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05. 数据库安全与完整性约束

1. 概述

数据库的稳定运行和数据质量是其核心价值的体现。数据库的破坏通常由以下因素引起:

  • 系统故障 (System Failure):如硬件故障、软件错误等。
  • 并发访问导致的不一致性 (Inconsistency Caused by Concurrent Access):多个用户同时操作数据时可能出现的问题。
  • 人为破坏 (Man-caused Destruction):包括有意或无意的破坏行为。
  • 数据输入错误或更新事务不遵守一致性规则 (Incorrect Data Input or Update Transaction Violating Consistency Preservation):数据本身不符合预设的规范。

其中,系统故障和并发访问不一致性主要通过数据库管理系统(DBMS)的恢复机制(Recovery Mechanism)解决;人为破坏属于数据库安全(Database Security)范畴;数据输入错误和不遵守一致性规则则属于完整性约束(Integrity Constraints)范畴。

2. 数据库安全 (Database Security)

数据库安全旨在保护数据库不被非法访问和篡改。

2.1 数据库安全机制

机制名称英文翻译描述示例/说明
视图与查询重写View and Query Rewriting通过视图限制用户对数据的访问范围,用户只能看到视图定义的数据子集。用户只能查询到其所在部门的员工信息。
访问控制Access Control确定用户对数据库对象的访问权限。
    用户分类User Classification
         普通用户General User拥有基本的数据操作权限。
         拥有资源权限的用户User with Resource Privilege对特定数据库资源拥有额外权限。
         数据库管理员DBA (Database Administrator)拥有最高权限,负责数据库的安装、配置、维护和安全管理。
用户身份识别与认证Identification and Authentication of Users验证用户身份的合法性。
     密码Password最常见的认证方式。
     特殊物品Special Articles如密钥、IC卡等。
     个人特征Personal Features如指纹、签名等生物识别技术。
授权Authorization授予用户对数据库对象的特定操作权限。GRANT CONNECT TO JOHN IDENTIFIED BY xyzabc; (允许John连接数据库)
GRANT SELECT ON TABLE S TO U1 WITH GRANT OPTION; (允许U1查询表S,并可将此权限授予他人)
角色Role将一组权限打包,然后将角色授予用户,简化权限管理。
数据加密Data Encryption对敏感数据进行加密存储,防止数据泄露。
审计跟踪Audit Trail记录数据库操作日志,以便追踪和分析可疑行为。AUDIT SELECT, INSERT, DELETE, UPDATE ON emp WHENEVER SUCCESSFUL; (记录对emp表的查询、插入、删除、更新操作)

2.2 统计数据库安全 (Security of Statistical Database)

在许多情况下,统计数据是公开的,但详细的个人数据是保密的。然而,有时可以通过公开的统计数据推导出详细的个人数据,这被称为推理攻击 (Inference Attack)。

2.2.1 个人追踪器 (Individual Tracker)

个人追踪器是一种通过一系列统计查询来推断出特定个体敏感信息的方法。

用例: 假设有一个名为 STATS 的表,包含 NAMESEXDEPENDENTSOCCUPATIONSALARY 等字段。其中 SALARY 是保密的,其他信息公开。

场景: 已知王(Wang)是一名男性程序员,我们想推断出他的工资。

  1. 查询1: 统计男性程序员的数量。 SELECT COUNT(*) FROM STATS WHERE SEX='M' AND OCCUPATION='programmer'; 结果:1 (说明只有王是男性程序员)

  2. 查询2: 统计男性程序员的总工资。 SELECT SUM(SALARY) FROM STATS WHERE SEX='M' AND OCCUPATION='programmer'; 结果:120 (由于只有王一个男性程序员,所以这个总工资就是王的工资)

更复杂的追踪器:

即使直接查询无法得到结果,也可以通过组合查询来推断。

用例: 假设 STATS 表有10条记录。

  1. 查询3: 统计所有记录数。 SELECT COUNT(*) FROM STATS; 结果:10

  2. 查询4: 统计非男性程序员的记录数。 SELECT COUNT(*) FROM STATS WHERE NOT(SEX='M' AND OCCUPATION='programmer'); 结果:9 (通过查询3和查询4,可以推断出只有1个男性程序员,即王)

  3. 查询5: 统计所有记录的总工资。 SELECT SUM(SALARY) FROM STATS; 结果:1420

  4. 查询6: 统计非男性程序员的总工资。 SELECT SUM(SALARY) FROM STATS WHERE NOT(SEX='M' AND OCCUPATION='programmer'); 结果:1300

推断: 王的工资 = 查询5结果 - 查询6结果 = 14201300=1201420 - 1300 = 120

2.2.2 通用追踪器 (General Tracker)

通用追踪器是一个谓词 TT,满足 2bSET(T)(n2b)2b \le |\text{SET}(T)| \le (n-2b),其中 b<n/4b < n/4nn 是总记录数。 如果一个元组 RR 可以被谓词 pp 唯一限定,即 SET(p)={R}\text{SET}(p) = \{R\},那么: SET(p)=SET(p or T)SET(p or not T)SET(T)SET(not T)\text{SET}(p) = \text{SET}(p \text{ or } T) \cup \text{SET}(p \text{ or not } T) - \text{SET}(T) - \text{SET}(\text{not } T) (其中 \cup 表示不消除重复元组的并集)。

核心思想: 通过构造一系列查询,使得目标个体是这些查询结果的唯一交集或差集,从而推断出其敏感信息。

3. 完整性约束 (Integrity Constraints, IC)

完整性约束描述了数据库合法实例必须满足的条件。违反完整性约束的插入、删除或更新操作将被禁止。它们用于确保应用程序语义(如主键)或防止不一致性(如数据类型、取值范围)。

3.1 完整性约束的类型

类型名称英文翻译描述示例/说明
静态约束Static Constraints针对数据库状态的约束。
     固有约束Inherent Constraints数据模型本身固有的约束。第一范式 (1NF):关系中的所有属性都是原子性的,不可再分。
     隐式约束Implicit Constraints在数据模式中隐含,通常通过数据定义语言(DDL)指定。
         域约束Domain Constraints字段值必须符合其定义的数据类型和取值范围。始终强制执行。
         主键约束Primary Key Constraints唯一标识关系中的每个元组,且值不能为空。
         外键约束Foreign Key Constraints引用另一个关系的主键,确保参照完整性。
     显式约束/通用约束Explicit Constraints / General Constraints用户自定义的更复杂的约束。
动态约束Dynamic Constraints针对数据库从一个状态转换到另一个状态时的约束。可以与触发器 (Trigger) 结合使用。

3.2 数据库修改与参照完整性

当数据库进行插入、删除或更新操作时,需要检查并维护参照完整性。 假设关系 r2r_2 中的外键 α\alpha 引用关系 r1r_1 的主键 K1K_1,参照完整性约束表示为:Πα(r2)ΠK1(r1)\Pi_{\alpha}(r_2) \subseteq \Pi_{K_1}(r_1)

  • 插入 (Insert): 如果向 r2r_2 插入元组 t2t_2,系统必须确保 t2[α]t_2[\alpha] 的值在 r1r_1K1K_1 列中存在。即 t2[α]ΠK1(r1)t_2[\alpha] \in \Pi_{K_1}(r_1)

  • 删除 (Delete): 如果从 r1r_1 删除元组 t1t_1,系统必须计算 r2r_2 中引用 t1t_1 的元组集合:σα=t1[K1](r2)\sigma_{\alpha=t_1[K_1]}(r_2)。 如果此集合不为空,则:

    • 删除命令被拒绝(作为错误)。
    • 引用 t1t_1 的元组也必须被删除(级联删除 (Cascading Deletions))。
  • 更新 (Update): 有两种情况:

    1. 更新 r2r_2 中的外键 α\alpha: 如果更新 r2r_2 中的元组 t2t_2,修改了外键 α\alpha 的值,则必须进行类似插入的检查。设 t2t_2't2t_2 的新值,系统必须确保 t2[α]ΠK1(r1)t_2'[\alpha] \in \Pi_{K_1}(r_1)
    2. 更新 r1r_1 中的主键 K1K_1: 如果更新 r1r_1 中的元组 t1t_1,修改了主键 K1K_1 的值,则必须进行类似删除的检查。系统必须计算 σα=t1[K1](r2)\sigma_{\alpha=t_1[K_1]}(r_2)(使用 t1t_1 的旧值)。如果此集合不为空,则:
      • 更新可能被拒绝。
      • 更新可能级联 (Cascaded) 到 r2r_2 中引用该主键的元组。
      • r2r_2 中引用该主键的元组可能被删除。

3.3 完整性约束的定义方式

定义方式描述示例/说明
通过程序指定让应用程序负责检查完整性约束。灵活性高,但容易出错且难以维护。
通过断言 (Assertion) 指定使用断言规范语言定义,由DBMS自动检查。ASSERT balanceCons ON account: balance>=0; (断言账户余额必须大于等于0)
通过基本表定义中的 CHECK 子句指定在创建表时定义,由DBMS自动检查。CREATE TABLE Sailors ( sid INTEGER, sname CHAR(10), rating INTEGER, age REAL, PRIMARY KEY (sid), CHECK( rating >= 1 AND rating <= 10)); (检查rating字段的取值范围)

3.4 跨多关系的约束

当约束涉及多个关系时,CHECK 子句可能无法满足需求,或者表达起来非常笨拙甚至错误。

错误示例: CREATE TABLE Sailors (...) CHECK ((SELECT COUNT(S.sid) FROM Sailors S) + (SELECT COUNT(B.bid) FROM Boats B) < 100); 这个 CHECK 约束是错误的,因为它只在 Sailors 表被修改时才会被检查。如果 Sailors 表为空,那么 Boats 表的元组数量可以是任意值,而这个约束仍然成立。

正确解决方案: 使用断言 (Assertion)。断言不与任何特定表关联,而是独立于表定义存在。

示例: CREATE ASSERTION smallClub CHECK ((SELECT COUNT(S.sid) FROM Sailors S) + (SELECT COUNT(B.bid) FROM Boats B) < 100); 这个断言会在任何涉及 SailorsBoats 表的修改操作后被检查,确保总数小于100。

4. 触发器 (Triggers)

触发器是一种特殊的存储过程,当数据库中发生特定事件时,它会自动执行。

4.1 触发器的组成

触发器通常由三部分组成,也称为 ECA规则 (Event-Condition-Action Rules)

  • 事件 (Event):激活触发器的数据库操作(如 INSERTDELETEUPDATE)。
  • 条件 (Condition):一个布尔表达式,用于测试触发器是否应该运行。如果条件为真,则执行动作。
  • 动作 (Action):如果条件满足,触发器将执行的操作。

4.2 触发器示例 (SQL:1999)

用例:SAILORS 表插入新记录时,如果水手年龄小于等于18岁,则将其信息插入到 YoungSailors 表中。

CREATE TRIGGER youngSailorUpdate
AFTER INSERT ON SAILORS -- 事件:在SAILORS表插入后
REFERENCING NEW TABLE NewSailors -- 引用新插入的行集合
FOR EACH STATEMENT -- 针对每个语句执行一次
INSERT INTO YoungSailors(sid, name, age, rating)
SELECT sid, name, age, rating
FROM NewSailors N
WHERE N.age <= 18; -- 条件:新插入水手年龄小于等于18

4.3 触发器的执行模式

  • 立即执行 (Immediate Execution):事件发生后立即执行触发器。
  • 延迟执行 (Deferred Execution):在事务提交时执行触发器。
  • 解耦或分离模式 (Decoupled or Detached Mode):触发器在一个独立的事务中执行。
  • 级联触发 (Cascading Trigger):一个触发器的动作可能导致另一个触发器被激活,形成级联效应。
    • 需要控制嵌套执行,防止无限循环。
    • 可以通过触发图 (Triggering Graph) 分析。
    • 可以指定级联次数的上限。
    • 因此,触发器应合理使用。

4.4 ECA实现方式

  • 松散耦合 (Loosely Coupling):触发器逻辑与DBMS核心分离。
  • 紧密耦合 (Tightly Coupling):触发器逻辑集成在DBMS核心中(如DB2, Oracle等)。
    • 嵌套方法 (Nested Method):规则嵌套在事务中,作为事务的一部分由DBMS执行。
    • 嫁接方法 (Grafting Method):在查询执行计划中插入触发器逻辑。
    • 查询修改方法 (Query Modification Method):通过修改用户查询来包含触发器逻辑。