面试题：分布式系统中分布式缓存的常见安全威胁及对应机制

Question

在分布式系统的分布式缓存应用场景下，通常会面临哪些安全威胁？针对这些威胁，常见的安全机制有哪些？请举例说明。

Answer 1

面临的安全威胁

1. 数据泄露：攻击者可能通过各种手段获取缓存中的敏感数据，例如用户信息、商业机密等。比如恶意内部人员利用权限获取缓存中的用户密码。
2. 缓存穿透：查询一个一定不存在的数据，由于缓存不起作用，每次都去查询数据库，可能导致数据库压力过大甚至崩溃。例如黑客恶意构造大量不存在的查询Key来攻击系统。
3. 缓存雪崩：大量缓存同时过期失效，导致大量请求直接访问数据库，造成数据库压力骤增甚至宕机。如系统在某一时刻加载了一批缓存，设置了相同的过期时间，过期时就可能引发缓存雪崩。
4. 缓存击穿：一个设置了过期时间的Key，在过期瞬间，大量请求同时访问，导致请求全部转发到数据库，引起数据库压力瞬间增大。比如高并发场景下，某个热门商品的缓存过期时大量请求同时到达。
5. 认证和授权问题：如果缓存系统的认证和授权机制不完善，未授权的用户可能访问和修改缓存数据。例如非法用户绕过认证访问缓存中的数据。
6. 中间人攻击：攻击者拦截并篡改缓存服务器与应用服务器之间的数据传输，破坏数据完整性。例如在网络传输过程中修改缓存更新的指令。

常见的安全机制及举例

1. 数据加密：对缓存中的敏感数据进行加密存储。例如使用AES加密算法对用户的身份证号码等敏感信息加密后存入缓存，即使数据泄露，攻击者也难以获取真实内容。
2. 缓存穿透解决方案：
   • 布隆过滤器：在查询之前先通过布隆过滤器判断Key是否存在，不存在则直接返回，避免查询数据库。比如电商系统中使用布隆过滤器过滤不存在的商品ID查询。
   • 缓存空值：当查询数据库不存在时，也将空值缓存起来，并设置较短的过期时间。如查询不存在的用户ID，缓存一个空值，5分钟后过期。
3. 缓存雪崩解决方案：
   • 随机过期时间：给缓存设置不同的过期时间，避免大量缓存同时过期。例如给商品缓存设置的过期时间在1 - 2小时内随机。
   • 二级缓存：使用两层缓存，第一层缓存失效后，从第二层缓存获取数据，减轻数据库压力。如一级缓存使用Redis，二级缓存使用Memcached。
4. 缓存击穿解决方案：
   • 互斥锁：在查询数据库前，先获取互斥锁，只有获取到锁的请求才能查询数据库并更新缓存，其他请求等待。例如在抢购场景中使用互斥锁防止大量请求同时查询数据库。
   • 热点数据不过期：对于热点数据不设置过期时间，定期手动更新缓存。比如热门新闻的缓存不设置过期时间，每天凌晨更新一次。
5. 完善认证和授权：采用身份验证机制，如用户名密码、Token等方式验证用户身份，并根据用户角色分配不同的操作权限。例如只有管理员角色才能对特定缓存数据进行修改。
6. 防止中间人攻击：采用SSL/TLS加密传输协议，对缓存服务器与应用服务器之间的数据传输进行加密。如HTTPS协议保证数据在传输过程中的安全性和完整性。