第六章多级数据库安全管理系统
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3
➢ 1985年美国国防部(DoD)正式颁布《 DoD 可信计算机系统评估标准》 ❖简称TCSEC或DoD85,TCSEC又称桔皮书
➢ TCSEC标准的目的 ❖提供一种标准,使用户可以对其计算机系 统内敏感信息安全操作的可信程度做评估。
❖给计算机行业的制造商提供一种可循的指 导规则,使其产品能够更好地满足敏感应 用的安全需求。
❖ 典型例子
操作系统:Microsoft的Windows NT 3.5,数字设备公司 的Open VMS VAX 6.0和6.1,linux系统的某些执行方法符 合C2级别。
数据库:Oracle公司的Oracle 7,Sybase公司的 SQL
Server 11.0.6
10
等级说明:B1
➢ B1级(标签安全保护级) ❖ 标记安全保护。“安全”(Security)或“可 信的”(Trusted)产品。
第六章
多级安全数据库 管理系统
1
本章概要 6.1 安全数据库标准 6.2 多级安全数据库关键问题 6.3 多级安全数据库设计准则 6.4 多级关系数据模型 6.5 多实例 6.6 隐蔽通道分析
2
6.1 安全数据库标准
6.1.1 可信计算机系统评测标准
➢ 为降低进而消除对系统的安全攻击,各国引 用或制定了一系列安全标准 ❖ TCSEC (桔皮书) ❖ TDI (紫皮书)
➢ A1级(验证设计级)
❖ 验证设计,即提供B3级保护的同时给出系统的 形式化设计说明和验证以确信各安全保护真正 实现。这个级别要求严格的数学证明。
13
说明
➢ B2以上的系统 ❖ 还处于理论研究阶段 ❖ 应用多限于一些特殊的部门如军队等 ❖ 美国正在大力发展安全产品,试图将目前仅 限于少数领域应用的B2安全级别下放到商业 应用中来,并逐步成为新的商业标准。
11
等级说明:B2
➢ B2级(结构化保护级)
❖ 建立形式化的安全策略模型并对系统内的所有主体 和客体实施DAC和MAC,从主体到客体扩大到I/O设 备等所有资源。要求开发者对隐蔽信道进行彻底地 搜索。TCB划分保护与非保护部分,存放于固定区 内。
❖ 经过认证的B2级以上的安全系统非常稀少 ❖ 典型例子
t21[TC]Λ t11[CFK1] ≥ t21[CAK2]。 ➢外键的访问等级必须支配引用元组 中主键的访问等级。
29
E
四、实例间完整性
➢多级关系Rc满足实例间完整性,当且仅 当对所有
c‘≤c,Rc′=σ( Rc,c′),其中过 滤函数σ按以下方法从Rc产生安全等级为
c′的实例Rc′:
❖所有 t∈Rc, t[CAK]≤c′,
4
➢ TCB可信计算基:是Trusted Computing Base的简称,指的是计算机内保护装置 的总体,包括硬件、固件、软件和负责 执行安全策略管理员的组合体。它建立 了一个基本的保护环境并提供一个可信 计算机系统所要求的附加用户服务。
5
➢ 1991年4月美国NCSC(国家计算机安全中 心)颁布了《可信计算机系统评估标准 关于可信数据库系统的解释》 ❖简称TDI,又称紫皮书 ❖它将TCSEC扩展到数据库管理系统 ❖定义了数据库管理系统的设计与实现 中需满足和用以进行安全性级别评估 的标准
一、 插入操作
形式:INSERT INTO Rc(Ai [,Aj]…) VALUES (ai [,aj]…)
当插入元组t(新插入)与主键值相同的元组t′ 时:
1)若t[TC]= tˊ[TC],拒绝t的插入。//满足多 实例完整性约束
2)若t[TC]< tˊ[TC],允许t的插入,以防止隐 通道。
28
➢多级参照完整性: ➢假设参照关系R1具有外观主码AK1, 外码FK1,被参照关系R2具有外观主 码AK2,多级关系R1的一个实例 r1 和多级关系R2的一个实例 r2满足参 照完整性,当且仅当
所有t11∈r1 , t11[FK1] ≠null ,
E t21∈r2 ,t11[FK1] = t21[AK2] Λ t11[TC]=
一、多级关系 ➢ 传统的关系模式:R(A1,A2,……, An) ➢ 多级关系模式:
R(A1,C1,A2,C2,……,An,Cn,TC) ❖ 元组的安全级别:TC ❖ 元组表示:t(a1,c1,a2,c2,……,an,cn,tc) ❖ 元组t的安全标签:t[tc]. ❖ 属性ai的安全标签:t[ci]. [例] Weapon多级关系表示。
14
6.2 多级安全数据库关键问题
➢ 多级安全数据库关键问题包括: ❖多级安全数据库体系结构 ❖多级安全数据模型 ❖多实例 ❖元数据管理 ❖并发事务处理 ❖推理分析和隐蔽通道分析
15
6.3 多级安全数据库设计准则
➢ 多级安全数据库设计准则如下: ❖提供多级密级粒度 ❖确保一致性和完整性 ❖实施推理控制 ❖防止敏感聚合 ❖进行隐蔽通道分析 ❖支持多实例 ❖执行并发控制
结构化保护(Structural Protection) 标记安全保护(Labeled Security Protection) 受控的存取保护(Controlled Access
Protection)
自主安全保护(Discretionary Security
Protection)
最小保护(Minimal Protection)
17
➢ 安全标签粒度:是标识安全等级的最小逻辑对 象单位。
➢ 安全标签粒度级别:关系级、元组级及属性级 。
➢ 安全粒度控制 ❖ 按照不同的安全需求和实体类型,决定安全 控制的程度。
❖ 例如,对数据的存取,可以是关系级、元组 级及属性级。
➢ 粒度越细,控制越灵活,但所对应的操作越困 难和复杂。
18
6.4.2 多级关系
∈ t′∈Rc′, 满足t′[AK,CAK]= t[AK,CAK].//主码保留 ❖所有Ai AK有
t′[Ai,Ci]=t[Ai,Ci] if t[Ci] ≤ c′ t′[Ai,Ci]=<null,t[CAK]> otherwise
➢ 消除Rc’的归类元组
30
实例间完整性举例:例1 U级用户对表1过滤后得到表2
❖ Ai∈AK => t[Ci] >= t[CAK]//非码属性安
全等级支配键值,保证关系可见的任何级 别上,主键不可能为空。
24
二、空值完整性
➢ 在多级关系中,空值有两种解释:
❖ 一种确实为空。
❖ 另一种是实例的等级低于属性的等级使此属 性不可见,从而显示为空。
➢ 空值完整性使用了归类关系,归类关系如下: 如果两元组t和s,如果属性Ai满足下列条件之 一,元组t包含元组s。
23
一、实体完整性
设AK是定义在关系模式R上的外观主码,一个 多级关系满足实体完整性,当且仅当对R的所 有实例Rc与t∈Rc,有:
❖ Ai∈AK => t[Ai]≠null// 主码属性不能 为空
❖ Ai , Aj∈AK => t[Ci]=t[Cj]//主键各属 性安全等级一致,保证在任何级别上主键 都是完整的。
26
[例1] 多级关系违反了空值完整性
多级关系违反了空值完整性
27
三、多级外码完整性与参照完整性
➢ 多级外码完整性: 假设FK是参照关系R的外码,多级关系R的一个实例 Rc满足外码完整性,当且仅当对所有的t∈Rc满足: ❖ 或者(所有Ai∈FK) t[Ai] = null, 或者(所有Ai∈FK) t[Ai]≠null //外码属性全空或全非空 ❖ Ai , Aj∈FK => t[Ci]=t[Cj]。 //外码的每个属性具有相同的安全级别
16
6.4 多级关系数据模型
6.4.1 安全的特征
➢ 传统关系模型两个重要的完整性: ❖ 实体完整性、引用完整性(参照完整性)。
➢ 多级关系数据模型三要素: ❖ 多级关系、多级关系完整性约束及多级关系 操作。
➢ 多级安全模型需作的改进: ❖ 多级安全模型:在传统关系模型基础上各种 逻辑数据对象强制赋予安全属性标签。 ❖ 修改传统关系模型中关系的完整性及关系上 的操作。
操作系统:只有Trusted Information Systems公司的 Trusted XENIX一种产品
数据库:北京人大金仓信息技术股份有限公司的
KingbaseES V7产品
12
等级说明:B3,A1
➢ B3级(安全区域保护级) ❖ 该级的TCB必须满足访问监控器的要求,安全 内核,审计跟踪能力更强,并提供系统恢复过 程。即使计算机崩溃,也不会泄露系统信息。
❖ 对系统的数据加以标记,对标记的主体和客 体实施强制存取控制(MAC)、对安全策略 进行非形式化描述,加强了隐通道分析,审 计等安全机制
❖ 典型例子
操作系统:数字设备公司的SEVMS VAX Version 6.0,惠普公司的HP-UX BLS release 9.0.9+
数据库:Oracle公司的Trusted Oracle 7, Sybase公司的Secure SQL Server version 11.0.6。
➢ 四组七个等级
➢ 按系统可靠或可信程 度逐渐增高
➢ 各安全级别之间具有 一种偏序向下兼容的 关系,即较高安全性 级别提供的安全保护 要包含较低级别的所 有保护要求,同时提 供更多或更完善的保 护能力。
8
等级说明:D,C1
➢ D级(最小保护级) ❖将一切不符合更高标准的系统均归于D组 ❖典型例子:DOS是安全标准为D的操作系统 DOS在安全性方面几乎没有什么专门 的 机制来保障无身份认证与访问控制。
➢ C1级(自主安全保护级) ❖非常初级的自主安全保护 ❖能够实现对用户和数据的分离,进行自主 存取控制(DAC),保护或限制用户权限 的传播。早期的UNIX系统属于这一类。 ❖这类系统适合于多个协作用户在同一个安9
等级说明:C2
➢ C2级(受控的存取保护级)
C2级达到企业级安全要求。可作为最低军用安全级别
❖ 对于两元组t和s, 如果任何一个属性 t[Ai ,Ci] = s[Ai ,Ci];
❖ t[Ai]≠null且 s[Ai]=null,则称元组t包含元 组s 或 t归类于s。
25
➢ 一个多级关系R满足空值完整性,当且仅当 对R的每个实例Rc均满足下列两个条件: ❖ 空值的安全级别与主键相同。 即对于所有的t∈Rc, t[Ai]=null => t[ci]=t[CAK] //空值对所有级别用户可见 ❖ Rc不含有两个有包含关系的不同元组。 //不出现因为空值而导致的冗余元组
6
TDI/TCSEC标准的基本内容
➢ TDI与TCSEC一样,从四个方面来描述安 全性级别划分的指标 ❖安全策略 ❖责任 ❖保证 ❖文档
7
TCSEC/TDI安全级别划分
安全级别
A1 B3 B2 B1 C2 C1 D
定义
验证设计(Verified Design)
安全域(Security Domains)
19
表1 原始Weapon多级关系
表2 Weapon U 级实例
20
表1 原始Weapon多级关系 表3 原始Weapon S级实例
21
表4 Weapon TS级实例
22
6.4.3 多级关系完整性
➢ 多级关系完整性: ❖实体完整性 ❖空值完整性 ❖多级外码完整性Βιβλιοθήκη Baidu参照完整性 ❖实例间完整性 ❖多实例完整性
表1.多级关系“卫星” S级实例
表2.多级关系“卫星”过滤后U级实例
31
实例间完整性举例:例2
表3.多级关系“卫星” U级实例 表4.多级关系“卫星”S级实例
表5.多级关系“卫星”过滤后S级实例
32
五、多实例完整性
➢ 假设多级关系R的外观主码集合为AK,主码等级 为CAK 。多实例完整性要求由AK、CAK以及第i个 属性的等级Ci便可确定第i个属性值Ai 。
➢ 一个多级关系满足多实例完整性,当且仅当Rc 中的每个属性Ai ,满足AK,CAK,Ci → Ai 即Ai函数依赖于AK,CAK,Ci 。
➢ 同一级别的元组之间不存在多实例。
33
多级关系Weapon(满足多实例完整性)
多级关系Weapon(不满足多实例完整性) (元组级别相同主键重复)
34
6.4.4 多级关系操作
❖ 提供受控的自主存取保护,将C1级的DAC进一步细 化,以个人身份注册负责,并实施审计(审计粒度 要能够跟踪每个主体对每个客体的每一次访问。对 审计记录应该提供保护,防止非法修改。)和资源 隔离,客体重用,记录安全性事件
❖ 达到C2级的产品在其名称中往往不突出“安全 ”(Security)这一特色
➢ 1985年美国国防部(DoD)正式颁布《 DoD 可信计算机系统评估标准》 ❖简称TCSEC或DoD85,TCSEC又称桔皮书
➢ TCSEC标准的目的 ❖提供一种标准,使用户可以对其计算机系 统内敏感信息安全操作的可信程度做评估。
❖给计算机行业的制造商提供一种可循的指 导规则,使其产品能够更好地满足敏感应 用的安全需求。
❖ 典型例子
操作系统:Microsoft的Windows NT 3.5,数字设备公司 的Open VMS VAX 6.0和6.1,linux系统的某些执行方法符 合C2级别。
数据库:Oracle公司的Oracle 7,Sybase公司的 SQL
Server 11.0.6
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等级说明:B1
➢ B1级(标签安全保护级) ❖ 标记安全保护。“安全”(Security)或“可 信的”(Trusted)产品。
第六章
多级安全数据库 管理系统
1
本章概要 6.1 安全数据库标准 6.2 多级安全数据库关键问题 6.3 多级安全数据库设计准则 6.4 多级关系数据模型 6.5 多实例 6.6 隐蔽通道分析
2
6.1 安全数据库标准
6.1.1 可信计算机系统评测标准
➢ 为降低进而消除对系统的安全攻击,各国引 用或制定了一系列安全标准 ❖ TCSEC (桔皮书) ❖ TDI (紫皮书)
➢ A1级(验证设计级)
❖ 验证设计,即提供B3级保护的同时给出系统的 形式化设计说明和验证以确信各安全保护真正 实现。这个级别要求严格的数学证明。
13
说明
➢ B2以上的系统 ❖ 还处于理论研究阶段 ❖ 应用多限于一些特殊的部门如军队等 ❖ 美国正在大力发展安全产品,试图将目前仅 限于少数领域应用的B2安全级别下放到商业 应用中来,并逐步成为新的商业标准。
11
等级说明:B2
➢ B2级(结构化保护级)
❖ 建立形式化的安全策略模型并对系统内的所有主体 和客体实施DAC和MAC,从主体到客体扩大到I/O设 备等所有资源。要求开发者对隐蔽信道进行彻底地 搜索。TCB划分保护与非保护部分,存放于固定区 内。
❖ 经过认证的B2级以上的安全系统非常稀少 ❖ 典型例子
t21[TC]Λ t11[CFK1] ≥ t21[CAK2]。 ➢外键的访问等级必须支配引用元组 中主键的访问等级。
29
E
四、实例间完整性
➢多级关系Rc满足实例间完整性,当且仅 当对所有
c‘≤c,Rc′=σ( Rc,c′),其中过 滤函数σ按以下方法从Rc产生安全等级为
c′的实例Rc′:
❖所有 t∈Rc, t[CAK]≤c′,
4
➢ TCB可信计算基:是Trusted Computing Base的简称,指的是计算机内保护装置 的总体,包括硬件、固件、软件和负责 执行安全策略管理员的组合体。它建立 了一个基本的保护环境并提供一个可信 计算机系统所要求的附加用户服务。
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➢ 1991年4月美国NCSC(国家计算机安全中 心)颁布了《可信计算机系统评估标准 关于可信数据库系统的解释》 ❖简称TDI,又称紫皮书 ❖它将TCSEC扩展到数据库管理系统 ❖定义了数据库管理系统的设计与实现 中需满足和用以进行安全性级别评估 的标准
一、 插入操作
形式:INSERT INTO Rc(Ai [,Aj]…) VALUES (ai [,aj]…)
当插入元组t(新插入)与主键值相同的元组t′ 时:
1)若t[TC]= tˊ[TC],拒绝t的插入。//满足多 实例完整性约束
2)若t[TC]< tˊ[TC],允许t的插入,以防止隐 通道。
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➢多级参照完整性: ➢假设参照关系R1具有外观主码AK1, 外码FK1,被参照关系R2具有外观主 码AK2,多级关系R1的一个实例 r1 和多级关系R2的一个实例 r2满足参 照完整性,当且仅当
所有t11∈r1 , t11[FK1] ≠null ,
E t21∈r2 ,t11[FK1] = t21[AK2] Λ t11[TC]=
一、多级关系 ➢ 传统的关系模式:R(A1,A2,……, An) ➢ 多级关系模式:
R(A1,C1,A2,C2,……,An,Cn,TC) ❖ 元组的安全级别:TC ❖ 元组表示:t(a1,c1,a2,c2,……,an,cn,tc) ❖ 元组t的安全标签:t[tc]. ❖ 属性ai的安全标签:t[ci]. [例] Weapon多级关系表示。
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6.2 多级安全数据库关键问题
➢ 多级安全数据库关键问题包括: ❖多级安全数据库体系结构 ❖多级安全数据模型 ❖多实例 ❖元数据管理 ❖并发事务处理 ❖推理分析和隐蔽通道分析
15
6.3 多级安全数据库设计准则
➢ 多级安全数据库设计准则如下: ❖提供多级密级粒度 ❖确保一致性和完整性 ❖实施推理控制 ❖防止敏感聚合 ❖进行隐蔽通道分析 ❖支持多实例 ❖执行并发控制
结构化保护(Structural Protection) 标记安全保护(Labeled Security Protection) 受控的存取保护(Controlled Access
Protection)
自主安全保护(Discretionary Security
Protection)
最小保护(Minimal Protection)
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➢ 安全标签粒度:是标识安全等级的最小逻辑对 象单位。
➢ 安全标签粒度级别:关系级、元组级及属性级 。
➢ 安全粒度控制 ❖ 按照不同的安全需求和实体类型,决定安全 控制的程度。
❖ 例如,对数据的存取,可以是关系级、元组 级及属性级。
➢ 粒度越细,控制越灵活,但所对应的操作越困 难和复杂。
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6.4.2 多级关系
∈ t′∈Rc′, 满足t′[AK,CAK]= t[AK,CAK].//主码保留 ❖所有Ai AK有
t′[Ai,Ci]=t[Ai,Ci] if t[Ci] ≤ c′ t′[Ai,Ci]=<null,t[CAK]> otherwise
➢ 消除Rc’的归类元组
30
实例间完整性举例:例1 U级用户对表1过滤后得到表2
❖ Ai∈AK => t[Ci] >= t[CAK]//非码属性安
全等级支配键值,保证关系可见的任何级 别上,主键不可能为空。
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二、空值完整性
➢ 在多级关系中,空值有两种解释:
❖ 一种确实为空。
❖ 另一种是实例的等级低于属性的等级使此属 性不可见,从而显示为空。
➢ 空值完整性使用了归类关系,归类关系如下: 如果两元组t和s,如果属性Ai满足下列条件之 一,元组t包含元组s。
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一、实体完整性
设AK是定义在关系模式R上的外观主码,一个 多级关系满足实体完整性,当且仅当对R的所 有实例Rc与t∈Rc,有:
❖ Ai∈AK => t[Ai]≠null// 主码属性不能 为空
❖ Ai , Aj∈AK => t[Ci]=t[Cj]//主键各属 性安全等级一致,保证在任何级别上主键 都是完整的。
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[例1] 多级关系违反了空值完整性
多级关系违反了空值完整性
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三、多级外码完整性与参照完整性
➢ 多级外码完整性: 假设FK是参照关系R的外码,多级关系R的一个实例 Rc满足外码完整性,当且仅当对所有的t∈Rc满足: ❖ 或者(所有Ai∈FK) t[Ai] = null, 或者(所有Ai∈FK) t[Ai]≠null //外码属性全空或全非空 ❖ Ai , Aj∈FK => t[Ci]=t[Cj]。 //外码的每个属性具有相同的安全级别
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6.4 多级关系数据模型
6.4.1 安全的特征
➢ 传统关系模型两个重要的完整性: ❖ 实体完整性、引用完整性(参照完整性)。
➢ 多级关系数据模型三要素: ❖ 多级关系、多级关系完整性约束及多级关系 操作。
➢ 多级安全模型需作的改进: ❖ 多级安全模型:在传统关系模型基础上各种 逻辑数据对象强制赋予安全属性标签。 ❖ 修改传统关系模型中关系的完整性及关系上 的操作。
操作系统:只有Trusted Information Systems公司的 Trusted XENIX一种产品
数据库:北京人大金仓信息技术股份有限公司的
KingbaseES V7产品
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等级说明:B3,A1
➢ B3级(安全区域保护级) ❖ 该级的TCB必须满足访问监控器的要求,安全 内核,审计跟踪能力更强,并提供系统恢复过 程。即使计算机崩溃,也不会泄露系统信息。
❖ 对系统的数据加以标记,对标记的主体和客 体实施强制存取控制(MAC)、对安全策略 进行非形式化描述,加强了隐通道分析,审 计等安全机制
❖ 典型例子
操作系统:数字设备公司的SEVMS VAX Version 6.0,惠普公司的HP-UX BLS release 9.0.9+
数据库:Oracle公司的Trusted Oracle 7, Sybase公司的Secure SQL Server version 11.0.6。
➢ 四组七个等级
➢ 按系统可靠或可信程 度逐渐增高
➢ 各安全级别之间具有 一种偏序向下兼容的 关系,即较高安全性 级别提供的安全保护 要包含较低级别的所 有保护要求,同时提 供更多或更完善的保 护能力。
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等级说明:D,C1
➢ D级(最小保护级) ❖将一切不符合更高标准的系统均归于D组 ❖典型例子:DOS是安全标准为D的操作系统 DOS在安全性方面几乎没有什么专门 的 机制来保障无身份认证与访问控制。
➢ C1级(自主安全保护级) ❖非常初级的自主安全保护 ❖能够实现对用户和数据的分离,进行自主 存取控制(DAC),保护或限制用户权限 的传播。早期的UNIX系统属于这一类。 ❖这类系统适合于多个协作用户在同一个安9
等级说明:C2
➢ C2级(受控的存取保护级)
C2级达到企业级安全要求。可作为最低军用安全级别
❖ 对于两元组t和s, 如果任何一个属性 t[Ai ,Ci] = s[Ai ,Ci];
❖ t[Ai]≠null且 s[Ai]=null,则称元组t包含元 组s 或 t归类于s。
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➢ 一个多级关系R满足空值完整性,当且仅当 对R的每个实例Rc均满足下列两个条件: ❖ 空值的安全级别与主键相同。 即对于所有的t∈Rc, t[Ai]=null => t[ci]=t[CAK] //空值对所有级别用户可见 ❖ Rc不含有两个有包含关系的不同元组。 //不出现因为空值而导致的冗余元组
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TDI/TCSEC标准的基本内容
➢ TDI与TCSEC一样,从四个方面来描述安 全性级别划分的指标 ❖安全策略 ❖责任 ❖保证 ❖文档
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TCSEC/TDI安全级别划分
安全级别
A1 B3 B2 B1 C2 C1 D
定义
验证设计(Verified Design)
安全域(Security Domains)
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表1 原始Weapon多级关系
表2 Weapon U 级实例
20
表1 原始Weapon多级关系 表3 原始Weapon S级实例
21
表4 Weapon TS级实例
22
6.4.3 多级关系完整性
➢ 多级关系完整性: ❖实体完整性 ❖空值完整性 ❖多级外码完整性Βιβλιοθήκη Baidu参照完整性 ❖实例间完整性 ❖多实例完整性
表1.多级关系“卫星” S级实例
表2.多级关系“卫星”过滤后U级实例
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实例间完整性举例:例2
表3.多级关系“卫星” U级实例 表4.多级关系“卫星”S级实例
表5.多级关系“卫星”过滤后S级实例
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五、多实例完整性
➢ 假设多级关系R的外观主码集合为AK,主码等级 为CAK 。多实例完整性要求由AK、CAK以及第i个 属性的等级Ci便可确定第i个属性值Ai 。
➢ 一个多级关系满足多实例完整性,当且仅当Rc 中的每个属性Ai ,满足AK,CAK,Ci → Ai 即Ai函数依赖于AK,CAK,Ci 。
➢ 同一级别的元组之间不存在多实例。
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多级关系Weapon(满足多实例完整性)
多级关系Weapon(不满足多实例完整性) (元组级别相同主键重复)
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6.4.4 多级关系操作
❖ 提供受控的自主存取保护,将C1级的DAC进一步细 化,以个人身份注册负责,并实施审计(审计粒度 要能够跟踪每个主体对每个客体的每一次访问。对 审计记录应该提供保护,防止非法修改。)和资源 隔离,客体重用,记录安全性事件
❖ 达到C2级的产品在其名称中往往不突出“安全 ”(Security)这一特色