[论文解读] XML Data Integrity Based on Concatenated Hash Function

Baolong Liu, Joan Lu+1 more|ArXiv.org|Jun 20, 2009

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一句话总结

本文提出了一种名为CSR（内容、结构和引用完整性）的新型XML数据完整性模型，通过保护数据内容、元素位置以及上下文关系来增强安全性。该模型采用组合哈希函数，结合迭代哈希、绝对路径字符串和上下文感知的元素引用机制，确保细粒度完整性，其摘要生成效率高于基于Merkle树的方法，同时保持与XML签名标准的兼容性。

ABSTRACT

Data integrity is the fundamental for data authentication. A major problem for XML data authentication is that signed XML data can be copied to another document but still keep signature valid. This is caused by XML data integrity protecting. Through investigation, the paper discovered that besides data content integrity, XML data integrity should also protect element location information, and context referential integrity under fine-grained security situation. The aim of this paper is to propose a model for XML data integrity considering XML data features. The paper presents an XML data integrity model named as CSR (content integrity, structure integrity, context referential integrity) based on a concatenated hash function. XML data content integrity is ensured using an iterative hash process, structure integrity is protected by hashing an absolute path string from root node, and context referential integrity is ensured by protecting context-related elements. Presented XML data integrity model can satisfy integrity requirements under situation of fine-grained security, and compatible with XML signature. Through evaluation, the integrity model presented has a higher efficiency on digest value-generation than the Merkle hash tree-based integrity model for XML data.

研究动机与目标

• 解决现有XML签名方案中签名数据可被复制到另一文档并仍保持有效签名的问题。
• 识别并保护XML完整性的三个层次：内容、结构（元素位置）以及在细粒度访问控制下的上下文引用完整性。
• 设计一种基于哈希的完整性模型，具备高效性、与XML签名标准的兼容性，并通过结构和上下文验证实现对篡改的抗性。
• 评估所提模型在摘要生成速度方面相较于Merkle哈希树等成熟方法的性能表现。

提出的方法

• 该模型使用迭代哈希过程，通过哈希XML元素中的实际数据值来确保内容完整性。
• 通过从根节点到每个元素的绝对路径字符串（例如 /root/child/grandchild）生成哈希值来强制执行结构完整性，以保留位置语义。
• 通过上下文感知的选择机制，对影响或受给定元素语义影响的上下文相关元素进行哈希，实现上下文引用完整性。
• 组合哈希函数将三个完整性组件（内容、结构、上下文）合并为单一摘要值，确保端到端的完整性验证。
• 该模型设计为与现有XML签名标准兼容，可无缝集成到当前的安全Web服务和文档交换工作流中。
• 性能评估通过与基于Merkle哈希树的方法对比摘要生成时间，衡量在不同XML文档大小和结构下的效率表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在仅保护内容级别之外，进一步增强XML数据完整性，以涵盖结构和上下文关系？
• RQ2 组合哈希函数能否有效将内容、结构和上下文绑定为单一、可验证的完整性摘要？
• RQ3 所提出的CSR模型在摘要生成方面是否相比基于Merkle树的XML完整性模型具有更好的性能？
• RQ4 该模型在真实世界部署场景中与现有XML签名标准的兼容性程度如何？

主要发现

• 所提出的CSR模型成功在三个层面保护了XML数据完整性：内容、结构（通过绝对路径哈希实现）以及上下文引用完整性。
• 评估部分报告表明，该模型在摘要值生成方面相比基于Merkle哈希树的方法具有更高的效率。
• 结构和上下文完整性检查的集成可防止通过文档复制实现的签名伪造攻击，这是标准XML签名中已知的漏洞。
• 该模型与XML签名保持完全向后兼容，可在现有安全Web服务架构中实现无缝部署。