（计算机应用技术专业论文）智能手机环境下的数据安全研究与实现.pdf

硕士论文 智能手机环境下的数据安全研究与实现 摘要 随着计算机技术和通信技术的发展，移动计算被认为是对未来最有重大影响的四 大技术之一( 其余为：网络基础设施，电子商务和软件重用) 。作为移动计算的核心， 嵌入式数据库的安全也越来越被人们关注。数据库加密已经被证明是提高数据库安全 性的有效方式，即使某些用户能潜入信息系统或者通过别的非法途径获取一些加密后 的数据，他也许能看到一些东西，但他看不到任何真实的东西。 本文在对加密算法的研究和分析的基础上，提出了i d e a 算法和r s a 算法相结 合的混合算法：i d e a 算法解决数据加密的问题，而r s a 算法解决密钥分配的问题。 在对数据库加密的研究和分析的基础上，我们实现了数据库内核层加密，这是最好的 一种加密方式。我们能做到这些，仅仅是因为我们选择了s q l i t e 数据库，一个著名 的开源软件，它允许我们进入系统内部来了解数据库是如何工作的，这一点对于我们 完成工作是非常有帮助而且是至关重要的。 最后，本文将数据库加密技术与一个基于智能手机的应用系统相结合，完成了对 嵌入式数据库的加密实现。 关键词：数据库加密，混合加密，嵌入式数据库，s q l i t e a b s t r a e t 硕士论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g y , m o b i l ec o m p u t i n gi s c o n s i d e r e do n eo ft h ef o u rm o s ti n f l u e n t i a lt e c h n o l o g i e sf o rt h ef u t u r e ( t h eo t h e r sa r e n e t w o r k i n f r a s t r u c t u r e ，e c o m m e r c e ，s o f t w a r er e u s e ) a st h eh e a r to fm o b i l e c o m p u t i n g ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sp a i dt ot h es e c u r i t yo fe m b e d d e dd a t a b a s e d a t a b a s ee n c r y p t i o nh a sb e e np r o v e da ne f f e c t i v em e a n so fi m p r o v i n gt h es e c u r i t yo ft h e d a t a b a s e s oe v e ni fs o m eu s e r sc a ns n e a ki n t oi n f o r m a t i o ns y s t e mo rb ys o m eo t h e ri l l e g a l m e a n s ，s t e a ls o m es e c r e t e dd a t a ，m a y b eh ec a ns e es o m e t h i n g ，b u th ec a i l tg e ta n yr e a l t h i n g s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fe n c r y p t i o na l g o r i t h m ，w e c o n s t r u c t e da ne f f e c t i v em i x e dc r y p t o g r a p h y , w h i c hi sc o m p o s e do fi d e aa l g o r i t h m sa n d r s a a l g o r i t h m s ：t h ei d e aa l g o r i t h m ss o l v et h ep r o b l e mo fd a t ae n c r y p t i o n ，a n dt h er s a a l g o r i t h m ss o l v et h ep r o b l e mo fk e yd i s t r i b u t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so f d a t b a s ee n c r y p t i o n ，w ei m p l e m e n tt h ee n c r y p t i o no ft h ec o r eo fd a t a b a s e ，w h i c hi st h eb e s t m e t h o do fd a t a b a s ee n c r y p t i o n w ec a nd ot h i so n l yb e c a s ew ec h o i c et h ee m b e d d e d d a t a b a s e s q l i t e ，af a m o u so p e ns o u r c es o f t w a r e i ta l l o w su st oe n t e rt h es y s t e mt ok n o w h o wt h ed a t a b a s e t h i sp o i n ti sv e r yh e l p f u la n ds oi m p o r t a n tt h a tw ec a nc o m l i s ho u r w o r k f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o nc o m b i n e dt h ed a t a b a s ee n c r y p t i o nt e c h n i q u e sw i t ha p p l i c a t i o n s y s t e mb a s e do ns m a r tp h o n e s c o m p l i s h e da ne m b e d e dd a t a b a s ee n c r y p t i o n k e y w o r d s ：d a t a b a s ee n c r y p t i o n ，m i x e dc r y p t o g r a p h y ，e m b e d d e dd a t a b a s e ，s q l i t e i i 图表目录硕士论文 v i 图表目录 2 3 1s y m b i a n 与w i n d o w sm o b i l e 的对比7 2 4 1 分层安全模型8 3 4 2 1 三种开源嵌入式数据库的比较1 6 3 5 1 s q l i t e 测试结果表1 7 3 5 2b e r k e l e yd b 测试结果1 7 3 5 2 1 插入记录性能对比1 8 3 5 3 1 查询记录性能对比1 8 3 5 4 1 更新记录性能对比1 9 3 5 5 1 删除记录性能对比1 9 3 5 6 1 截除表性能对比2 0 4 3 2 1 数据库外层加密2 3 4 3 3 1 数据库内核加密2 4 4 5 1 1i d e a 算法流程图2 6 5 1 1 s q l i t e 体系结构3 1 5 4 2 1s q l i t e 插入数据有无事务处理性能比较3 9 6 1 1 应用系统主界面4 4 6 3 1 客户端设备身份认证表4 5 6 3 2 加密传输流程图4 6表图表表表图图图图图图图图图表图表图 声明尸i ! j 了 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年 月 日 硕士论文智能手机环境下的数据安全研究与实现 1 绪论 1 1 选题背景 随着信息技术和通讯技术的快速发展和互相渗透，智能手机作为通讯工具与智能 终端相融合的产物，开始在移动计算领域发挥着越来越大的作用，各种基于智能手机 的移动解决方案层出不穷：移动警务系统、移动税务系统、移动办公系统、电力巡检 移动系统等等，而即将到来的3 g 时代，更是为基于智能手机的移动计算描绘了一幅 美好的前景。 i d c 最新发布的关于企业移动办公的研究表明在亚太区范围内企业移动办公的 开展方兴未艾。根据i d c 对亚太地区l o 个国家和地区的调查，企业在移动方面的花 费在2 0 0 5 年已经达到1 3 5 亿美元，到2 0 1 0 年将达到2 5 0 亿美元。i d c 指出，亚太区 的企业再次证实了使用企业移动办公解决方案来提高业务效率和生产力的可行性n 】。 就在各行各业移动计算全面提速之际，一个严峻的问题出现在我们面前：较之传 统计算环境，移动计算环境下嵌入式数据库安全面临着更多的风险和挑战：首先，传 统数据库需要面对的各种安全问题对于嵌入式数据库依然存在，是一道无法绕过去的 坎，例如黑客的攻击、内部人员包括d b a 对数据的越权访问等等；其次，由于终端 设备的移动性、便携性和非固定工作环境带来的诸如碰撞、磁场干扰、遗失、盗窃等 潜在不安全因素，也始终在威胁数据安全；第三，串行通信、t c p i p 、红外传输、蓝 牙等多种连接方式也在考验着数据安全；第四，由于移动终端设备资源及运算能力有 限，在加密解密的选择上，需要更好地在安全性和运算能力之间求得最佳解。 只有解决了嵌入式数据库的安全问题，移动计算才能走上一条康庄大道。 移动计算环境下的数据安全研究，已经成为计算移动化的重中之重。 1 2 国内外研究现状 随着移动运算市场的迅猛崛起，各大数据库厂商也纷纷加入到嵌入式数据库的行 列中来：s y b a s e 公司将嵌入式数据库和移动计算业务打包成一个全资子公司 i a n y w h e r e 独立运作；o r a c l e 在发布了8 il i t e 、9 il i t e 、1 0 9l i t e 后，又一举收购了以 生产b e k e l e yd b 而闻名的开源嵌入式数据库厂商s l e e p c a t ，形成了一条以1 0 9l i t e 、 b e k e l e yd b 、o r a c l et i m e s t e n 为主打的产品线，雄心可见一斑；i b m 的d b 2e v e r y p l a c e 也已更新到最新的9 5 版：微软也不甘寂寞，从s q ls e r v e rc e 到s q l s e r v e rm o b i l e ， 凭借着自己在操作系统和开发平台的优势频频出击。 在实现嵌入式数据库“更小更灵活的目标的同时，各大数据库厂家也没有忘记 l 绪论硕： 论文 将安全性一直到嵌入式数据库上来，其中s y b a s e 和o r a l c e 的嵌入式数据库产品还都 通过了美国国家标准和技术委员会( n i s ) 针对密码模块安全需求制定的美国联邦信 息处理标准f i p sp u b l i c a t i o n1 4 0 2 ，该标准目前已被国际标准组织( i s o ) 采用，编 号为i s o i e c1 9 7 9 0 ，它主要提供了密码模块评测、验证和最终认证的基础。 o r a c l e 是通过d b m sc r t p t o 包来实现对数据的加密。d b m sc r t p t o 支持 d e s 、双密钥的3 d e s 、采用三个大小不同密钥的a e s 和r c 4 等对称算法，理由是 对称算法在性能和效率上的优势，但这也将不可避免地带来了密钥管理的问题；在密 钥方面，d b m sc r t p t o 接受r a w 类型密钥，密钥大小可以从d e s 使用8 字节到 a e s 2 5 6 使用的3 2 字节不等，而r c 4 算法可以使用任意大小的密钥。当用户访问数 据时，工具包通过函数e n c a r p t d a t a 和 供透明的访问方式，首先检查用户的合法性，然后产生密钥，选择加密数据并解密， 最后把结果集返回给用户【2 】。 i b m 则是把加密作为一种系统权限，在d b 2e v e r y p l a c e 加以严格管理。在创建 一张加密表之前，用户必须被授予加密的特权。在对用户执行了授权指令后，一个名 为d b 2 e s y s u s e r s 的系统目录表被建立起来，和一行记录将插入到本表，这张表被紧紧 绑定到数据库和数据加密上。之后，用户可以使用“w i t he n c r y p t i o n ”选项创 建加密表，所有得到合法授权的用户对于数据库的操作都是透明的1 3 。 微软的s q ls e r v e rc e 使用了1 2 8 位加密的密码来保护本地数据库的安全，它在 特定的提供者的d b p r o ps s c ed b p a s s w o r d 属性中，每次打开数据库都要使用 到该密码。s q ls e r v e rc e 还在客户端与服务器端之间的通讯中采用了安全超文本传 输协议( h t t p s ) 来增加数据的安全性。但更多时候，微软还是发挥了w i n d o w sm o i b l e 与s q l s e r v e rc e 紧密集成的优势，通过操作系统身份认证的方式要确保数据的安全。 目前，国内数据库厂商从事嵌入式数据库研究的比较少，主要有人大金仓“小精 灵”、东软“o p e n b a s e m i n i ”，但相关资料都比较缺乏，所以有关国产嵌入式数据库 的现状现状也无从得知。但随着车载电脑、p d a 、智能手机等移动终端的大量投入使 用，嵌入式数据库的应用前景非常可观。嵌入式数据库完全有可能成为国产数据库后 来居上的契机，其发展思路可以以国家对于l i n u x 发展和研究为蓝本。 1 3 论文主要工作 本文研究的内容包括： 1 、对智能手机平台进行对比分析，筛选出系统平台，主要是分析选择合适的智 能手机的操作系统。 2 、对嵌入式数据库的特性、关键技术进行研究，并在此基础上，对主流的嵌入 式数据库进行性能对比分析，选择了s q l i t e ；并就如何在智能手机环境下优化s q l i t e 2 硕士论文 智能手机环境下的数据安全研究与实现 性能作了研究。 3 、对加密算法进行了研究，在充分考虑到移动终端运算能力有限这一前提下， 兼顾加密效率和运算能力，选择了i d e a 对称算法和r s a 公钥算法相结合的混合密 码系统。 1 4 本文的结构安排 本文共分为七章，各章节内容安排如下： 第一章绪论，介绍选题背景、国内外研究情况、论文主要工作、论文章节安排。 第二章智能手机平台，介绍主要的智能手机操作系统，阐述了项目选择微软 w i n d o w sm o b i l e 系统的理由。 第三章嵌入式数据库，介绍了嵌入式数据库的技术特点、所需要解决的关键技 术，对当前主流的嵌入式数据库b e r k e l e yd b 和s q l i t e 进行了性能的对比分析，完 成一些测试实验，以帮助我们选择合适的数据库平台。 第四章数据库加密，研究和分析数据库加密的方式、粒度，经典的加密算法， 并在此基础上提出了i d e a 和r s a 相结合的混合加密算法。 第五章s q l i t e 分析及优化，从数据库加密的需要出发，研究和分析了s q l i t e 的体系结构及其重要组成部分虚拟数据库引擎v d b e ，在此基础上提出了数据库存储 层加密的思路；最后考虑到加密对数据库性能造成的衰减，就s q l i t e 的性能优化作 了一些研究。 第六章嵌入式数据库的加密实现，介绍了一个基于智能手机的人力资源管理系 统的实现，重点研究了嵌入式数据库系统在该应用中的实现。 第七章总结与展望 最后为致谢、参考文献及附录。 2 智能手机系统硕士论文 2 智能手机系统 移动计算是随着移动通信、互联网、数据库、分布式计算等技术的发展而兴起的 一种新型技术，被认为是对未来最有影响的四大技术方向之一( 其余为：网络基础设 施，电子商务和软件重用) 4 1o 智能手机以其一专多能的形象出现，在这场移动终端 竞赛中毫无悬念地拔得头筹，集各项功能之大成，成为移动计算当仁不让的主力军。 本章首先就智能手机及其操作系统的现状进行介绍，然后对智能手机的操作系统 进行对比分析，最后论述项目硬件平台选定基于微软w i n d o w sm o b i l e 操作系统的理 由。 2 1 智能手机概述 所谓智能手机，说得通俗一些，就是“掌上电脑+ 手机”；而严格意义上的智能 手机是指使用开放式操作系统、第三方可根据操作系统提供的应用编程接口为手机开 发各种扩展应用和提供各种扩展硬件。这种手机除了具备普通手机的通话功能外，还 具备了p d a 的大部分功能，特别是多媒体功能、个人信息管理以及基于无线数据通 信的浏览器和电子邮件功能1 5 j 。 业界通常将是否具有开放性的操作系统和是否支持第三方应用软件来拓展手机 功能作为区分智能手机与普通手机两大标准。 一部真正意义的智能手机必须具备以下几个条件： 1 、具备普通手机的全部功能，能够进行正常的通话，发短信等手机应用。 2 、具备无线接入互联网的能力，即需要支持g s m 网络下的g p r s 或者c d m a 网络下的c d m a1 x 或者3 g 网络。 3 、具备p d a 的功能，包括p i m ( 个人信息管理) ，日程记事，任务安排，多媒 体应用，浏览网页。 4 、具备一个开放性的操作系统，在这个操作系统平台上，可以安装更多的应用 程序，或支持第三方的应用软件开发，从而可以扩充智能手机的功能。 2 2 智能手机操作系统现状 智能手机的核心价值在于它的操作系统，目前市场上主流的智能手机操作系统共 有四种，它们分别是：s y m b i a n 操作系统、w i n d o w sm o b i l e 操作系统、l i n u x 操作系 统、p a l m 操作系统。 4 硕十论文 智能手机环境下的数据安全研究与实现 2 2 1s y m b i a n 操作系统 s y m b i a n 操作系统在智能移动终端上拥有强大的应用程序以及通信能力，这都要 归功于它有一个非常健全的核心：强大的对象导向系统、企业用标准通信传输协议及 完美的s u nj a v a 语言。s y m b i a n 认为无线通讯装置除了要提供声音沟通的功能以外， 同时也应具有其它沟通方式，如触笔、键盘等。在硬件设计上，它可以提供许多不同 风格的外型，像使用真实或虚拟的键盘，在软件功能上可以容纳许多功能，包括和他 人互相分享信息、浏览网页、传输、接收电子信件、传真以及个人生活行程管理等【5 1 。 s y m b i a n 分三个平台，一个是适于单手操作的$ 6 0 ，一个是双手操作的$ 8 0 ，还 有一个以笔操作为主的平台u i q 。 2 2 2w i n d o w sm o b i l e 操作系统 w i n d o w sm o b i l e 是微软公司专为智能移动终端设备推出的“移动版w i n d o w s ， 它将用户熟悉的桌面w i n d o w s 体验扩展到了移动设备上，所以基于w i n d o w sm o b i l e 操作系统的智能终端设备给人的感觉更像一部个人电脑，有着非常强大的信息处理能 力【5 1 。 在网络通讯方面，集成了m o b i l eo u t l o o k 、i n t e m e te x p l o r e rm o b i l e 、w i n d o w s l i v e ，其中w i n d o w sl i v e 更是一举囊括了w i n d o w sl i v em e s s e n g e r 、w i n d o w sl i v e e m a i l 、w i n d o w sl i v es p a c e s 、w i n d o w sl i v es e a r c h 等四大功能；多媒体方面内建有 m e d i ap l a y e r ；移动办公方面推出了功能强大m o b i l eo f f i c e 套件，有w o r d 、e x c e l 、 p o w e r p o i n t 、o n e n o t e ，新版的m o b i l eo f f i c e 还完全兼容o f f i c e 2 0 0 7 6 1 。此外，w i n d o w s m o b i l e6 0 以上版本还提供了一个“加密”的功能：该功能在启用后，只有当前设备 在未硬启的情况下( 硬启相当于重新安装w i n d o w sm o b i l e 系统) ，才能读取经过加密 的数据；也就是实现了加密数据与当前设备的绑定。这给了本文作者一些启发。 由于与桌面w i n d o w s 有着与生俱来的血缘关系，许多第三方软件开发商也将它 们的产品移植到了w i n d o w sm o b i l e 上，这使得w i n d o w sm o b i l e 上的应用更丰富多彩； 与此同时，w i n d o w sm o b i l e 也存在一些先天性的痼疾：对硬件配置要求比较高；对 通讯的支持较s y m b i a n 系统要弱一些；在桌面w i n d o w s 泛滥的病毒现在也已开始侵 入w i n d o w sm o b i l e 。 w i n d o w sm o b i l e 一共包括p o c k e tp c 、s m a r t p h o n e 以及p o c k e tp cp h o n e 三大平 台体系。 2 2 3l i n u x 操作系统 近年来，l i n u x 凭借其自由、免费、开放源代码的优势，经过来自互联网、遍布 全球的程序员的努力，再加上i b m 、s u n 等计算机巨头的支持，l i n u x 在手机操作系 2 智能手机系统硕士论文 统市场中异军突起1 5 l 。 正是由于l i n u x 具有以下优势，使得它有望后来居上：一是有利于降低智能手机 的生产成本；二是允许手机制造商根据实际情况，有针对性地开发适合自己手机的 l i n u x 操作系统，这样既能让自己的产品有特色，又能避免受制于人；三是应用开发 人才资源丰富。 但在现阶段，l i n u x 系统的最大缺点是市场占有率不高，市面上可用选择的产品 较少，这一情况在我国的智能手机市场中尤为突出。 2 2 4p a l m 操作系统 p a l mo s 是p a l m 公司的是一种3 2 位的嵌入式操作系统，它的操作界面采用触控 式，差不多所有的控制选项都排列在屏幕上，使用触控笔便可进行所有操作1 5 1 。 p a l mo s 的最大优点就是简单易用，占用系统资少。硬件价格低廉、功能比较简 单一，缺乏多媒体支持，在中国销售的产品有相当部分依然是以英文界面为主，仍然 要使用中文外挂平台，。 p a l m 平台的产品目前在国内市场占有率最低。 2 3 智能手机操作系统的对比分析及w i n d o w sm o b i l e 的优势 基于选购硬件的考虑，我们对于智能手机的选择主要集中在s y m b i a n 和w i n d o w s m o b i l e 中进行。表2 3 1 给出了s y m b i a n 与w i n d o w sm o b i l e 的对比。 表2 3 1s y m b i a n 与w i n d o w sm o b i l e 的对比 6 项目 s y m b i a n w i n d o w sm o b i l e 硬件配置要求较低较高 通讯质量较高较低 底层控制( 关机闹铃、 支持不支持 自动开机) 多媒体支持较弱较强 手写支持较弱较强 用户界面友好性较弱较强 开发语言及环境选择较少选择较多 版本之间兼容性较差较好 从表2 3 1 我们不难理出这两种智能操作系统的发展脉络和各自的优势：s y m b i a n 硕士论文 智能手机环境下的数据安伞研究与实现 作为传统手机业巨头合作的结晶，它体现出从通讯工具向智能终端转变的特点：通讯 质量突出，这是它作为手机软件的强项) ；对硬件要求低，这既是优点，也是不足； w i n d o w sm o b i l e 则反其道而行之，它走的是从智能终端( 或者叫p d a ) 到集成通讯 功能的道路，所以它的特点与s y m b i a n 迥异：通讯质量一般，对硬件配置要求也较高， 但功能强大，可扩充性强，与p c 的互操作性强，用户界面对于p c 用户更具亲和性。 由于本论文需要在智能手机上进行项目开发，就不能不从用户和开发者两个角度 进行考虑：就用户而言，考量的因素主要有两个，一是效率，也就是能不能用它解决 工作中的问题，二是可操作性，也就是能不能很快地培训工作人员，掌握软件的操作。 在这个环节，我们可以很容易地得出结论，w i n d o w sm o b i l e 占优。下面再来看看开 发人员，考量的因素同样有两个：一是计算能力是否能支撑起应用；二是开发环境是 否能满足不同开发人员的要求。同样，w i n d o w sm o b i l e 再次胜出。 基于上述情况，选择w i n d o w sm o b i l e 作为本项目的操作系统平台。 2 4 移动设备面临的风险及w i n d o w sm o b il e 的应对之策 首先来熟悉一个分层安全模型口3 。 图2 4 1 分层安全模型 最外层是“策略、管理和通告层，对于了用户教育，这一层是所有其他安全层 面的基础。毕竟，大部分的安全事件的主体是人，安全风险是由人造成的，光靠技术 手段并不能避免所有的安全风险。 第二层是“物理安全层”。如果没有物理安全，也就不存在了逻辑安全。如果破 坏者能接触到硬件设备，那么他的行为就非常难以限制。 然后是各个逻辑层面。首先是“周边 ，网络周边一向是防范的重点，通过防火 7 2 智能手机系统硕：卜论文 墙、v p n 、无线加密等技术保证有权用户的访问和防止攻击已经是非常成熟的做法。 在此之上是“内部网络”层面，使用网络隔离、i p s e c 加密和入侵检测等安全措 施。 往上是“主机”层面，操作系统的安全决定了运行于其上的应用程序的安全。 再往上是“应用程序”层面，应用程序往往是服务的提供者，其安全性至关重要。 最上面是最重要的“数据 层面。对于使用者而言，数据是最有价值、最重要的 东西，可以使用加密等手段保证数据安全。 由于w i n d o w sm o b i l e 也是一个完整的操作系统，也工作在于台式机和笔记本电 脑系统的环境中，所以也存在上述安全问题。而且，由于移动设备的高度集中性，多 个安全层面的问题被集中在一台小小的设备上，安全形势更为严峻。 w i n d o w sm o b i l e 为了应对复杂的安全挑战，采取了以下应对之策： ( 1 ) 通过控制移动设备的使用，来保护企业架构。 ( 2 )用户访问控制。通过密码、老牌、生物学搜端、智能卡、证书来识别用 户，然后通过r a i d i u s 、m i c r o s o t l 活动目录、m i c r o s o f tn t 验证、l d a p 、p k i 等技 术来验证用户的识别，从而确保访问用户被分配了合适的权限。 ( 3 ) 设备的访问控制。通过8 0 2 1 x 及计算机证书等手段确保设备的有效性。 通过检查设备的补丁情况、防病毒情况、访问加密设置情况、防火墙情况等来确保接 入的设备安全状况。 ( 4 )为无线网络启用w e p 加密。 ( 5 )使用v p n 超越互联网，建立起安全的隧道连接。 ( 6 )使用i p s e c ，保证数据保本身的安全性和有效性。 ( 7 ) 使用s s l 保证客户端连接的安全性和有效性。 ( 8 ) 在设备上设置p i n 密码。 8 硕士论文 智能手机环境下的数据安全研究与实现 3 嵌入式数据库 从发展过程来看，数据库技术与计算环境基本保持着一种同步发展的态势，互相 影响、互相促进。计算环境先后经历了主机系统、c s 系统、b s 系统等发展阶段； 相应地，数据库技术也出现了集中式数据库系统、分布式数据库系统、数据库应用服 务器系统：伴随着移动计算而来的是嵌入式数据库系统。 移动计算作为一种新型的技术8 1 9 1 1 0 1 ，其概念是对任何时间、任何地点的立即 通讯”的扩展。在分布式计算的基础上，计算环境进一步扩展为包含各种移动设备、 具有无线通信能力的服务网络，构成了一个新的计算环境，即移动计算环境。其作用 在于，将准确有效的信息及时地与中央信息系统相互作用，分担中央信息系统的计算 压力，使信息能提供给在任何时间、任何地点需要它的任何用户。 由此可知，移动计算的核心竞争力在于对信息，也就是数据处理；离开了对数据 的处理，移动计算就变得毫无意义。因此，可以毫不夸张地说，嵌入式数据库就是移 动计算的生命。 3 1 嵌入式数据库定义 一般说来，嵌入式数据库可以从体系结构方面来定义【l l 】：嵌入式数据库系统是指 支持移动计算或某种特定计算模式的数据库管理系统，它通常与操作系统和具体应用 集成在一起，运行在智能型嵌入式设备或移动设备上。由于嵌入式数据库总是与移动 计算相结合，所以嵌入数据库通常也称为嵌入式移动数据库。 3 2 嵌入式数据库的特点 由于嵌入式数据库是运行在移动环境之下，应用于嵌入式系统之中，其计算环境 比传统计算环境更为复杂、灵活和苛刻。计算平台的移动性、连接的频繁断接性、网 络条件的多样性、网络通讯的非对称性、系统的高伸缩性和低可靠性以及电源能力的 有限性等因素都对嵌入式数据库的性能提出了相当高的要求，也使得嵌入式数据库成 为实时数据库、内存数据库和主动数据库技术的集大成者，具备以下特性【1 2 】【1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 微内核结构 嵌入式设备的资源有限，嵌入式数据库应采用微型化技术实现，可在满足应用的 前提下，紧缩其系统结构以满足嵌入式应用的需求。 ( 2 ) 事务处理功能 具有事务处理能力，可自动维护事务的完整性、原子性等特性；支持实体完整性 和引用完整性。 9 3 嵌入式数据库 硕士论文 ( 3 ) 数据同步机制 数据同步是嵌入式数据库最重要的特点。通过灵活的数据复制( 上载同步、下载 同步和完全同步) ，可以将嵌入式数据库或主数据库的变化情况应用到对方，以保证 数据的一致性。此外，还应支持增量同步、主动同步、异构数据源同步，并针对同步 中可能出现的一些问题，具有完善的冲突检测机制、灵活的冲突解决方案和冲突日志 功能。 ( 4 ) 支持多种连接协议 鉴于移动设备接入的多样性，嵌入式数据库应支持串行通信、t c p i p 、红外传输、 蓝牙等多种连接方式，实现嵌入式设备和数据库服务器的连接。 ( 5 ) 跨平台性 为了不受移动终端的限制，嵌入式数据库应支持多种嵌入式操作系统，如 w i n d o w sc e 、s y m b i a n 、l i n u x 、p a l m 等。 ( 6 ) 安全机制 在应用系统，移动终端往往是关键设备，因此嵌入式数据库对存取权限的控制要 求也很高。同时，嵌入式设备的移动性、便携性和非固定的工作环境也给数据安全带 来诸多安全隐患，如碰撞、磁场干扰、遗失、盗窃等。 嵌入式数据库安全加密也正是本文需要重点讨论的内容，主要措施有：第一，对 移动终端进行认证，防止非法终端的欺骗性接入；第二，对无线通信进行加密，防 止数据信息泄漏；第三，对下载的数据副本加密存储，以防移动终端物理丢失后的数 据泄密。 3 3 嵌入式数据库的关键技术 嵌入式数据库的研究，有以下关键技术需要加以解决【1 2 】： ( 1 ) 微内核嵌入式数据库研究 考虑到嵌入式设备在计算、存储、能源等方面的资源有限，嵌入式数据库应采用 微内核技术实现，在满足嵌入式应用的前提下紧缩其系统结构以满足嵌入式应用的需 求。微内核数据库必须能满足在1 m 内存以内系统中运行的需求。 ( 2 ) 内存数据库技术研究 与基于磁盘文件的传统系统不同，需要为内存数据库研究特有的索引结构和查询 优化算法。将数据保存到内存中以后，索引模式的目标是减少c p u 开销而非磁盘i o 开销。需要研究特殊的的内存数据库索引，并开发适应的开销评估和查询优化算法， 以达到内存数据管理的目标：减低空间要求、消除磁盘i o 以及简化算法、代码路 径和内存使用量。 ( 3 ) 嵌入式数据库事务管理技术研究 1 0 硕士论文智能手机环境下的数据安全研究与实现 嵌入式数据库的日志可以记录在非易失型存储器中，也可以记录在内存中。这样 事务并非完全满足传统数据库的a c i d 特性。为此，需要在事务管理上研究特有的管 理算法，包括事务的分组提交、模糊匹配检查点、实现数据库在性能和可用性方面的 平衡。 ( 4 ) 嵌入式数据库安全技术研究 嵌入式设备是系统中业务处理的关键设备，因此对于数据安全的要求很高。同时， 许多嵌入式设备具有较高的移动性、便携性和非固定的工作环境，其用户本身又非有 经验的数据库安全管理人员。这都对数据库带来潜在的不安全因素。嵌入式数据库某 些数据( 如个人金融信息) 的个人隐私性又很高，为此在防止非授权数据访问、设备 丢失或盗窃、黑客攻击等对数据安全威胁上需要提供充分的安全性保证。 ( 5 ) 自动化管理技术研究 考虑嵌入式系统终端的用户主要为普通消费者，并不熟悉数据管理技能。嵌入式 数据库的管理满足自主性的要求，即：无需数据库管理员人工干预即可进行数据库管 理、自我备份、自我恢复、自动化配置。嵌入式数据库系统应具有自动恢复功能，保 证用户数据的安全可靠，实现无人值守的运行。 ( 6 ) 数据高速缓存技术研究 作为一个微内核数据库，嵌入式数据库本身数据管理的能力有限。因此应该研究 嵌入式数据库与后台数据库的集成和缓存技术，嵌入式应用与嵌入式数据库相连接， 嵌入式数据库维护一个后台数据库的高速缓存，并能够把自身不能满足的数据请求透 明地转交给后台数据库的处理。 对于车载设备和移动通信终端中的嵌入式数据库，其与后台数据库的连接重要是 通过无线连接，具有带宽低、延迟高、稳定性差等特点。为此，需要研究专门的缓存 管理与更新策略。 ( 7 ) 数据复制技术研究 嵌入式移动数据库提供数据同步机制，支持移动设备与中心数据库服务器之间的 双向数据同步。 ( 8 ) 非结构化数据处理技术 嵌入式数据库处理的数据不仅仅限于传统的结构化的关系数据，也包括大量的半 结构化和非结构化的数据。娱乐和定位导航是移动通信终端和车载智能终端的两项主 要应用。对于电子娱乐设备，需要管理语音、图像等媒体数据。对于车载设备中的嵌 入式数据库，汽车车辆定位、导航、调度、交通信息等方面的数据包含大量的空间地 理数据。为此，需要研究对于媒体信息基于内存的内容检索和索引技术，以及对于基 于内存的空间数据的索引和空间检索技术。 ( 9 ) 嵌入式应用环境关键技术研究 3 嵌入式数据库 硕士论文 针对移动通信终端和车载智能终端的嵌入式应用，由于其运行环境在振动、温度、 湿度、电磁辐射等方面比较复杂和恶劣，需要研究针对性的可靠性保障技术。 3 4 嵌入式数据库的主流产品 目前，市面上主流的嵌入式数据库主要可以分为两大阵营：商业嵌入式数据库和 开源嵌入式数据库。 3 4 1 商业嵌入式数据库 商业嵌入式数据库的代表有s y b a s ei a n y w h e r e 、o r a c l el i t e 、i b md b 2e v e r y p l a c e 、 m i c r o s o f ts q ls e r v e rm o b i l e 等等。 ( 1 ) s y b a s e 公司s y b a s ei a n y w h e r e 是一款优秀的嵌入式数据库，目前市场占有 率最高。 i a n y w h e r e 最令人称赞的就是它的复制技术m o b i l i n k 。m o b i l i n k 是一种基于 会话的技术，用来在中心统一数据库和大量远程数据库间进行双向数据复制。它支持 多种统一数据库服务器，其中包括非s y b a s e 数据库，远程站点的管理和资源要求已 降到了最低限度，因此，它非常适于各种移动数据库。每个同步会话结束后，这些数 据库就会保持一致。 m o b i l i n k 具有以下特点：支持大量远程数据库、不定时连接、同步调度灵活、 低到中等容量、支持异构数据库。m o b i l i n k 在数据传输的过程中还使用了用户授权、 数据压缩加密等技术手段来保证数据在传输过程中的安全性【1 5 1 。 ( 2 ) d b 2e v e r y w h e r e 是i b m 公司推出的嵌入式数据库系统。它可以运行在包括 p a l mo s ，s y m b i a no s ，p o c k e tp c ，q n x 软件系统和嵌入式l i n u x 在内的许多平台 上。 对于i b m 的客户来说，d b 2e v e r y p l a c e 非常好地整合了其他i b m 企业组件( 例 如，d b 2u n i v e r s a ld a t a b a s e 和w e b s p h e r em qe v e r y p l a c e ) 和i b m 开发工具( 例如， i b mw e b s p h e r es t u d i od e v i c ed e v e l o p e r ) 。使用一个附带的名叫m o b i l ea p p l i c a t i o n b u i l d e r 的工具，d b 2e v e r y p l a c e 允许开发者可视化地创建d b 2e v e r y p l a c e 应用程序。 ( 3 ) o r a c l e 则推出了o r a c l el i t e ，o r a c l el i t es u i t e 包括一个移动开发工具m o b i l e d e v e l o p m e n tk i t ，它能够根据用户自定义需求自动生成和打包移动数据库应用程序。 o r a c l el i t e 支持任何基于t c p i p 的网络上的同步，包括h t t p ，c d p d ( 单元数字包 数据c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) ，8 0 2 1 1 b 无线局域网。 ( 4 ) m i c r o s o f t 也有s q ls e r v e rf o rw i n d o w sc e 产品，可以运行于w i n d o w sc e 之上，并且与桌面计算机上的s q ls e r v e r 2 0 0 0 2 0 0 5 等版本保持兼容。 考虑到商业嵌入式数据库在加密时比较受限于原厂，以及使用中不菲的授权费 1 2 硕上论文智能手机环境下的数据安伞研究与实现 用，所以在本文中未做考虑。 3 4 2 开源嵌入式数据库 在开源嵌入式数据库中，比较有影响力的有b e r k e l e yd b 、f i r e b i r d 、s q l i t e 。 ( 1 ) b e r k e l e yd b 在数据库应用时，有时我们需要的可能仅仅只是一个简单的基于磁盘文件的数据 库系统。b e r k e l e yd b 正是基于这样的思想提出来的1 6 1 3 7 】【3 引。 b e r k e l e yd b 只需要调用一些简单的a p i 就可以完成对数据的访问和管理。在 b e r k e l e yd b 中并没有服务器的概念：应用程序不需要事先同数据库服务建立起网络 连接，而是通过内嵌在程序中的b e r k e l e yd b 函数库来完成对数据的保存、查询、修 改和删除等操作。 所有同数据库相关的操作都由b e r k e l e yd b 函数库负责统一完成。这样无论是系 统中的多个进程，或者是相同进程中的多个线程，都可以在同一时间调用访问数据库 的函数。而底层的数据加锁、事务日志和存储管理等都在b e r k e l e yd b 函数库中实现。 它们对应用程序来讲是完全透明的。俗话说：“麻雀虽小五脏俱全。”b e r k e l e yd b 函 数库本身虽然只有3 0 0 k b 左右，但却能够用来管理多达2 5 6 t b 的数据，并且在许多 方面的性能还能够同商业级的数据库系统相抗衡。就拿对数据的并发