如何利用MySQL的内部SQL解析器（SQL Parser）与AST（Abstract Syntax Tree）实现自定义的查询防火墙？ - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

利用MySQL SQL Parser与AST构建自定义查询防火墙

大家好，今天我们来探讨如何利用MySQL的内部SQL解析器以及抽象语法树（AST）构建一个自定义的查询防火墙。这个防火墙能够拦截或修改不符合我们预定义规则的SQL语句，从而增强数据库的安全性，防止恶意查询或误操作对数据库造成损害。

1. 理解MySQL SQL解析器和AST

MySQL服务器接收到SQL语句后，首先需要对其进行解析。这个解析过程主要由SQL解析器完成，它将SQL语句分解成一系列的词法单元（tokens），然后根据MySQL的语法规则，将这些词法单元组织成一个树状结构，也就是抽象语法树（AST）。

AST是SQL语句的逻辑结构的抽象表示。树的每个节点代表SQL语句中的一个元素，例如：

SELECT语句: 根节点通常代表整个SELECT语句。
表名: 代表查询的目标表。
列名: 代表查询中涉及的列。
WHERE子句: 代表查询的过滤条件。
函数调用: 代表SQL语句中使用的函数。
运算符: 代表SQL语句中使用的运算符，如 +, -, =, > 等。

通过遍历AST，我们可以访问和分析SQL语句的各个组成部分，从而实现对SQL语句的深度理解和控制。

2. 获取MySQL SQL解析器和AST的方法

虽然MySQL没有直接暴露其内部的SQL解析器和AST接口供用户直接调用，但我们可以通过以下几种方法间接访问或模拟实现类似功能：

MySQL Connector/J (Java): MySQL Connector/J提供了一个StatementInterceptorV2接口，允许我们在SQL语句发送到服务器之前对其进行拦截和修改。虽然不能直接获取AST，但我们可以利用Java的SQL解析器（如JSQLParser）将SQL语句解析成AST，然后在StatementInterceptorV2中进行处理。
MySQL Plugin API (C/C++): MySQL Plugin API 允许我们开发自定义的服务器插件，这些插件可以拦截客户端发送的SQL语句，并进行分析和修改。我们可以利用C/C++的SQL解析器（例如libsql），在插件中构建AST，并根据我们的安全策略进行处理。
使用外部SQL解析器: 我们可以选择第三方的SQL解析器，如JSQLParser, SQLFluff, Druid等，将SQL语句解析成AST。这些解析器通常支持多种数据库方言，包括MySQL。然后，我们可以根据AST进行规则检查和修改。

3. 基于AST的查询防火墙设计

我们的自定义查询防火墙的核心思想是：

拦截SQL语句： 在SQL语句发送到数据库服务器之前，拦截SQL语句。
解析SQL语句： 使用SQL解析器将SQL语句解析成AST。
规则检查： 遍历AST，检查SQL语句是否符合预定义的安全规则。
处理SQL语句： 根据规则检查的结果，决定是否允许执行SQL语句，或者对其进行修改。

3.1 安全规则定义

我们需要定义一组安全规则，这些规则可以基于以下几个方面：

SQL语句类型： 例如，禁止执行DELETE或UPDATE语句，或者限制SELECT语句只能查询特定的表。
表名和列名： 例如，限制查询只能访问某些表和列，防止敏感信息泄露。
函数调用： 例如，禁止使用某些危险的函数，如LOAD_FILE或BENCHMARK。
WHERE子句： 例如，限制WHERE子句的复杂度，防止SQL注入攻击。
用户权限： 例如，限制某些用户只能执行特定的SQL语句。
查询时间： 例如，如果一条查询语句的执行时间超过阈值，则自动终止执行，防止DDOS攻击。
查询结果集大小： 限制查询结果集的大小，防止内存溢出。

3.2 规则检查流程

规则检查流程通常包括以下步骤：

获取AST： 使用SQL解析器将SQL语句解析成AST。
遍历AST： 从根节点开始，递归地遍历AST的每个节点。
规则匹配： 对于每个节点，检查它是否与预定义的安全规则匹配。
决策： 如果发现任何违反规则的情况，则拒绝执行SQL语句，或者对其进行修改。

4. 代码示例 (基于JSQLParser和Java)

这里我们使用JSQLParser和Java来演示如何构建一个简单的查询防火墙。

首先，我们需要添加JSQLParser的依赖：

<dependency>
    <groupId>com.github.jsqlparser</groupId>
    <artifactId>jsqlparser</artifactId>
    <version>4.8</version>
</dependency>

然后，我们可以创建一个SQLFirewall类，来实现规则检查和SQL语句处理：

import net.sf.jsqlparser.JSQLParserException;
import net.sf.jsqlparser.parser.CCJSqlParserUtil;
import net.sf.jsqlparser.statement.Statement;
import net.sf.jsqlparser.statement.select.Select;
import net.sf.jsqlparser.statement.delete.Delete;
import net.sf.jsqlparser.statement.update.Update;
import net.sf.jsqlparser.util.TablesNamesFinder;
import java.util.List;

public class SQLFirewall {

    private boolean isSafeQuery(String sql) throws JSQLParserException {
        Statement statement = CCJSqlParserUtil.parse(sql);

        if (statement instanceof Select) {
            // 检查SELECT语句
            return isSafeSelect((Select) statement);
        } else if (statement instanceof Delete) {
            // 禁止DELETE语句
            System.out.println("DELETE statements are prohibited.");
            return false;
        } else if (statement instanceof Update) {
            // 禁止UPDATE语句
            System.out.println("UPDATE statements are prohibited.");
            return false;
        } else {
            // 其他类型的语句，默认允许
            return true;
        }
    }

    private boolean isSafeSelect(Select select) {
        TablesNamesFinder tablesNamesFinder = new TablesNamesFinder();
        List<String> tableList = tablesNamesFinder.getTableList(select);

        // 检查表名是否在允许的列表中
        if (tableList.stream().anyMatch(table -> !isTableAllowed(table))) {
            System.out.println("Query to table(s) " + tableList + " is not allowed.");
            return false;
        }

        //  可以在这里添加更多的SELECT语句检查，例如检查列名，WHERE子句等
        return true;
    }

    private boolean isTableAllowed(String tableName) {
        // 定义允许访问的表
        return tableName.equalsIgnoreCase("users") || tableName.equalsIgnoreCase("products");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SQLFirewall firewall = new SQLFirewall();

        String safeSql = "SELECT * FROM users WHERE id = 1";
        String unsafeSql = "DELETE FROM users WHERE id = 1";
        String unsafeTableSql = "SELECT * FROM orders";

        try {
            System.out.println("Query: " + safeSql + " is safe: " + firewall.isSafeQuery(safeSql));
            System.out.println("Query: " + unsafeSql + " is safe: " + firewall.isSafeQuery(unsafeSql));
            System.out.println("Query: " + unsafeTableSql + " is safe: " + firewall.isSafeQuery(unsafeTableSql));

        } catch (JSQLParserException e) {
            System.err.println("Error parsing SQL: " + e.getMessage());
        }
    }
}

在这个示例中，我们：

使用CCJSqlParserUtil.parse()方法将SQL语句解析成Statement对象。
根据Statement对象的类型，分别处理SELECT、DELETE和UPDATE语句。
对于SELECT语句，我们使用TablesNamesFinder类来获取查询中涉及的表名，并检查这些表名是否在允许的列表中。
禁止执行DELETE和UPDATE语句。

5. 使用MySQL Connector/J的StatementInterceptorV2实现

我们可以将上面的SQLFirewall类集成到MySQL Connector/J的StatementInterceptorV2接口中，从而实现对所有SQL语句的拦截和处理。

首先，我们需要创建一个实现了StatementInterceptorV2接口的类：

import com.mysql.cj.interceptors.StatementInterceptorV2;
import com.mysql.cj.jdbc.ConnectionImpl;
import com.mysql.cj.protocol.Resultset;
import com.mysql.cj.protocol.ServerSession;
import net.sf.jsqlparser.JSQLParserException;
import java.sql.SQLException;
import java.util.Properties;

public class FirewallStatementInterceptor implements StatementInterceptorV2 {

    private SQLFirewall firewall;

    @Override
    public void init(ConnectionImpl connection, Properties properties) {
        firewall = new SQLFirewall();
    }

    @Override
    public Resultset preProcess(String sql, com.mysql.cj.Query query, ServerSession serverSession, com.mysql.cj.protocol.PacketSent timeMs, com.mysql.cj.protocol.PacketReceived timeMs2, int resultsetConcurrency, int resultSetType, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        try {
            if (!firewall.isSafeQuery(sql)) {
                throw new SQLException("SQL statement blocked by firewall: " + sql);
            }
        } catch (JSQLParserException e) {
            throw new SQLException("Error parsing SQL: " + e.getMessage());
        }
        return null;
    }

    @Override
    public Resultset postProcess(String sql, com.mysql.cj.Query query, Resultset resultSet, ServerSession serverSession, com.mysql.cj.protocol.PacketSent timeMs, com.mysql.cj.protocol.PacketReceived timeMs2, int resultsetConcurrency, int resultSetType, int resultSetHoldability) throws SQLException {
        return resultSet;
    }

    @Override
    public boolean executeTopLevelOnly() {
        return false;
    }

    @Override
    public void destroy() {

    }
}

在这个类中，我们：

在init()方法中创建SQLFirewall对象。
在preProcess()方法中调用SQLFirewall.isSafeQuery()方法来检查SQL语句是否安全。
如果SQL语句不安全，则抛出一个SQLException异常，阻止SQL语句的执行。
postProcess()方法可以用来记录SQL执行情况，或者对结果集进行处理。

要启用这个拦截器，我们需要在MySQL连接字符串中添加statementInterceptors参数：

jdbc:mysql://localhost:3306/mydatabase?statementInterceptors=FirewallStatementInterceptor

6. 更多高级特性

除了上面介绍的基本功能，我们还可以实现一些更高级的特性：

SQL语句重写： 我们可以根据安全规则，对SQL语句进行修改，例如，添加WHERE子句，限制查询范围，或者屏蔽敏感列。
动态规则更新： 我们可以提供一个管理界面，允许管理员动态地添加、修改和删除安全规则。
日志记录： 我们可以记录所有被拦截或修改的SQL语句，方便审计和分析。
机器学习： 可以使用机器学习算法来自动学习SQL语句的模式，并检测潜在的恶意查询。

7. 性能考虑

SQL解析和AST遍历会增加额外的开销，因此我们需要注意性能问题：

优化SQL解析器： 选择高效的SQL解析器，并对其进行优化。
缓存AST： 对于相同的SQL语句，可以缓存AST，避免重复解析。
优化规则检查逻辑： 使用高效的算法来匹配安全规则。
异步处理： 可以将SQL解析和规则检查放在后台线程中执行，避免阻塞主线程。

表1: 安全规则示例

规则ID	规则类型	规则描述	适用范围	处理方式
1	SQL类型	禁止执行 DELETE 语句	所有用户	拒绝执行
2	表名	仅允许查询 users 和 products 表	所有用户	允许执行
3	函数	禁止使用 LOAD_FILE 函数	所有用户	拒绝执行
4	WHERE子句	WHERE 子句复杂度限制 (例如，最多 3 个条件)	所有用户	拒绝执行
5	用户权限	admin 用户可以执行所有 SQL 语句	admin 用户	允许执行
6	查询时间	查询时间超过 10 秒自动终止	所有用户	终止执行
7	查询结果集大小	结果集大小限制为 1000 行	所有用户	截断结果

8. 总结

通过利用MySQL的内部SQL解析器和AST，我们可以构建一个强大的自定义查询防火墙，从而增强数据库的安全性，防止恶意查询或误操作对数据库造成损害。虽然MySQL没有直接暴露其内部解析器，但我们可以通过第三方库，如JSQLParser，结合MySQL Connector/J的StatementInterceptorV2来实现这一目标。

9. 展望未来

随着数据库技术的不断发展，SQL解析器和AST的应用将会越来越广泛。未来的查询防火墙可能会更加智能化，能够自动学习SQL语句的模式，并检测潜在的恶意查询。同时，查询防火墙的性能也将得到进一步优化，使其能够在大规模并发环境下高效地工作。

利用MySQL SQL Parser与AST构建自定义查询防火墙

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