面试题：缓存设计之中等难度：缓存系统的常见安全威胁及基础防护措施

Question

请列举至少三种缓存系统可能面临的安全威胁，并针对每种威胁阐述对应的基础防护措施。

Answer 1

1. 缓存穿透
   • 威胁描述：查询一个一定不存在的数据，由于缓存未命中，就会直接查询数据库，若大量这样的请求，会导致数据库压力过大甚至崩溃。
   • 防护措施：
     • 布隆过滤器：在查询之前，使用布隆过滤器判断数据是否存在。布隆过滤器可以高效地判断一个元素是否在集合中，虽然存在一定误判率，但能有效拦截绝大部分不存在的数据查询，避免直接穿透到数据库。
     • 缓存空值：当查询数据库发现数据不存在时，也将空值缓存起来，并设置较短的过期时间，这样后续相同查询会命中缓存，避免多次查询数据库。
2. 缓存雪崩
   • 威胁描述：缓存中大量数据在同一时间过期，导致这些数据的请求同时穿透到数据库，使数据库瞬间承受巨大压力，甚至可能导致数据库崩溃。
   • 防护措施：
     • 设置随机过期时间：避免大量数据同时过期，为每个缓存数据设置一个随机的过期时间，分布在一个合理的时间范围内，从而分散过期压力。
     • 二级缓存：使用两层缓存，第一层缓存失效后，先从第二层缓存获取数据，第二层缓存可以设置较长的过期时间或者不设置过期时间，这样可以在一定程度上缓解数据库压力。
     • 缓存预热：在系统启动时，将部分热点数据预先加载到缓存中，避免在系统运行初期大量请求直接打到数据库。
3. 缓存击穿
   • 威胁描述：缓存中某个热点数据过期的瞬间，大量针对该数据的请求同时到来，这些请求会绕过缓存直接查询数据库，可能使数据库压力过大。
   • 防护措施：
     • 互斥锁：在缓存失效时，使用互斥锁（如 Redis 的 SETNX 命令）来保证只有一个请求去查询数据库并更新缓存，其他请求等待。当获取到锁的请求更新完缓存后，释放锁，其他请求就可以从缓存中获取数据。
     • 永不过期：对于一些非常重要且不经常变化的数据，可以设置为永不过期，定期在后台异步更新数据，或者在数据发生变化时主动更新缓存。
4. 数据泄露
   • 威胁描述：如果缓存系统的访问控制不当，攻击者可能获取缓存中的敏感数据，如用户信息、密码等。
   • 防护措施：
     • 访问控制：严格设置缓存系统的访问权限，只允许授权的应用或用户访问。例如，在 Redis 中可以设置密码，并通过网络策略限制访问来源。
     • 数据加密：对缓存中的敏感数据进行加密存储，这样即使数据被获取，没有解密密钥也无法读取数据内容。例如使用对称加密算法（如 AES）对数据进行加密和解密。
5. 缓存被篡改
   • 威胁描述：攻击者可能恶意修改缓存中的数据，导致应用程序读取到错误的数据，影响业务正常运行。
   • 防护措施：
     • 数据校验：在写入缓存数据时，同时生成数据的校验和（如 MD5、SHA - 1 等）并存储。读取数据时，重新计算校验和并与存储的校验和对比，若不一致则说明数据可能被篡改。
     • 权限控制：严格限制对缓存数据的写权限，只有经过授权的应用或操作才能修改缓存数据。同时，对写操作进行审计和记录，便于追溯和发现异常。