端向服务器发出一个验证请求，服务器接到此请求后生成一个随机数回 传给客户端p c 上插着的u s bk e y 。u s bk e y 使用该随机数与存储在u s bk e y 中的密钥进行m d 5 运算得到一个运算结果作为认证证据传送给服务器。与此同 时，服务器使用该随机数与存储在服务器数据库中的该客户密钥进行m d 5 运算， 如果服务器的运算结果与客户端传回的响应结果相同，则认为客户端是一个合法 用户，如图3 3 所示。 y = m d 5 ( x ) 认证服务器运算 x 随机数- y 结果 u s bk e y 运算 客户机 图3 3 基于u s bk e y 的强双冈子身份认证过程 f i g3 3c e n i f i c a l i o np r o c e s sb yd o u b l es t r o n gf a c t o r s 图中“x ”代表服务器提供的随机数，“k e v ”代表密钥，“y ”代表随机数 和密钥经过m d 5 运算后的结果。通过网络传输的只有随机数“x ”和运算结果“v ”， 用户密钥“k e v ”既不在网络上传输也不在客户端电脑内存中出现，网络上的黑 客和客户端电脑中的木马程序都无法得到用户的密钥。由于每次认证过程使用的 1 3 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 随机数“x 和运算结果“y 都不一样，即使在网络传输的过程中认证数据被黑 客截获，也无法逆推获得密钥。因此从根本上保证了用户身份无法被仿冒。 在成绩管理信息系统中，任何用户无论通过客户端登录或者浏览器登录，都 必须将其所拥有的u s bk y 插入计算机，在服务器验证客户端是一个合法u s b k e y 后，允许用户登录操作输入其用户名及密码，并将此用户名所拥有的u s b k e v 进行匹配，两者全部通过验证，才据此给予用户权限；当用户对数据进行插 入、更新或者删除操作时，服务器会再次验证u s bk | e y ，验证合法后允许操作。 3 3 2 基于u s bk e y 的强双因子身份认证特点 ( 1 ) u s bk e v 内置c p u ，可以实现加解密和签名的各种算法，加解密运算 在u s bk e v 内进行，保证了密钥不会出现在计算机内存中，从而杜绝了用户密 钥被黑客截取的可能性。同时，它具有安全数据存储空间，可以存储数字证书、 密钥等秘密数据，对该存储空间的读写操作必须通过程序实现，用户无法直接读 取，且用户密钥是不可导出的，有效杜绝了复制用户数字证书或身份信息的可能 性。 ( 2 ) 基于u s bk e v 的强双因子身份认证中，u s b 硬件本身和用户密码构成 了用户使用u s bk e y 的两个必要因素。用户只有同时取得了u s bk e y 和用户密 码，才可以登录系统。即使用户的密码被泄漏，只要用户持有的u s bk c y 不被 盗取，合法用户的身份就不会被仿冒；如果用户的u s bk e y 遗失，拾到者由于 不知道用户密码，也无法仿冒合法用户的身份。 3 4s q l 数据同步 采用基于u s bk e y 的强双因子模式对登录用户进行身份认证的方式大大提 高了系统的安全性，但若用户对u s bk e v 保存不当，系统数据仍然存在被恶意 修改、破坏的风险，所以我们必须对数据本身的安全性进行防护，当数据遭到破 坏后，能尽快进行修复，保证系统的正常使用。 目前应用较为广泛的的两种在线实时复制技术：一是基于文件复制的数据库 文件复制技术( 以下简称文件复制) ，是系统级的复制技术；二是基于数据库事 务的数据复制技术( 以下简称数据复制，文中指m i c r o s o f ts q ls e e r2 0 0 0 的数 据复制) ，是应用级的复制技术【9 ，1 0 1 。 本文以类c 语言来实现基于s q ls e r v e r 快照复制的数据库事务的数据复制 1 4 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 技术，对成绩管理信息系统数据进行异地镜像备份，以提高数据安全性。 3 4 1 数据复制 数据复制是将一组数据从一个数据源拷贝到多个数据源的技术，是将一份数 据发布到多个存储站点上的有效方式。使用复制技术，用户可以将一份数据发布 到多台服务器上，从而使不同的服务器用户都可以在权限许可的范围内共享这份 数据。复制技术可以确保分布在不同地点的数据自动同步更新，从而保证数据的 一致性。数据复制技术是在数据库之间对数据表等相关数据库对象进行复制和分 发，并进行同步以确保其一致性的一组技术。在源数据发生变化的同时产生日志， 数据复制系统将日志传到灾备目的机做同样的数据变动操作，完成数据同步。这 种方式的优点是数据传输量小，对通讯带宽的要求低，容错能力好，源数据库或 数据块破坏时，目的数据不会破坏【1 1 1 2 1 。 3 4 2s q ls e r v e r2 0 数据复制架构 ( 1 ) 复制。它是一套技术，使得多个站点保留相同数据的复本。复制使用发布一订 阅模式分发数据。 ( 2 ) 发布服务器。它是要复制的数据源所在的服务器。发布服务器为每个要作为 复制源使用的表或其它数据库对象定义项目。发布是把要复制的相关数据和 对象组合在一起的简便方法。 ( 3 ) 订阅服务器。它是接收发布服务器复制的数据的服务器。订阅指定订阅服务 器从发布服务器接收发布的时间，并将项目映射到订阅服务器中的表和其它 数据库对象。 ( 4 ) 分发服务器。它是在将项目从发布服务器移动到订阅服务器时，执行各种不 同任务的服务器。 ( 5 ) 事务复制。一般先通过快照复制使订阅服务器与发布服务器同步，然后，当 发布数据被修改时，分发代理捕获事务并将其发送到订阅服务器，得以在订 阅服务器间维护事务完整性口。 1 5 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 对 阅 即 排 堡妻二芟萋支持l 一要求修改订阅数据 和数据仓库i 一。 譬銎翟曼? 婴孽f + 一订阅数据的使用一 基于w 阻的应用j i 一快照代理进程一j 订阅服务器 图3 4s q ls e r v c r2 0 0 0 的数据复制架构 f 绝3 - 4d a t ar e p l i c a t i o nf 咖田【e w o r ko fs o l s e r v e r2 0 0 0 3 4 3 成绩管理系统中所使用的快照复制技术 快照复制是完全按照数据和数据库对象同步时的状态对其进行复制和分发 的过程，通过快照代理和分发代理实现。快照代理创建数据的初始快照，( 初始 快照包括复制所需要的架构和数据、约束、扩展属性、索引、触发器和系统表的 文件) ，并将初始快照文件存储在分发服务器的快照文件夹中，同时在分发数据 库中跟踪同步作业。分发代理将在分发数据库中的快照作业分发到订阅服务器的 订阅数据库。其工作原理如图3 5 所示。快照复制适用于：不经常更改的静态数 据和复制少量数据。其特点是单向复制，订阅高度自治，网络带宽要求高瞳引。 1 6 上海师范大学硕士研究生学位论文 学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 图3 5 快照复制原理结构图 f i g3 5p r i n c i p l eo fs n a p s h o tr e p l i c a t i 本系统中所应用的数据复制，没有采用s q ls e r v e r2 0 0 0 的企业管理器中建 立的数据复制，而是用类c 语言手工编写的代码，以使得应用更加灵活方便。( 源 代码详见附录一) 1 7 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 第四章成绩报表的加密防伪设计 成绩单是一名学生在校学习情况最客观、最直接地反映，用人单位、继续求 学的学校等大都凭此来衡量学生的学习能力和学习质量，所以它的可信性、真伪 性也就更为重要。本章提出了一种基于q rc o d e 的成绩报表加密防伪设计方法， 并对涉及到的相关知识进行简介。 4 1 设计背景 纸制材料的防伪技术是一门交叉边缘学科，涉及光学、化学、物理学、电磁 学、计算机技术、光谱技术、印刷技术、数字印刷技术、包装技术等诸多领域。 常用防伪技术为纸张防伪、油墨防伪、印刷工艺防伪激光全息图像防伪技术等n 3 1 。 现在我校出具的正式成绩报表采用的是纸张防伪技术，空白的成绩报表上印 有“上海师范大学”等底纹图样，由专门的印刷厂负责印刷。采用该方法制作的 成绩报表需要专门印制，成本较高，而且防伪性较低，容易被仿制、伪造。 为此，本文提出了在成绩报表上附加经加密的q rc o d e 图像来进行防伪校验 的方法，即从系统中提取部分学生信息数据字段形成一串信息码，经加密后生成 相应的q rc o d e 图像，并一起打印在成绩报表上；成绩报表的使用者通过将q rc o d e 图像上传至指定网站来获取电子成绩报表，以此与纸质成绩报表比较进行真伪性 鉴别。上述方法制成的成绩报表篡改、伪造的难度增加，通过与服务器端的数据 进行比较防伪性增强；且只要使用普通的纸张打印即可，大大降低了成本。同时， 成绩报表q rc o d e 图像的产生，也使电子成绩报表的形式变为可能，在实际使用 中更灵活、便捷。 4 2q rc o d e 二维条码技术 4 2 1 条码的发展史 条码技术是计算机自动识别的一个分支，其提出的一个重要目标是在运用计 算机进行信息处理时，提高信息自动输入速度，使之与计算机的高速运算能力相 匹配。 早在上个世纪二三十年代，人们就开始了对条码技术的研究。第一个条码诞 生于w e s t i n g h o u s e 的实验室里，而其设计目的是为了对邮政单据实现自动分检， 发明者j o h nk e r m o d e 的想法是在信封上做条码标记，条码中的信息是收信人的地 自e n 4 1 。 1 8 上海师范大学硕士研究生学位论文学生成绩管理系统安全防伪机制分析与设计 k e r m o d e 码所包含的信息量相当的低，并且很难编出十个以上的不同代码。 因此不久后，k e r m o d e 的合作者d o u g l a sy o u n g ，在k e r m o d e 码的基础上作了些改 进设计出了y o u n g 码。y o u n g 码使用更少的条，但是利用条之间空的尺寸变化，就 象今天的u p c 条码符号使用四个不同的条空尺寸。新的条码符号可在同样大小的 空间对一百个不同的地区进行编码，而k e r m o d e 码只能对十个不同的地区进行编 码。 随后条码技术不断发展，1 9 7 3 年美国统一编码委员会u c c ( u n i f o r mc o d e c o u n c i li n c ) 从若干种条码候选方案中，选定以i b m 公司提出的通用产品代码u p c ( u n i v e r s a lp r o d u c tc o d e ) 为美国产品的统一标识符号，从而为条码的推广奠定 了基础n 4 1 。 国外对二维条码技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末，在二维条码符号表示技术 研究方面，己研制出多种码制，常见的有p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k c o d eo n e 等。这些二维条码的密度都比传统的一维条码有了较大的提高，如、j p d f 4 1 7 的信息密度是一维条码c o d e 3 9 的2 0 多倍。 二维条码作为一种全新的信息存储、传递和识别技术，自诞生之日起就得到 了世界上许多国家的关注。美国、德国、日本、墨西哥、埃及、哥伦比亚、巴林、 新加坡、菲律宾、南非、加拿大等国己将二维条码应用于海关、税务等部门对各 类报表和票据的管理，商业、交通运输等部门对商品及货物运输的管理，邮政部 门对邮政包裹的管理，工业生产领域对工业生产线的自动化管理。 4 2 2 条码特点介绍及比较 条型码( b a rc o d e ) 是一种代替键盘向计算机中输入数字与字母的手段n 射。 这一手段只需扫描条码就可以直接将数字与字母输入到计算机中，无需敲击键 盘。宽条与窄条的组配( 二进制级别) 及黑条宽度与其间的白色部分( 空处) 宽 度的组配(