SQL注入攻擊是一種常見的互聯(lián)網(wǎng)攻擊手段，它具有易操作、強(qiáng)隱蔽、高危害和難檢測等特點(diǎn)。由于SQL注入攻擊的對象是Web服務(wù)器后臺的數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)庫往往存放重要的用戶數(shù)據(jù)或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，因而SQL注入攻擊的后果影響非常嚴(yán)重。特別對銀行、證券、電信、移動、政府以及電子商務(wù)企業(yè)等后臺數(shù)據(jù)庫。一旦遭受SQL注入而導(dǎo)致數(shù)據(jù)纂改或機(jī)密數(shù)據(jù)丟失，在經(jīng)濟(jì)角度和社會角度都將產(chǎn)生惡劣的影響。因此檢測和防范SQL注入是軟件安全領(lǐng)域的重要課題，具有極高的研究價(jià)值和意義。

    常見的Web應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,其中包括Web服務(wù)器及后臺數(shù)據(jù)庫。在Web服務(wù)器上部署Web服務(wù)，用戶使用瀏覽器通過Http或Https協(xié)議與Web服務(wù)器進(jìn)行交互。常稱之為B/S架構(gòu)。

    在該架構(gòu)中，Web服務(wù)器向用戶提供各種應(yīng)用服務(wù),這些服務(wù)都涉及到與數(shù)據(jù)庫的交互，即伴執(zhí)行SQL語句。如果Web應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)或?qū)崿F(xiàn)不合理,將可能導(dǎo)致用戶對數(shù)據(jù)庫執(zhí)行的SQL語句偏離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期，從而引發(fā)安全事故。
    Java程序運(yùn)行在JVM中，因?yàn)榫哂信c平臺無關(guān)的特點(diǎn)，這種完全面向?qū)ο箝_發(fā)的語言廣泛應(yīng)用在Web系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。針對Java源代碼的SQL注入攻擊檢測進(jìn)行研究，對于提高Web應(yīng)用系統(tǒng)的安全性具有重要意義。
    本文介紹了SQL注入原理、目前的檢測方法以及Java代碼對數(shù)據(jù)庫操作的三種代碼結(jié)構(gòu)。針對Java執(zhí)行SQL語句的特點(diǎn)，重點(diǎn)提出一種基于抽象語法樹進(jìn)行SQL執(zhí)行路徑檢測的SQL注入檢測算法；在Web 應(yīng)用程序發(fā)布前進(jìn)行深入靜態(tài)分析和檢查，從而提高Web應(yīng)用系統(tǒng)的安全性。算例分析和在實(shí)際Web系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果表明，本文提出的SQL注入檢測算法具有高檢測率和低誤報(bào)率。
1 相關(guān)研究工作
    SQL注入漏洞最早在2000年左右被提出，其后學(xué)者們對SQL注入的檢測和防護(hù)展開了一系列的研究。
    典型的一種SQL注入例子如下：
    (1)用戶登錄Web應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行身份認(rèn)證，主要輸入用戶名和密碼兩個(gè)變量v_usr和v_pwd；
    (2)Web系統(tǒng)執(zhí)行合法性檢查的SQL語句為：“Select * from users where username=‘”+v_usr+“’and password=‘”+ v_pwd+“’”,如果用戶登錄時(shí)用戶取為‘admin’ or 1=1--，那么合法性檢查的SQL語句等效于Select * from users where username=‘ admin’ or 1=1;
    顯然，用戶名取‘admin’ or 1=1--時(shí)，無論密碼輸入多少，都可以登錄系統(tǒng)。
    SQL注入的檢測和防護(hù)方式目前主要有兩大類，一是系統(tǒng)上線前檢測，也稱為靜態(tài)檢測；二是系統(tǒng)在線運(yùn)行防御，也稱為動態(tài)檢測。
    動態(tài)檢測方式是一種黑盒檢測方法，對上線的系統(tǒng)進(jìn)行SQL漏洞掃描，編制SQL注入攻擊腳本對Web系統(tǒng)進(jìn)行試探，通過檢查Http的回應(yīng)報(bào)文內(nèi)容來判斷是否發(fā)生SQL注入攻擊，從而確定是否存在SQL注入漏洞。AppScan等工具可執(zhí)行此類安全檢測。
    靜態(tài)檢測方法是一種白盒檢測方法[1]，通過靜態(tài)語法解析查找Web 應(yīng)用代碼中可能引發(fā)SQL注入的環(huán)節(jié)，在Web應(yīng)用發(fā)布前檢查代碼質(zhì)量。Fotify等工具可執(zhí)行此類安全檢測。參考文獻(xiàn)[2-3]給出一種動態(tài)生成SQL語句進(jìn)行類型正確性檢查的方法來檢測是否存在SQL注入，該方法的的缺點(diǎn)在于只能檢測句法結(jié)構(gòu)或語句類型出現(xiàn)異常的SQL注入問題。參考文獻(xiàn)[4]提出一種自動推理機(jī)的方法對添加了輸入值后的SQL語句進(jìn)行檢查，該方法的缺點(diǎn)在于只能檢測出重言式的SQL注入攻擊。此外，還有一些學(xué)者采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對SQL注入漏洞進(jìn)行檢測[5]，這一類檢測方法的檢測率和誤報(bào)率往往依賴于訓(xùn)練集的大小。
2 Java源代碼靜態(tài)掃描分析思路
    程序靜態(tài)分析指在不執(zhí)行程序的情況下，通過自動掃描代碼發(fā)現(xiàn)隱含的程序隱患[6]，具備執(zhí)行速度快、效率高等優(yōu)點(diǎn)。對源代碼進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)借鑒編譯技術(shù)的詞法分析和語法分析。源代碼進(jìn)行靜態(tài)分析掃描原理如圖2所示。

    Java程序與數(shù)據(jù)庫之間的交互主要通過Java數(shù)據(jù)庫連接JDBC進(jìn)行。其數(shù)據(jù)庫操作涉及與數(shù)據(jù)庫建立連接、發(fā)送SQL指令、處理返回結(jié)果、斷開數(shù)據(jù)庫連接4個(gè)步驟。
    具體實(shí)現(xiàn)上主要涉及的Java類有Connection類、DriverManager類、Statement類、ResultSet類、PreparedStatement類和callableStatement類。在代碼實(shí)現(xiàn)上往往有3種實(shí)現(xiàn)方式：
    (1) 常規(guī)方式
　                                          //函數(shù) DB_SQL(SQL語句)
　    Connection con=DriverManager. getConnection(參數(shù)URL，參數(shù)用戶名，參數(shù)密碼);
　    Statement stat = con.createStatement();
　    ResultSet rs = stat.executeQuery("SQL語句");（或者executeUpdate /execute /executeBatch）
　　                                           //此處為rs的處理代碼
    rs.close(); stat.close(); con.close();
    Java采用常規(guī)方式訪問數(shù)據(jù)庫，每次都需要進(jìn)行建立連接，再執(zhí)行SQL語句，最后釋放連接。由于建立連接過程一般比較耗時(shí)(一般需要幾十毫秒至幾百毫秒之間)，而且Statement對象每次執(zhí)行SQL語句的解析和編譯也比較耗時(shí)，如果涉及如下循環(huán)使用情況，則代碼的執(zhí)行效率將會比較低下。為此，對于需要頻繁建立數(shù)據(jù)庫連接的情況，可以采用連接池方式進(jìn)行優(yōu)化；對于需要頻繁執(zhí)行相似SQL語句的情況，則可采用預(yù)編譯方式進(jìn)行優(yōu)化。
    while(N次)
　    {
　　    DB_SQL(SQL語句);
　　}    
    (2) 預(yù)編譯方式
    采用常規(guī)方式執(zhí)行SQL語句時(shí)，DBMS需要對SQL語句進(jìn)行解析和編譯；而采用預(yù)編譯方式時(shí)，DBMS只在第一次對SQL語句進(jìn)行解析和編譯。相比前者，后者更難注入SQL。原因在于，PreparedStatement對象執(zhí)行SQL語句前，需要設(shè)置“?”號對應(yīng)的變量，例如ps.setInt(1,變量v1)、ps.setLong(2,變量v2) 表示SQL語句中第一個(gè)“?”號是int型、值為“變量v1”；這樣在安全性上相當(dāng)于增加了一個(gè)類型匹配。
　    Connection con=DriverManager.getConnection(參數(shù)URL，參數(shù)用戶名，參數(shù)密碼);
　    while(N次)
　    {
　　    PreparedStatement ps = con.prepareStatement(帶若干“?”號的SQL語句);
　    ps.setXX(“？”的序號, 變量);   //XX包括int double等
    ResultSet rs = ps.executeQuery();（或者executeUpdate /execute /executeBatch）
　　                                //此處為rs的處理代碼
　　    rs.close();
　　    }
　    ps.close(); con.close();
    (3) 連接池方式
    連接池（Connection Pool）是設(shè)計(jì)模式中資源池（Resource Pool）的一種具體應(yīng)用，主要解決資源頻繁分配和釋放所帶來的性能問題。其基本思想是預(yù)先建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接池，在該連接池中預(yù)先存放一定數(shù)量的連接，當(dāng)需要建立數(shù)據(jù)庫連接時(shí)，并非新建一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接，而是從連接池中取出一個(gè)連接對象，然后對該連接對象進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和使用，使用完畢后，并不釋放該連接，而是將連接對象的參數(shù)復(fù)位并回收。
    采用連接池的應(yīng)用開發(fā)方式與常規(guī)方式的代碼結(jié)構(gòu)類似。區(qū)別是常規(guī)方式的連接對象在需要時(shí)才從堆中動態(tài)分配空間與數(shù)據(jù)庫建立連接，使用完畢后即斷開連接,等待Java的GC垃圾回收器發(fā)現(xiàn)該對象不再需要后，將回收連接對象的內(nèi)存空間；而采用連接池方式,則是在連接池中預(yù)先建立一個(gè)若干數(shù)據(jù)的連接對象，需要使用時(shí)才從連接池中取出一個(gè)連接對象（不是臨時(shí)創(chuàng)建，因此效率高），使用完畢后，并不斷開連接，而是將該連接對象歸還給對象池。通過一個(gè)“借用”和“歸還”的方式使得可以高效地對付頻繁的數(shù)據(jù)庫訪問操作。目前常用的連接池主要有C3PO、BoneCP、DBCP、Proxool等。
    綜上所述,無論采用哪一種數(shù)據(jù)庫操作方式，Java源代碼中可能出現(xiàn)SQL注入漏洞的代碼執(zhí)行過程中，一定經(jīng)過executeQuery、executeUpdate、execute 或executeBatch函數(shù)。本文提出的SQL檢測算法，正是通過定位這些函數(shù)并以此為分析SQL注入隱患的切入點(diǎn)，跟蹤這些函數(shù)的參數(shù)或參數(shù)表達(dá)式。如果這些參數(shù)表達(dá)式最終能追溯到某個(gè)特定的對象(如HttpServletRequest)，則可以肯定這條路徑將可能存在SQL注入隱患。
3 Java源代碼SQL注入檢測算法
    抽象語法樹AST(Abstract Syntax Tree)是程序源代碼的抽象語法結(jié)構(gòu)的樹狀表現(xiàn)形式，樹上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)表示源代碼中的一種結(jié)構(gòu)，AST的好處在于不依賴于具體的方法和語言細(xì)節(jié)。對于源代碼的文法分析，首先進(jìn)行詞法分析，將源代碼中所有字符串從前至后逐個(gè)字符進(jìn)行掃描，并對每個(gè)“單詞”進(jìn)行標(biāo)識。這些“單詞”主要包括Java語言中的關(guān)鍵字、標(biāo)識符、運(yùn)算符和分隔符等。然后進(jìn)行語法分析，將這些識別出來的“單詞”序列分解成各類Java語法單位。
    根據(jù)源代碼靜態(tài)分析掃描原理，結(jié)合Java 1.6的文法定義，本文提出的SQL注入檢測算法通過對源代碼的詞法和語法分析，生成相應(yīng)的抽象語法樹，定義規(guī)則，根據(jù)規(guī)則遍歷抽象語法樹。
    本文提出的檢測算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：
    (1) 遍歷抽象語法樹,尋找METHOD_DECL結(jié)點(diǎn)中節(jié)點(diǎn)名為executeQuery或executeUpdate或execute或executeBatch的所有節(jié)點(diǎn),并將它們保存在哈希表keyNode中。
    (2) 找keyNode中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，確認(rèn)是否是正確的結(jié)點(diǎn)。首先得到keyNode節(jié)點(diǎn)的前繼表達(dá)式，并得到前繼表達(dá)式的返回值類型。若前繼表達(dá)式的返回值類型為Java.sql.Statement，則可確認(rèn)此結(jié)點(diǎn)，并轉(zhuǎn)到下一步；若返回值類型不是Java.sql.Statement，則轉(zhuǎn)步驟(2)，檢測下一個(gè)節(jié)點(diǎn)；
    (3) 確認(rèn)結(jié)點(diǎn)，取得第一個(gè)參數(shù)作為路徑結(jié)點(diǎn)，分析并跟蹤路徑結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)流。具體為：分析并跟蹤路徑結(jié)點(diǎn)表達(dá)式為變量表達(dá)式；分析并跟蹤路徑結(jié)點(diǎn)表達(dá)式為方法表達(dá)式；跟蹤退出的準(zhǔn)則描述如下：①當(dāng)所有跟蹤變量均到達(dá)常量定值，則此路徑不會產(chǎn)生SQL注入漏洞，轉(zhuǎn)步驟(2)；②跟蹤到開始API定義的方法結(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)步驟(4)。
    (4) 記錄跟蹤到的SQL注入的侵入路徑，轉(zhuǎn)步驟(2)，檢測下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若keyNode中所有結(jié)點(diǎn)都已檢測完成，則算法終止。
4 算法實(shí)驗(yàn)
  為了驗(yàn)證本文提出的算法的有效性，以一個(gè)Java程序?yàn)閷?shí)驗(yàn)算例進(jìn)行分析和說明，實(shí)驗(yàn)算例代碼如圖3所示。
    在實(shí)驗(yàn)的Java源代碼中，可能產(chǎn)生SQL注入的開始API和結(jié)束API（即Java源代碼SQL注入檢測規(guī)則），具體如表1所示。

    根據(jù)SQL注入檢測規(guī)則，利用本文所提出的檢測算法對圖3所示的Java源代碼進(jìn)行掃描分析，產(chǎn)生的抽象語法樹如圖4所示，可發(fā)現(xiàn)SQL注入漏洞，并報(bào)告相應(yīng)的路徑。

    本文提出的SQL注入檢測算法已經(jīng)成功應(yīng)用于本單位信息系統(tǒng)的Java源代碼靜態(tài)檢測中。在新上線運(yùn)行的某Web系統(tǒng)（約10萬行代碼）靜態(tài)分析中，檢測時(shí)間僅為5 s，檢測準(zhǔn)確識別率高達(dá)90%，而誤報(bào)率僅有10%；通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際系統(tǒng)的測試和驗(yàn)證，本文提出的Java源代碼SQL注入靜態(tài)分析算法具有很好的應(yīng)用效果和前景。
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