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Einleitung

In diesem Artikel greife ich ein Thema auf, welches ich schon seit vielen Jahren immer wieder in Seminaren, bei Konferenzen und auch in Foren versuche zu vermitteln: Schema-Design. Mit Schema ist hierbei nicht das Datenbankschema mit seinem Tabellen-Design gemeint, sondern die „Datenbank-Objekt-Schemas“, die auch als Namensraum beschrieben werden.

Seit dem Release von SQL Server 2005, nun immerhin über 10 Jahre her, liegt es mir besonders am Herzen, Nutzer darin zu schulen, wie man Schemas richtig verwendet.
Eigentlich ist das auch gar nicht besonders schwierig. So, wie ein Entwickler/Architekt, sich für das ER-Diagramm und spätere Tabellendesign mit den Geschäftsprozessen auseinandersetzen muss, muss man sich für das Schema-Design mit den Datenbank-Zugriffs-Prozessen auseinandersetzen.
Leider jedoch sehe ich auch heute noch jede Woche Datenbanken, die nur das „dbo“ Schema kennen.

(EN)
Introduction

This article picks up a topic I have been teaching time and again in seminars, at conferences and in forums for many years: Schema-Design. Here, schema does not mean the database schema with its tabular design but rather the “database object schemas,” also described as Namespace. 

Since the release of SQL Server 2005, in fact more than 10 years ago, it is of particular importance to me to train users in correctly using schemas. As a matter of fact, it is not really that difficult. In the same way that a developer/architect has to deal with business processes for the ER-diagram and later tabular design, one has to deal with database access processes for the schema design.

Unfortunately, however, I still see databases every week which only seem to know the “dbo” schema.

Ich gebe zu, der Umfang an Informationen zu diesem Thema ist nicht so umfangreich wie zu den Dauerrennern „Indexing“ und „Performance“. Sicherheits-Härtung ist ein eher lästig empfundener Aufwand, und selten sind Entwickler in solchen Dingen geschult, um die wichtigen Entscheidungen gleich zur Design-Phase zu fällen. Mit diesem Blog-Post, der zugegeben lange überfällig ist, hoffe ich eine gute Referenz schaffen zu können. Denn, zur Entlastung aller Autodidakten, ausgerechnet die bekannte „AdventureWorks“-Datenbank ist alles andere als ein Vorbild in Sachen Schema-Design. Diese Datenbank ist prinzipiell geschaffen, um die neuen Features der SQL Server Versionen seit 2005 demonstrieren zu können, aber nicht immer werden die Konzepte dabei nach Best Practices entwickelt. Zumal das Konzept der Schema-User-Trennung damals noch recht neu war.

I admit that the amount of information on this topic is not as extensive as on the regulars “Indexing” and “Performance.” Hardening Security is an effort perceived as rather annoying, and developers are rarely trained in such areas in order to make the important decisions right at the design stage. With this – admittedly long due – blog post I hope to provide a good reference. Because, to relieve all autodidacts, ironically, the well-known “AdventureWorks” database is anything but exemplary when it comes to schema-design. This database is generally supposed to demonstrate the new features of the SQL Server Versions since 2005, but the concepts are not always being developed according to best practices. Particularly as the concept of the Schema-User separation was a relatively new thing back then.

Hintergrund-Informationen

Bis SQL Server 2000 waren User und Schemas voneinander abhängig, und man hatte nur 2 Möglichkeiten:

1)       alle Entwickler legten alle Objekte in das dbo-Schema

2)       Objekte liegen im Schema mit dem Namen des Entwicklers, also z.B.: „Andreas.Warenkorb“

Der 2. Ansatz war natürlich völlig impraktikabel, abgesehen von Ein-Mann-Entwicklungen. Entwickler waren also mit db_owner(!)-Rechten ausgestattet und dazu angehalten, Objekte bei allen DDL-Befehlen immer mit dbo.Objektname, also als „Two-Part-Name“ zu spezifizieren. Wurde das vergessen, stand plötzlich der Name des Entwicklers vor den Objekten und Kreuz-Referenzen funktionierten dann meist nicht. – Immerhin war der Verursacher dann klar :-)

Wer das alles nicht beachtete, hatte das Problem, dass er Konten von ehemaligen Entwicklern nicht vom Server löschen konnte, da ihnen ja noch Objekte zugeordnet waren, die dann am Ende fest in der Applikation verankert waren.

Background Information

Up to SQL Server 2000, users and schemas were independent of each other, and there were only 2 options:

1)       All developers put all objects into the dbo-schema.

2)       Objects are in the schema under the developer’s name, e.g.: “Andreas.Shoppingcart”

The second approach was of course entirely impracticable, putting aside one-man-developments. Developers were thus equipped with db_owner(!)-rights and instructed to always specify objects in all DDL commands with dbo.objectname, hence as “Two-Part Name.” If this was forgotten, the developer’s name would suddenly be in front of the objects, and cross-references would in most cases not work. – At least the causer would be obvious :-)

The person not paying attention to any of it would face the problem that he could not delete accounts of former developers from the server as there were still objects assigned to them and that were in the end firmly anchored in the application.

This is why the Security Team for SQL Server 2005 completely revised the schema concept, with the aim to facilitate the delegation of rights.

The dbo-Schema is essentially a relic from the pre-2005 world, which still exists due to backward compatibility reasons, and which is at the same time used as default schema for name resolution (also like before).

Sinn und Zweck von Datenbank-Schemas

Ich zitiere an dieser Stelle ein Mitglied des Security-Teams: „das Ziel der Trennung von Schemas von Usern war, die Sicherheit zu verbessern – durch die Ermöglichung von Delegierung etc.”

Oder, um das passende Whitepaper „SQL Server Best Practices – Implementation of Database Object Schemas” zu zitieren:

"Ein Schema ist ein eindeutiger Namensraum um die Trennung, Verwaltung und den Besitz von Datenbankobjekten zu erleichtern. Es entfernt die enge Kopplung von Datenbankobjekten und Eigentümern um die Sicherheitsverwaltung von Datenbankobjekten zu verbessern. Database-Objekt-Schemas bieten Funktionalitäten um Anwendungsobjekte innerhalb einer Datenbankumgebung zu kontrollieren und helfen sie zu sichern..."

Soweit zu dem hauptsächlichen Zweck.

Natürlich kann man Schemas auch als Ordnungselement verwenden. Ich möchte sogar einladen dazu, das zu tun. Aber bitte erst an zweiter Stelle, wenn die Sicherheitsgrenzen feststehen.

Aims and benefits of database schemas

At this point, let me quote a member of the Security Team: “the intent with separating Schema from Users was to increase security – to allow more controlled delegation, etc.

Or, to quote the relevant whitepaper, “SQL Server Best Practices – Implementation of Database Object Schemas:”

“A schema is a distinct namespace to facilitate the separation, management, and ownership of database objects. It removed the tight coupling of database objects and owners to improve the security administration of database objects. Database object schemas offer functionality to control and help secure application objects within a database environment...”

So much for the main purpose. Of course, one may also use schemas as organization element. I will even invite you to do that. But please only in second place, once the security borders are set.

The image below illustrates how several database principals can use objects in a common schema:

Negativ-Beispiel

Sehen wir uns einmal die eingangs angesprochenen Schemas in der AdventureWorks-Datenbank an:

Negative example

Let us now look at the initially mentioned schemas in the AdventureWorks database:

Auf den ersten Blick mag das schön „ordentlich“ aussehen. Wenn man jedoch genauer hinsieht und überlegt, wie man dort nun Berechtigungen vergeben soll, sieht es eher chaotisch aus.

In allen Schemas gibt es Tabellen und entweder auch Sichten oder Prozeduren oder beides.
Wenn man sich jetzt eine Frontend-Applikation dazudenkt, wo soll diese nun Berechtigungen erhalten?

- Dass db_datareader, db_datawriter und eine „selbsterstellte „db_executor“ o.ä. nicht der Maßstab für diesen Artikel sind, ist sicherlich klar. - Das ist aber durchaus ein valider Ansatz für kleinere Datenbanken, mit wenigen Objekten, oder für Datenbanken, deren Objekte alle wirklich gleichermaßen verwendet werden sollen.

At first sight, this might seem “neat and tidy.” However, once you look closer and start pondering how to assign authorizations, it looks rather chaotic.

In all schemas, there are tables and either also views or procedures or both. Now if one imagines a frontend application in addition, where is it supposed to obtain permissions?

- It is certainly clear that db_datareader, db_datawriter and a “self-created” “db_executor” or the like do not serve as a benchmark for this article. – Yet it is by all means a valid approach for smaller databases with few objects, or for databases whose objects are meant to be used truly equally. 

KISS-Prinzip: „Keep it simple, stupid”

Für Sichten gibt es die SELECT- Berechtigung, bei Ad-Hoc-CRUD-Abfragen auch INSERT, UPDATE und DELETE.
Für Prozeduren genügt die EXECUTE Berechtigung.
Berechtigungen können auf Datenbank- Schema- und Objektebene vergeben werden.
Und natürlich ist die Schema-Ebene die Ebene, die sich anbieten würde, wenn man verhindern möchte, dass man Berechtigungen auf alle Objekte ohne Einschränkung vergibt, aber auch, wenn man sich nicht mit Einzel-Objekt-Berechtigungen herumschlagen möchte.

KISS-Principle: “Keep it simple and stupid“

For views, there is the SELECT permission, in ad-hoc-CRUD queries there is also INSERT, UPDATE and DELETE.
The EXECUTE permission suffices for all procedures.
Permissions can be assigned on a database-schema and object level. And of course, the schema level is the level that would present itself if the intention is to grant authorizations to all objects without restriction, but also if one does not want to grapple with single-object permissions.

Here is an example from the official MOC course:

In diesem Beispiel wird das SELECT-Recht auf alle Objekte in dem Schema „Knowledgebase“ vergeben.
Angewandt auf unser AdventureWorks-Schema-Design, würde das bedeuten, dass wir SELECT-Rechte auf alle Schemas vergeben müssen, in denen Sichten oder Tabellen liegen – mit Ausnahme derer, wo neben Tabellen lediglich Prozeduren liegen, die auch wirklich alle benötigten Operationen auf die im selben Schema enthaltenen Tabellen durchführen – was hier auch nicht der Fall ist.

Im Endeffekt wird man SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE-Rechte auf alle Schemas vergeben müssen, zuzüglich einiger EXECUTE-Berechtigungen  auf das dbo-, HumanResources-, Production- und Sales-Schema.

Viel gewonnen hat man damit nicht.

Ein Anwender kann damit auch an den Prozeduren vorbei auf den Tabellen arbeiten, wenn er eine Direkt-Verbindung zur Datenbank aufgebaut hat.

In this sample, the SELECT permission is granted to all objects in the schema “KnowledgeBase.”
Applied to our AdventureWorks schema design, this would imply that we have to grant SELECT rights to all schemas in which there are views or tables – with the exception of those where, besides tables, there are merely procedures that actually execute all required operations against the tables contained in the same schema – which is not the case here either.

At the end of the day, one will have to grant SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE rights to all schemas, and, in addition, a couple of EXECUTE permissions to the dbo-, HumanResources-, Production- and Sales-schema.

This does not get us very far.

A user can also work on the tables, past the procedures, after establishing a direct connection to the database.

Schema-Design richtig gemacht

Wie sähe es aus, wenn man es aus der Sicherheitsperspektive richtig macht?

Das ist nicht weiter schwer vorzustellen. SQL Server kennt ja so etwas wie “Objekt-Besitzerverkettung” (“Object-Ownership-Chaining”). Schemas haben einen Besitzer und sind Teil der Kette. Das heißt, solange die beteiligten Schemas den selben Besitzer haben, kann man in einem Schema, „Zugriffobjekte“ (Sichten, Prozeduren, Funktionen) halten, und in einem anderen Schema Objekte (Tabellen), auf die man keinen direkten Zugriff erlauben möchte.

Schema-Design done right

What would it look like if one does it correctly from a security-point-of-view?

It is not that difficult to imagine. In fact, SQL Server knows a thing called “Object Ownership Chaining.” Schemas have an owner and are part of the chain. That means, as long as the schemas involved have the same owner, one can keep “access-object” (views, procedures, functions) in one schema, and, in another schema, objects (tables) to which one does not want to allow direct access.

Das Prinzip hatte ich 2009 auf dem PASS Summit in Seattle im Vortrag „Securing SQL Server from Inside-Attacks“ „Schema-Ownership-Chaining“ getauft.

In my presentation “Securing SQl Server from Inside-Attacks” at the 2009 PASS Summit in Seattle, I dubbed this principle “schema-ownership-chaining.”

Schema-Ownership-Chaining

Man sieht hier in der (leicht modifizierten) Slide, dass ein User keinen direkten Zugriff auf die Tabellen in dem Schema „Data“ hat, sondern nur über Sichten in dem Schema „Access“ (=„Zugriff“ – daher „Zugriffsschema“). Das funktioniert, weil die Schemas und die enthaltenen Objekte denselben Besitzer haben. Hier „dbo“.

Schema-Ownership-Chaining

In the (slightly modified) slide above, one can see that a user does not have direct access to the tables in the schema “Data” but only via views in the schema “Access” (hence “Access-Schema”). This works because the schemas and the contained objects have the same owner – “dbo” in this case.

Zur SQLRally Nordic, 2012 in Kopenhagen für den Vortrag „SQL Server 2012 Security for Developers“ hatte ich das Konzept noch etwas verfeinert:

For my presentation “SQL Server 2012 Security for Developers” at the 2012 SQLRally Nordic in Copenhagen, I refined this concept a bit more:

Best Practices für Schema-Design

Aus dieser Grafik geht noch besser hervor, dass in dem Schema „App1“ keine Tabellen liegen, sondern nur Zugriffscode in Form von Prozeduren, ggf. Sichten. Daher genügt ein EXECUTE-Recht auf dieses Schema, und was immer die Prozeduren durchführen (SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE), erfordert keine weiteren Rechte – schon gar nicht auf den Tabellen, hier im Schema „Sales“, selber.

Und noch ein zweiter Ansatz wird hier ersichtlich: Das Denken an „Prozesse“ bzw. hier Applikationen.
In vielen Datenbanken muss eine Applikation nicht wirklich auf alle Tabellen zugreifen.
Spätestens sobald mehrere Applikationen mit einer Datenbank arbeiten, wird ersichtlich, dass das „Ordnungs-Konzept“ einem im Wege steht. Idealerweise erschafft man also für jede Applikation ein eigenes Schema, das genau die Prozeduren enthält, die diese verwenden soll. Für Ad-Hoc Zugriffe, die leider oft für Code-generatoren benötigt werden, kann man das auch mit Sichten machen.
Und es hindert einen niemand daran, ein „gemeinsames Schema“ zu erschaffen, in dem Code (Prozeduren und Sichten) liegt, der von beiden verwendet wird.

Best Practices for Schema-Design

The above graphic illustrates even better that there are no tables in the schema “App1” but only access code in the form of procedures, and, where applicable, views. As a result, one EXECUTE permission is enough for this schema, and whatever the procedures are executing (SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE) does not require any further rights – especially not on the tables themselves, here in the schema “Sales.”

A second approach becomes evident here: Considering “processes” or, in this case, applications.

In many databases, an application must not really access all tables. At the latest when several applications are working with one database it becomes apparent that the “order-concept” represents an obstacle. Ideally, then, for each application one schema is created that contains exactly those procedures the former is supposed to use. For ad-hoc-accesses, unfortunately often needed for code generators, it is also possible to do this with views.
In fact, no one keeps you from creating a “common schema” in which there is the code (procedures and views) that is used by both.

Hinweis zu Objektbesitzer und durchbrochene Besitzverkettung

Achtung: die Besitzverkettung kann auf allen Ebenen, d.h. Schema, Prozedur, Sicht oder Tabelle durchbrochen werden. Das passiert auch, wenn man den Besitzer einer Tabelle ändert, wie im Folgenden dargestellt.

Note on Object Owner and broken Ownership Chains

Attention: the ownership-chains can be broken on all levels, i.e. schema, procedure, view or table. This also occurs when the owner changes a table, as demonstrated below.

This is how you can prompt the owners of the schemas and tables involved:

Eine Principal_id von NULL bedeutet, dass die Tabelle dem Schema_owner gehört. Das Schema „Person“ gehört dem dbo (principal_id=1)

Ändern des Besitzers der Tabelle:

A Principal_id of NULL means that the table is owned by the Schema_owner. The schema “Person” is owned by the dbo (principal_id=1)

Altering the owner of the table:

An dieser Stelle ist die Besitzverkettung unterbrochen.

Und nicht nur das: auch sämtliche Schema-Berechtigungen werden dadurch zurückgesetzt!

Und so setzt man sie auf den Schema-Besitzer zurück – das ist besser, als den Besitzer explizit auf dbo (oder einen anderen Prinzipal) zu setzen:

At this point, the ownership chain is broken.

Not only that: also, as a result all schema permissions are reset!

And this is how to reset them to the schema owner – which is better than explicitly assigning the owner to dbo (or another principal):

Ergebnis:

Result:

AdventureWorks-Schema korrigierte/sicherheits-optimierte Fassung

Nachdem das Konzept nun klar ist, versuchen wir es mal mit der AdventureWorks-Datenbank. Im Folgenden mein Vorschlag:

AdventureWorks-Schema corrected/security-optimized version

Now that the concept is clear, let’s give the AdventureWorks-database a shot.
My suggestion is as follows:

Die Sichten liegen nicht mehr zusammen mit Tabellen, damit ein SELECT-Recht auch wirklich nur Sichten betrifft. Neu ist das Schema „WebShop“, was beispielhaft für eine Applikation gedacht ist, die eben alle Prozeduren aufrufen und Sichten verwenden darf, die dafür programmiert worden sind.

Das dbo-Schema ist jetzt leer und bestimmte Objekte, Log-Tabellen z.B. liegen im Admin-Schema. Man kann diese auch im dbo-Schema belassen, aber man muss bedenken, dass dieses immer als Default-Schema bei der Namesauflösung verwendet wird.

The views are not together with tables anymore so that a SELECT right is sure to concern views only. What is new is the schema “WebShop,” which is meant exemplary for an application that is permitted to call all procedures and use views programmed for this purpose.

Ausführungskontext und durchbrochene Besitzverkettung

In manchen Szenarien kann eine durchbrochene Besitzverkettung auch gewollt sein. Um dennoch bestimmten Modulen Zugriff auf Daten im Zielschema zu gewähren, ohne das Zielschema selber mit Berechtigungen freizugeben, kann man mit der „EXECUTE AS-Klausel“ arbeiten.
Die Umsetzung kann dann schematisch so aussehen:

Execution-Context and broken ownership chains

In some scenarios, a broken ownership-chain can be intentional. In order to still grant particular modules access to data in the target schema without opening the target schema itself with permissions, one can work with the „EXECUTE AS-Clause.“

Empfehlungen für Schema-Design

Im Folgenden einige Ansätze, wie man bei der Entscheidung für Schema-Design vorgehen kann.

Das Idealmaß wäre eine Struktur nach Prozess oder Anwendung (Unter Sicherheitsfachleuten auch „Rolle“)

Beispiel:

Recommendations for Schema-Design

In the following, I will present a few approaches to the decision-making for schema-design.

The ideal measure would be a structure according to process or application (also known as “role” among security experts).

Example:

Weitere Beispiele für bestimmte Szenarien, wie sie Sarpedon Quality Lab® teilweise so auch seit Jahren in Kundenprojekten implementiert und in Schulungen gezeigt:

Further examples for certain scenarios, as also partly implemented in customer projects and shown in seminars by Sarpedon Quality Lab® for years:

Standard OLTP

Data Processing (Cleansing etc.):

Data Processing (Cleansing etc.):

DataWarehouses (Source for OLAP-Cubes)

DataWarehouses (Source for OLAP-Cubes)

Für lediglich interne Datenbanken kann man auch folgenden Ansatz verwenden:

For merely internal databases it is also possible to use the following approach:

Weitere Tipps:

• Anstelle “dbo” empfehle ich einen expliziten “User without Login“ anzulegen und als dedizierten Schema-Besitzer zu verwenden.
• Die folgenden Schemas sind „backward compatibility schemas“, die man getrost löschen kann. Man kann sie nur löschen, wenn sie nicht verwendet werden, von daher gibt es da kein Risiko – und sie anzufangen zu verwende, davon rate ich natürlich auch ab.:

 Further hints:

• In place of „dbo,” I recommend setting up an explicit “User without Login” and using it as dedicated schema-owner.
• The following schemas are “backward compatibility schemas” which one can safely delete. They can only be deleted if they are no longer used, which is why there is no risk – and of course, I advise against starting to use them.:
  

Hier noch einige Links zu Artikeln zum Weiterlesen:

Here some links for further reading:

Aufruf an Entwickler

An dieser Stelle vielen Dank fürs Lesen. Der erste Schritt ist damit getan: sich mit der Thematik Schema-Design überhaupt auseinanderzusetzen.

Call to developers

First of all, thank you very much for reading. The first step has thus been taken: to generally engage with the issue of Schema-Design.

It is my hope that this also leads to a rethinking and that I am going to see more well-designed schema-uses. And a practical, logical partitioning for the purpose of order can be part of this – ideally combined with an access-schema. But anything is better than saving all programs directly in C:\Program Files\ – there, subfolders are also common practice.