Добавлен: 05.07.2023
Просмотров: 419
Скачиваний: 14
Управление транзакциями. Транзакция – это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (COMMIT) изменения БД, произведенные ею, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается в состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.
Таким образом, поддержание механизма транзакций – обязательное условие даже однопользовательских СУБД (если, конечно, такая система заслуживает названия СУБД). Но понятие транзакции гораздо существеннее во многопользовательских СУБД. То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД. При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый пользователь может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это несколько идеализированное представление, поскольку пользователи многопользовательских СУБД порой могут ощутить присутствие своих коллег).
С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализации транзакций и сериального плана выполнения смеси транзакций. Под сериализаций параллельно выполняющихся транзакций понимается такой порядок планирования их работы, при котором суммарный эффект смеси транзакций эквивлентен эффекту их некоторого последовательного выполнения. Сериальный план выполнения смеси транзакций – это такой способ их совместного выполнения, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться действительно сериального выполнения смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого образована транзакция, присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать некоторого замедления работы для каждого пользователя по сравнению с однопользовательским режимом).
Существует несколько базовых алгоритмов сериализации транзакций. В централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизационных захватах объектов БД. При использовании любого алгоритма сериализации возможны ситуации конфликтов между двумя или более транзакциями по доступу к объектам БД. В этом случае для поддержания сериализации необходимо выполнить откат (ликвидировать все изменения, произведенные в БД) одной или более транзакций. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе транзакций других пользователей.
Журнализация. Одно из основных требований к СУБД – надежное хранение данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть аварийное завершение работы СУБД (из-за ошибки в программе или некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции.
В любом случае для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией. Другими словами, поддержание надежного хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та их часть, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенный метод поддержания такой избыточной информации – ведение журнала изменений БД.
Журнал – это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая особо тщательно (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД. В разных СУБД изменения БД журнализуются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения БД (например, операции удаления строки из таблицы реляционной БД), а порой запись соответствует минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти. В некоторых системах одновременно используются оба подхода.
Самая простая ситуация восстановления – индивидуальный откат транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений БД. Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации БД, выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции выполнением обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а индивидуальный откат транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи от одной транзакции связывают обратным списком (от конца к началу).
При мягком сбое во внешней памяти основной части БД могут находиться объекты, модифицированные транзакциями, не закончившимися к моменту сбоя, и могут отсутствовать объекты, модифицированные транзакциями, которые к моменту сбоя успешно завершились (по причине использования буферов оперативной памяти, содержимое которых при мягком сбое пропадает). При соблюдении протокола WAL во внешней памяти журнала должны гарантированно находиться записи, относящиеся к операциям модификации обоих видов объектов. Целью процесса восстановления после мягкого сбоя является состояние внешней памяти основной части БД, которое возникло бы при фиксации во внешней памяти изменений всех завершившихся транзакций и которое не содержало бы никаких следов незаконченных транзакций. Чтобы этого добиться, сначала производят откат незавершенных транзакций (undo), а потом повторно воспроизводят (redo) те операции завершенных транзакций, результаты которых не отображены во внешней памяти. Этот процесс содержит много тонкостей, связанных с общей организацией управления буферами и журналом.
Для восстановления БД после жесткого сбоя используют журнал и архивную копию БД. Грубо говоря, архивная копия – это полная копия БД к моменту начала заполнения журнала (имеется много вариантов более гибкой трактовки смысла архивной копии). Конечно, для нормального восстановления БД после жесткого сбоя необходимо, чтобы журнал не пропал. Тогда восстановление БД состоит в том, что, исходя из архивной копии по журналу воспроизводится работа всех транзакций, которые закончились к моменту сбоя. В принципе можно даже воспроизвести работу незавершенных транзакций и продолжить их работу после конца восстановления. Однако в реальных системах это обычно не делается, поскольку процесс восстановления после жесткого сбоя является достаточно длительным.
2.2 Управление безопасностью в СУБД
Механизм меток безопасности не отменяет, а дополняет произвольное управление доступом: пользователи по-прежнему могут оперировать с таблицами только в рамках своих привилегий, но получать только часть данных столбец в метками безопасности не включается в результирующую таблицу). Основная проблема, имеющая место при использовании меток безопасности, поддержание их целостности. Это означает, что все объекты и субъекты должны быть помечены и при любых операциях с данными метки должны оставаться правильными. При добавлении или изменении строк метки, как правило, наследуют метки безопасности пользователя, инициировавшего операцию. Таким образом, даже если авторизованный пользователь перепишет секретную информацию в общедоступную таблицу, менее благонадежные пользователи не смогут ее прочитать.
Принцип принудительного управления доступом основан на сопоставлении меток безопасности субъекта и объекта. Для чтения информации из объекта необходимо доминирование метки субъекта над меткой объекта. При выполнении операции записи информации в объект необходимо доминирование метки безопасности объекта над меткой субъекта. Этот способ управления доступом называется принудительным, т.к. не зависит от воли субъектов. Он нашел применение в СУБД, отличающихся повышенными мерами безопасности.
Поддержка целостности. Обеспечение целостности данных не менее важная задача, чем управление доступом. Главными врагами баз данных являются ошибки оборудования, администраторов, прикладных программ и пользователей, а не злоумышленников. С точки зрения пользователей СУБД, основными средствами поддержания целостности данных являются: ограничения; правила.
Ограничения могут поддерживаться непосредственно в рамках реляционной модели данных, а могут задаваться в процессе создания таблицы. Табличные ограничения могут относиться к группе столбцов, отдельным атрибутам. Ссылочные ограничения отвечают за поддержание целостности связей между таблицами. Ограничения накладываются владельцем таблицы и влияют на результат последующих операций с данными. Ограничения являются статическим элементом поддержания целостности, т.к. они или разрешают выполнять действие или нет.
Правила позволяют вызывать выполнение заданных процедур при определенных изменениях базы данных. Правила ассоциируются с таблицами и срабатывают при изменении этих таблиц. В отличие от ограничений, которые обеспечивают контроль относительно простых условий, правила позволяют проверять и поддерживать соотношения любой сложности между элементами данных в базе. В контексте информационной безопасности необходимо отметить, что создание правила, ассоциированного с таблицей, может реализовать только владелец этой таблицы. Пользователь, действия которого вызывают срабатывание правила, должен обладать лишь необходимыми правами доступа к таблице. Тем самым правила неявно расширяют привилегии пользователя. Подобные расширения должны контролироваться административно, так как даже незначительное изменение правила может кардинально повлиять на защищенность данных. Существует явное предостережение при использовании правил как инструмента информационной безопасности: ошибка в сложной системе правил чревата непредсказуемыми последствиями для всей базы данных.
Протоколирование и аудит. Аудит – проверка того, все ли предусмотренные средства управления задействованы и соответствуют уровню защищенности установленным требованиям. Такая мера как протоколирование и аудит состоит в следующем: обнаружение необычных и подозрительных действий пользователей и идентификация лиц, совершивших эти действия; оценка возможных последствий состоявшегося нарушения; оказание помощи; организация пассивной защиты информации от нелегальных действий пользователя: поддержка точности вводимых данных; поддержка документации в активном виде; корректное тестирование пользователей.
Рекомендуется при выполнении организации протоколирования фиксировать факты передачи привилегий и подключения к той или иной базе данных.
Средства поддержки доступности. Следующим вопросом в рассмотрении проблемы обеспечения информационной безопасности является анализ средств поддержания высокой готовности. Если речь идет о СУБД, то необходимо в архитектуре аппаратно-программного комплекса иметь средства, обеспечивающие нейтрализацию аппаратных отказов и восстановление после ошибок обслуживающего персонала или прикладных программ.
Сохранение информации базы данных на диски, помещаемые затем в безопасное место, уже длительное время активно применяется для информационных систем. При архивировании сохраняются пространства базы данных и многочисленная сопутствующая информация, необходимая для последующего восстановления. Резервное копирование – периодически выполняемая процедура получения копии базы данных и ее журнала изменений на носителе, сохраняемом отдельно от системы. Надо помнить, что архив отражает состояние базы данных на время начала архивирования. Резервные копирования логических журналов транзакций сохраняет файлы журналов; интерпретация последних позволяет восстановить базу данных до состояния, более позднего, чем момент последнего архивирования. На основании полученной информации из архива и/или резервной копии может быть осуществлено восстановление как архивной информации (физическое восстановление), так и более свежие состояние базы данных (логическое восстановление).
Рассмотренные выше средства сохранения могут обеспечить восстановление с минимальными потерями пользовательской информации, однако работа сервера базы данных будет на некоторое время прервана.
Следующий механизм, обеспечивающий высокий уровень отказоустойчивости – технология тиражирования данных. Тиражирование данных – это асинхронный перенос изменений объектов исходной базы данных в базы, принадлежащие различным узлам распределенной системы. В конфигурации серверов базы данных выделяют один основной и ряд вторичных. В обычном режиме работы основной сервер выполняет чтение и обновление данных, обеспечивает перенос зафиксированных изменений на вторичные серверы. В случае отказа основного сервера его функции автоматически (вручную) переводятся на вторичный сервер в режим работы “чтение + запись”. После восстановления функций основного сервера ему может быть присвоен статус вторичного, а вторичному делегированы все полномочия основного (при этом обеспечивается непрерывная доступность данных). Процедура тиражирования осуществляется либо в синхронном, либо в асинхронном режиме. Благодаря первому осуществляется гарантированность полной согласованности данных, т.е. на вторичном сервере будут зафиксированы все транзакции, выполненные на основном. Асинхронный режим улучшает рабочие характеристики системы, не всегда обеспечивая полную согласованность (стоит заметить, что далеко не во всех задачах требуется синхронизация фиксации; достаточно поддерживать тождественность данных лишь в критические моменты времени).