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青少年编程与数学 02-002 Sql Server 数据库应用 16课题、安全机制

青少年编程与数学 02-002 Sql Server 数据库应用 16课题、安全机制

课题摘要:

本课题详细介绍了SQL Server的安全机制，包括身份验证、授权、角色、加密和审计。身份验证支持Windows和混合模式，确保用户合法性。授权涉及服务器、数据库、对象和列级别权限，通过固定和自定义角色管理。加密技术包括TDE、列级加密和Always Encrypted，保护数据安全。审计功能跟踪关键操作，满足合规性要求。实施时需遵循最佳实践，如最小权限原则和定期审查权限，以确保数据库安全性。

一、安全机制

SQL Server 提供了多层次的安全机制来保护数据库中的数据，这些机制涵盖了身份验证、授权、审计等多个方面。下面将详细解释这些安全特性：

1. 身份验证（Authentication）

SQL Server 支持两种身份验证模式：

  • Windows 身份验证模式：在这种模式下，SQL Server 使用 Windows 的登录凭证来验证用户的登录请求。这是最安全的身份验证模式，因为用户的密码不会直接传递给 SQL Server。
  • 混合身份验证模式：这种模式允许使用 Windows 登录凭证，同时也允许使用 SQL Server 用户名和密码进行身份验证。对于非 Windows 环境下的应用程序，这可能是必需的，但是相比 Windows 身份验证来说，安全性较低。

2. 授权（Authorization）

授权是指定义用户或应用程序对数据库对象（如表、视图、存储过程等）的操作权限。SQL Server 支持多种授权级别：

  • 服务器级别权限：控制用户能否连接到 SQL Server 实例。
  • 数据库级别权限：控制用户能否访问特定的数据库。
  • 对象级别权限：控制用户能否对数据库中的特定对象执行操作（如 SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE）。
  • 列级别权限：从 SQL Server 2016 开始支持，允许对表中的特定列进行读写权限控制。

3. 角色（Roles）

角色是一组预定义的权限集合，可以简化授权管理。SQL Server 中的角色包括：

  • 固定服务器角色：具有全局作用域，如 sysadmin（系统管理员）、securityadmin（安全管理员）等。
  • 固定数据库角色：具有数据库作用域，如 db_owner（数据库所有者）、db_datawriter（数据写入者）等。
  • 应用程序角色：用户定义的角色，可以简化应用程序中的权限分配。
  • 自定义角色：用户可以根据需要创建自己的角色，并授予相应的权限。

4. 加密（Encryption）

SQL Server 支持多种加密技术来保护敏感数据：

  • 透明数据加密（Transparent Data Encryption, TDE）：加密整个数据库文件，使数据在存储时处于加密状态。
  • 列级加密：可以针对特定列进行加密，适用于对敏感信息的保护。
  • Always Encrypted：SQL Server 2016 引入的技术，允许客户端在发送到服务器之前加密数据，并且服务器在执行查询时不接触明文数据。

5. 审计（Auditing）

审计功能帮助跟踪和记录数据库中的关键操作，以便后续分析和合规性检查。SQL Server 提供了以下审计机制：

  • 数据库审计：可以记录特定数据库级别的事件。
  • 服务器审计：记录服务器级别的事件，如登录尝试。
  • 透明跟踪：记录详细的事务信息，用于调试和审计。

6. 其他安全特性

除了上述特性外，SQL Server 还提供了其他一些重要的安全功能，如：

  • 动态数据掩码（Dynamic Data Masking）：隐藏敏感数据，仅向具有适当权限的用户提供未掩码的数据。
  • 列权限掩码：允许管理员指定哪些用户可以查看表中的哪些列。
  • 资源治理：限制用户消耗的资源量，防止资源耗尽攻击。

通过综合运用这些安全机制，可以有效地保护 SQL Server 中的数据免受未经授权的访问、篡改和泄露。然而，实施这些措施时还需要考虑实际的应用场景和业务需求，以达到最佳的安全效果。

二、身份验证

SQL Server 2022 中的身份验证机制主要涉及两种模式：Windows 身份验证模式和混合模式（Mixed Mode Authentication）。这两种模式都提供了不同的方式来验证试图连接到 SQL Server 的用户的合法性。下面详细介绍这两种模式：

1. Windows 身份验证模式（Windows Authentication Mode）

在 Windows 身份验证模式下，SQL Server 使用 Windows 操作系统的安全机制来验证用户的身份。当用户尝试连接到 SQL Server 时，他们不需要单独提供用户名和密码，而是使用他们的 Windows 凭证（即他们用来登录 Windows 的用户名和密码）来验证身份。这种方式的优点包括：

  • 更高的安全性：由于密码不会在 SQL Server 和客户端之间传输，减少了密码被盗的风险。
  • 集中管理：Windows Active Directory 可以集中管理用户的账户和密码。
  • 统一的身份验证：用户只需要记住一个 Windows 凭证即可访问 SQL Server 和其他基于 Windows 的服务。

2. 混合模式（Mixed Mode Authentication）

混合模式允许使用 Windows 身份验证的同时也支持 SQL Server 身份验证。在混合模式下，用户可以选择以下两种方式进行身份验证：

  • Windows 身份验证：如前所述，使用 Windows 凭证进行身份验证。
  • SQL Server 身份验证：用户需要提供一个 SQL Server 登录名和密码。这种方式对于那些不使用 Windows 环境（如 Linux 或 macOS）的应用程序尤其有用。

混合模式的灵活性在于它可以同时支持 Windows 环境和非 Windows 环境的用户，但同时也引入了额外的安全风险，因为 SQL Server 需要存储密码，而这些密码可能会成为攻击的目标。

SQL Server 2022 中的身份验证配置

在 SQL Server 2022 中配置身份验证模式，可以通过以下步骤进行：

  1. 启动 SQL Server Configuration Manager。
  2. 导航到 SQL Server Network Configuration 页面，选择你想要配置的服务实例。
  3. 打开 SQL Server Service Properties 对话框，切换到“登录”选项卡。
  4. 选择身份验证模式：你可以选择“Windows 身份验证模式”或“混合模式”。
  5. 重启 SQL Server 服务：配置更改后需要重启服务才能生效。

SQL Server 身份验证注意事项

  • 密码策略：如果使用 SQL Server 身份验证，建议配置强密码策略，并定期更改密码。
  • 登录名管理：确保登录名的生命周期管理，及时禁用或删除不再使用的登录名。
  • 最小权限原则：为每个用户分配尽可能小的权限集，避免不必要的权限授予。

通过合理配置 SQL Server 的身份验证模式，并遵循最佳实践，可以显著提高系统的安全性。在实际部署过程中，应根据组织的具体情况选择合适的身份验证模式，并采取适当的措施来保障数据库的安全。

三、授权

SQL Server 2022 中的授权（Authorization）是数据库安全的关键组成部分之一，它决定了用户能够执行哪些操作以及能够访问哪些数据。授权是建立在身份验证之上的，只有经过身份验证的用户才能够被授权执行某些操作。以下是 SQL Server 2022 中授权的一些关键概念和方法：

授权层次结构

SQL Server 的授权体系可以从以下几个层次来看：

1. 服务器级别权限

服务器级别的权限决定了用户是否能够连接到 SQL Server 实例。服务器级别的权限包括但不限于：

  • sysadmin：系统管理员，拥有所有权限。
  • securityadmin：安全管理员，可以管理登录名、证书等。
  • serveradmin：服务器管理员，可以管理服务器范围内的设置。
  • setupadmin：安装管理员，可以执行安装和卸载任务。
  • diskadmin：磁盘管理员，可以管理文件和文件组。
  • processadmin：进程管理员，可以终止其他用户的进程。
  • dbcreator：数据库创建者，可以创建新的数据库。
  • bulkadmin：批量加载管理员，可以执行 BULK INSERT 操作。
2. 数据库级别权限

数据库级别的权限决定了用户是否能够访问特定的数据库。数据库级别的角色包括但不限于：

  • db_owner：数据库所有者，拥有数据库内所有权限。
  • db_accessadmin：数据库访问管理员，可以管理数据库级别的用户和角色。
  • db_securityadmin：数据库安全管理员，可以管理数据库级别的权限。
  • db_ddladmin：数据库 DDL 管理员，可以执行数据定义语言（DDL）语句。
  • db_backupoperator：数据库备份操作员，可以执行备份和恢复操作。
  • db_datareader：数据库数据读者，可以读取数据。
  • db_datawriter：数据库数据写入者，可以修改数据。
  • db_denydatareader：拒绝数据库数据读者，禁止读取数据。
  • db_denydatawriter：拒绝数据库数据写入者，禁止修改数据。
3. 对象级别权限

对象级别的权限决定了用户是否能够访问特定的对象（如表、视图、存储过程等）。可以授予的权限包括但不限于：

  • SELECT：允许用户从对象中读取数据。
  • INSERT：允许用户向对象中插入数据。
  • UPDATE：允许用户修改对象中的数据。
  • DELETE：允许用户从对象中删除数据。
  • EXECUTE：允许用户执行存储过程或函数。
  • ALTER：允许用户修改对象。
  • CONTROL：允许用户将对象权限授予或拒绝其他用户。
  • REFERENCES：允许用户定义外键引用对象。
4. 列级别权限

SQL Server 2016 引入了列级别权限，可以在表的特定列上设置读写权限。这使得可以更细粒度地控制数据访问。

授权语法

SQL Server 中的授权是通过 T-SQL 语句来实现的，以下是一些常用的授权语句示例：

  • GRANT：授予权限。

    GRANT SELECT ON OBJECT::YourTable TO YourUserName;

  • DENY：拒绝权限。

    DENY UPDATE ON OBJECT::YourTable TO YourUserName;

  • REVOKE：撤销权限。

    REVOKE DELETE ON OBJECT::YourTable FROM YourUserName;

动态成员资格

SQL Server 支持动态成员资格的角色，这意味着角色成员资格是在运行时决定的，而不是静态定义的。例如，db_datareader 和 db_datawriter 角色就是动态角色，它们的成员资格取决于用户的登录名和数据库中的权限。

自定义角色

除了内置的角色之外，用户还可以创建自定义的角色，并将权限分配给这些角色。这样可以更好地管理和控制不同用户组的权限。

安全最佳实践

在配置 SQL Server 的授权时，应该遵循一些安全最佳实践：

  • 最小权限原则：只授予用户完成工作所需的最小权限。
  • 定期审查权限：定期检查用户的权限，确保没有过度授权的情况。
  • 使用角色进行权限管理：通过角色来管理权限，简化权限分配和回收的工作。
  • 文档化权限设置：记录权限设置，以便于审计和管理。

通过合理地配置和管理 SQL Server 的授权体系，可以有效地保护数据库中的数据不被非法访问或篡改。

四、角色

SQL Server 2022 中的角色是用于管理和分配数据库权限的重要工具。角色是一种安全主体，可以包含一个或多个用户、其他角色，甚至可以嵌套包含其他角色。通过角色来管理权限，可以简化权限分配的过程，并且使得权限的变更更加容易。以下是 SQL Server 2022 中关于角色的一些详细信息：

角色分类

SQL Server 中的角色可以分为几个类别：

1. 固定服务器角色（Fixed Server Roles）

这些角色是在 SQL Server 实例级别定义的，拥有全局的作用域。一旦被赋予了这些角色的成员资格，用户在整个 SQL Server 实例范围内都会获得相应的权限。固定服务器角色包括但不限于：

  • sysadmin：系统管理员，拥有所有权限。
  • securityadmin：安全管理员，负责管理登录名和其他安全相关的对象。
  • serveradmin：服务器管理员，可以管理服务器范围内的设置。
  • setupadmin：安装管理员，负责管理安装和卸载任务。
  • diskadmin：磁盘管理员，可以管理文件和文件组。
  • processadmin：进程管理员，可以终止其他用户的进程。
  • dbcreator：数据库创建者，可以创建新的数据库。
  • bulkadmin：批量加载管理员，可以执行 BULK INSERT 操作。
2. 固定数据库角色（Fixed Database Roles）

这些角色是在数据库级别定义的，拥有数据库范围的作用域。一旦被赋予了这些角色的成员资格，用户在特定数据库内就会获得相应的权限。固定数据库角色包括但不限于：

  • db_owner：数据库所有者，拥有数据库内所有权限。
  • db_accessadmin：数据库访问管理员，可以管理数据库级别的用户和角色。
  • db_securityadmin：数据库安全管理员，可以管理数据库级别的权限。
  • db_ddladmin：数据库 DDL 管理员，可以执行数据定义语言（DDL）语句。
  • db_backupoperator：数据库备份操作员，可以执行备份和恢复操作。
  • db_datareader：数据库数据读者，可以读取数据。
  • db_datawriter：数据库数据写入者，可以修改数据。
  • db_denydatareader：拒绝数据库数据读者，禁止读取数据。
  • db_denydatawriter：拒绝数据库数据写入者，禁止修改数据。
3. 应用程序角色（Application Roles）

应用程序角色是 SQL Server 2005 引入的一种角色类型，允许应用程序在执行操作时使用一个临时的、应用程序定义的身份。应用程序角色可以简化应用程序中的权限分配，并且在应用程序需要执行某些操作时提供了一个临时的身份。

4. 用户定义的角色（User-defined Roles）

用户定义的角色是数据库管理员在数据库级别创建的角色，可以用来组合具有相同权限的一组用户。这些角色可以包含用户、其他用户定义的角色，甚至可以嵌套包含其他用户定义的角色。通过用户定义的角色，可以简化权限管理，并且更容易地进行权限变更。

角色的管理

角色的管理主要包括创建、修改和删除角色，以及向角色添加或移除成员。以下是一些常见的 T-SQL 命令：

  • 创建角色：

    CREATE ROLE YourRoleName;

  • 修改角色：

    ALTER ROLE YourRoleName;

  • 删除角色：

    DROP ROLE YourRoleName;

  • 向角色添加成员：

    ALTER ROLE YourRoleName ADD MEMBER YourUserName;

  • 从角色移除成员：

    ALTER ROLE YourRoleName DROP MEMBER YourUserName;

角色的权限分配

角色的权限分配是通过 GRANT、DENY 和 REVOKE 语句来实现的。以下是一些示例：

  • 授予权限给角色：

    GRANT SELECT, INSERT ON OBJECT::YourTable TO YourRoleName;

  • 拒绝权限给角色：

    DENY UPDATE ON OBJECT::YourTable TO YourRoleName;

  • 撤销权限给角色：

    REVOKE DELETE ON OBJECT::YourTable FROM YourRoleName;

通过合理地配置和管理角色及其权限，可以有效地保护数据库中的数据，并且确保只有经过授权的用户能够访问或修改数据。在实际应用中，应该根据具体的业务需求和安全要求来设计和维护角色及其权限。

五、加密

SQL Server 2022 提供了多种加密机制来保护数据的安全，这些机制包括但不限于透明数据加密（TDE）、列级加密、Always Encrypted 技术、证书管理、密钥管理等。下面是这些加密技术的详细说明：

1. 透明数据加密（Transparent Data Encryption, TDE）

TDE 是 SQL Server 中一项重要的加密技术，它用于加密整个数据库文件（包括数据文件和日志文件），从而保护存储在数据库中的数据。TDE 旨在保护静止数据，即存储在磁盘上的数据。TDE 的特点如下：

  • 透明性：数据在读取时自动解密，在写入时自动加密，应用程序无需更改即可使用加密的数据。
  • 性能影响较小：虽然加密和解密会带来一些性能开销，但总体来说对性能的影响相对较小。
  • 密钥管理：TDE 使用数据库加密密钥（Database Encryption Key, DEK）来加密数据，DEK 再由服务主密钥（Service Master Key, SMK）来保护。

2. 列级加密

列级加密允许对数据库表中的特定列进行加密，以保护敏感数据。SQL Server 支持以下几种类型的列级加密：

  • CELLULAR ENCRYPTION：每个值都被独立加密，可以使用加密后的数据进行某些操作，如范围查询。
  • DETERMINISTIC ENCRYPTION：相同的输入总是产生相同的输出，适合用于索引和外键。
  • RANDOMIZED ENCRYPTION：即使相同的输入也会产生不同的输出，适合用于文本或数值字段。

3. Always Encrypted

Always Encrypted 是 SQL Server 2016 引入的一项新技术，旨在保护敏感数据在传输过程中和存储在数据库中的安全性。Always Encrypted 的特点如下：

  • 客户端加密：数据在客户端被加密后才发送到数据库服务器。
  • 服务器端不解密：数据库服务器始终无法看到明文数据，只能操作加密后的数据。
  • 透明性：支持透明的数据加密和解密，应用程序几乎无需修改即可使用加密的数据。

4. 证书管理

SQL Server 支持使用证书来保护加密密钥。证书可以存储在数据库中，并用于加密各种类型的密钥，如 DEK 或其他证书。证书管理包括证书的创建、导入、导出、更新和删除等功能。

5. 密钥管理

SQL Server 中的密钥管理涉及到各种类型的密钥，如 DEK、SMK、证书私钥等。密钥管理包括：

  • 密钥的生成：可以使用 SQL Server 内置的功能来生成密钥。
  • 密钥的存储：密钥可以存储在数据库中，也可以存储在外部的密钥管理服务（如 Azure Key Vault）中。
  • 密钥的备份与恢复：支持密钥的备份和恢复，以防止密钥丢失。

6. 其他加密相关功能

除了上述主要的加密技术外，SQL Server 还提供了其他一些加密相关功能：

  • 动态数据掩码（Dynamic Data Masking）：允许隐藏敏感数据，只向具有适当权限的用户提供未掩码的数据。
  • 列权限掩码：允许管理员指定哪些用户可以查看表中的哪些列。
  • 使用 RC4 和 AES 加密算法：SQL Server 支持多种加密算法，包括 RC4 和 AES。

实施加密的最佳实践

在实施 SQL Server 的加密时，应遵循以下最佳实践：

  • 最小权限原则：确保只有必要的人员能够访问加密密钥。
  • 密钥轮换：定期更换密钥以增强安全性。
  • 备份密钥：定期备份密钥，并妥善保管备份。
  • 监控和审计：监控加密操作，并记录相关的审计信息。

通过合理使用 SQL Server 提供的各种加密技术，可以有效保护数据库中的敏感数据，减少数据泄露的风险。在实际应用中，应根据具体的安全需求选择合适的加密方案，并结合其他安全措施共同保障数据安全。

六、审计

SQL Server 2022 提供了强大的审计功能，可以帮助数据库管理员跟踪和记录数据库中的关键操作，以满足合规性和安全性的要求。审计功能可以用于监控登录活动、数据访问模式、数据修改操作以及其他重要的数据库活动。以下是 SQL Server 2022 中审计功能的详细说明：

1. 审计的类型

SQL Server 支持两种主要类型的审计：

  • 服务器级审计（Server-Level Auditing）：记录服务器级别的事件，如登录尝试、服务器启动和关闭等。
  • 数据库级审计（Database-Level Auditing）：记录数据库级别的事件，如表上的插入、更新、删除操作等。

2. 审计目标

审计记录可以被发送到不同的目标位置，以便于存储和分析：

  • 文件系统（File System）：将审计记录写入到文件系统中的文件中。
  • SQL Server 审计表（Audit Table）：将审计记录写入到 SQL Server 中的一个专用表中。
  • Windows 事件日志（Windows Event Log）：将审计记录写入到 Windows 事件日志中。
  • Azure Blob 存储（Azure Blob Storage）：将审计记录写入到 Azure Blob 存储中，适用于云环境。

3. 审计的创建和管理

创建和管理审计的过程通常包括以下几个步骤：

（1）创建审计

首先需要创建一个审计对象，定义审计的目标、审计的条件以及要审计的事件。

CREATE SERVER AUDIT SpecificationName
TO FILE (FILEPATH = N'path_to_directory')
WITH (ON_FAILURE = CONTINUE_ON_FAILURE);
（2）定义审计规范

审计规范指定了要审计的具体操作和条件。

CREATE SERVER AUDIT SPECIFICATION SpecificationName
FOR SERVER AUDIT AuditName
ADD (DATABASE_OBJECT_ACCESS_GROUP)
ADD (DATABASE_OBJECT_CHANGE_GROUP)
ADD (DATABASE_OBJECT_OWNERSHIP_CHANGE_GROUP)
ADD (DATABASE_OBJECT_PERMISSION_CHANGE_GROUP)
WITH (STATE = ON);
（3）启动审计

创建审计后，需要将其启动，以便开始记录审计信息。

ALTER SERVER AUDIT AuditName WITH (STATE = ON);
（4）查看审计记录

审计记录可以使用 T-SQL 查询来查看，或者通过其他工具（如 SSMS）进行查看。

SELECT * FROM sys.fn_get_audit_file(N'path_to_audit_file', NULL, NULL);

4. 审计的主要组件

SQL Server 审计功能的核心组件包括：

  • 审计对象（Audit Object）：定义审计的目标位置。
  • 审计规范（Audit Specification）：定义要审计的具体操作。
  • 审计事件（Audit Events）：具体要审计的操作类型，如登录、查询、数据修改等。
  • 审计状态（Audit State）：审计对象的状态，可以是开启（ON）或关闭（OFF）。

5. 审计的最佳实践

在实施 SQL Server 审计时，应遵循以下最佳实践：

  • 定义明确的审计策略：根据业务需求和合规性要求，定义需要审计的具体操作。
  • 选择合适的审计目标：根据审计记录的需求选择适当的审计目标，如文件系统、SQL Server 表或 Azure Blob 存储。
  • 定期审查审计记录：定期审查审计记录，以发现潜在的安全问题或异常行为。
  • 保持审计记录的完整性和可用性：确保审计记录的安全存储，防止未经授权的访问或篡改。
  • 性能考虑：审计功能会占用一定的系统资源，因此在配置审计时要考虑对性能的影响，并适当调整审计的范围和频率。

通过合理配置和使用 SQL Server 的审计功能，可以有效地监测数据库中的活动，提高数据安全性，并满足各种合规性和审计的要求。

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