数据加密：你应该知道的数仓安全

摘要：数据加密作为有效防止未授权访问和防护数据泄露的技术，在各种信息系统中广泛使用。作为信息系统的核心，GaussDB(DWS)数仓也提供数据加密功能，包括透明加密和使用 SQL 函数加密。

本文分享自华为云社区《你应该知道的数仓安全——加密函数》，原文作者：zhangkunhn 。

数据泄露防护

数据作为信息系统中的核心资产，其机密性、完整性和可用性必须得到保证，以避免数据被非法泄漏或非法篡改。当前数据泄露事件层出不穷，给个人和企业造成重大损失。

防止数据泄露可以有两种技术路径。一是权限管理，采用最小化授权原则对使用数据的用户和应用程序授权。另一种是数据加密，包括使用 SQL 函数加密和透明加密。权限管理在你应该知道的数仓安全——默认权限实现共享schema一文中有所介绍。

透明加密的应用场景

透明加密能够保障用户数据安全。更换磁盘、磁盘流出或者运维非法直接读取磁盘文件会绕过认证、权限管理和审计，从而导致数据泄露的风险。客户对业务数据有很高机密性要求时建议使用透明加密。

透明加密的原理

透明加密功能是对存在硬盘上的用户数据加密存储，对用户及上层使用 SQL 的应用不感知。透明的含义是指对客户来说是无感知的，仅需要创建 GaussDB(DWS)集群时配置透明加密。目前支持行存表和列存表文件的加密存储，支持集群级别的透明加密配置。

集群级别的透明加密意味着集群中的所有库，库中的所有表都是加密存储。集群级别的透明加密还意味着需要在创建集群时进行配置，集群创建之后不可修改，既不能将非加密集群修改为加密集群，也不能将加密集群修改为非加密集群。

加密算法

透明加密核心是算法和密钥。我们采用 AES-128 算法，加密模式使用 CTR。CTR 流加密可以保证明文和密文长度相等，不会导致加密后数据存储空间膨胀。

密钥管理

使用华为公有云 KMS 服务管理，保证了用户的密钥安全。

加密密钥层次结构有三层。按层次结构顺序排列，这些密钥为主密钥（CMK）、集群密钥 (CEK)、数据库密钥 (DEK)。

• 主密钥保存在 KMS 中，用于给 CEK 加密。

• CEK 用于加密 DEK，CEK 明文保存在集群内存中，密文保存在服务管理面中。

• DEK 用于加密数据库中的数据，DEK 明文保存在集群内存中，密文保存在服务管理面中。

密钥轮转

出于安全考虑，用户可以执行密钥轮转操作。密钥轮转只轮转集群密钥，不论转数据库秘钥。

透明加密的后续演进

集群级透明加密的优点是所有数据包括用户表和系统表都加密，适用于所有加密需求。一枚硬币的两面性告诉我们，优点也可能是缺点。对所有数据库对象加密会对数据导入和查询带来性能上的开销。

为解决此问题，后续考虑支持细粒度透明加密。比如可以支持表级透明加密，用户在创建表时指定属性为加密表，该用户表的数据会加密存储。用户可以在包含敏感数据的表中开启加密属性，在查询和使用过程中不感知加解密过程。由于加密粒度较小，对性能的影响也较小。

总结

透明加密是保障用户核心数据安全的有效手段。从使用场景和原理介绍了 GaussDB(DWS)数仓的透明加密特性，指出了后续透明加密特性的研究方向。

加密算法介绍

密码学中密码算法可以分为三类：哈希函数、对称密码算法和非对称密码算法。

• 哈希函数

哈希函数又称为摘要算法，对于数据 $$data$$，$$Hash$$函数会生成固定长度的数据，即 $$Hash(data)=result$$。这个过程是不可逆的，即 Hash 函数不存在反函数，无法由 $$result$$得到 $$data$$。在不应保存明文场景，比如口令(password)属于敏感信息，系统管理员用户也不应该知道用户的明文口令，就应该使用哈希算法，存储口令的单向哈希值。

实际使用中会加入盐值和迭代次数，避免相同口令生成相同的哈希值，以防止彩虹表攻击。

• 对称密码算法

对称密码算法使用相同的密钥来加密和加密数据。对称密码算法分为分组密码算法和流密码算法。

分组密码算法将明文分成固定长度的分组，用密钥对每个分组加密。由于分组长度固定，当明文长度不是分组长度的整数倍时，会对明文做填充处理。由于填充的存在，分组密码算法得到的密文长度会大于明文长度。

流密码算法将明文逐比特与密钥流运算。流密码算法不需要填充，得到的密文长度等于明文长度。

• 非对称密码算法

非对称密码算法，又称为公钥密码算法。算法使用两个密钥：公钥和私钥。公钥向所有人公开，私钥保密。非对称密码算法应用于密钥协商、数字签名、数字证书等领域。

加密函数 SQL 接口

GaussDB(DWS)主要提供了哈希函数和对称密码算法。哈希函数支持 sha256, sha384, sha512 和国密 sm3。对称密码算法支持 aes128, aes192, aes256 和国密 sm4。

哈希函数

• md5(string)

将 string 使用 MD5 加密，并以 16 进制数作为返回值。MD5 的安全性较低，不建议使用。

• gs_hash(hashstr, hashmethod)

以 hashmethod 算法对 hashstr 字符串进行信息摘要，返回信息摘要字符串。支持的 hashmethod：sha256, sha384, sha512, sm3。

testdb=# SELECT gs_hash('GaussDB(DWS)', 'sha256');                             gs_hash                              ------------------------------------------------------------------ cc2d1b97c6adfba44bbce7386516f63f16fc6e6a10bd938861d3aba501ac8aab(1 row)

对称密码算法

gs_encrypt(encryptstr, keystr, cryptotype, cryptomode, hashmethod)

采用 cryptotype 和 cryptomode 组成的加密算法以及 hashmethod 指定的 HMAC 算法，以 keystr 为密钥对 encryptstr 字符串进行加密，返回加密后的字符串。

支持的 cryptotype：aes128, aes192, aes256, sm4。

支持的 cryptomode：cbc。

支持的 hashmethod：sha256, sha384, sha512, sm3。

testdb=# SELECT gs_encrypt('GaussDB(DWS)', '1234', 'aes128', 'cbc',  'sha256');                                                        gs_encrypt                                                        -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- AAAAAAAAAADlzZYiNQK1uB+p1gza4Lu3Moj3HdP4E1uJmqfDYBaXDLMt7RZoE0YVx9h2dMRYBQ5fhFNqqM49sUkeS72o8kX5vWRQvfW3fuocGyp+b+lX9A==(1 row)

gs_decrypt(decryptstr, keystr，cryptotype, cryptomode, hashmethod)

采用 cryptotype 和 cryptomode 组成的加密算法以及 hashmethod 指定的 HMAC 算法，以 keystr 为密钥对 decryptstr 字符串进行解密，返回解密后的字符串。解密使用的 keystr 必须保证与加密时使用的 keystr 一致才能正常解密。

testdb=# SELECT gs_decrypt('AAAAAAAAAADlzZYiNQK1uB+p1gza4Lu3Moj3HdP4E1uJmqfDYBaXDLMt7RZoE0YVx9h2dMRYBQ5fhFNqqM49sUkeS72o8kX5vWRQvfW3fuocGyp+b+lX9A==', '1234', 'aes128', 'cbc',  'sha256');  gs_decrypt  -------------- GaussDB(DWS)(1 row)

应用举例

有个 student 表，有 id，name 和 score 三个属性。name 可以使用哈希函数加密保存，score 可以使用对称密码算法保存。

testdb=# create table student (id int, name text, score text);CREATE TABLEtestdb=# insert into student values (1, gs_hash('alice', 'sha256'), gs_encrypt('95', '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256'));INSERT 0 1testdb=# insert into student values (2, gs_hash('bob', 'sha256'), gs_encrypt('92', '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256'));INSERT 0 1testdb=# insert into student values (3, gs_hash('peter', 'sha256'), gs_encrypt('98', '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256'));INSERT 0 1

没有密钥的用户即使拥有了 select 权限也无法看到 name 和 score 这两列加密数据。

testdb=# select * from student; id |                               name                               |                                                          score                                                           ----+------------------------------------------------------------------+--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  1 | 2bd806c97f0e00af1a1fc3328fa763a9269723c8db8fac4f93af71db186d6e90 | AAAAAAAAAAB26RmKZdGciLdOM1Z0sjsHg6Qh1b8taF3cY5KDVm+faJK5AT9tjufkr3Wogj3tIpFfiIEb6+miGqPHWcmKnFsArAMoBG9pPDawGs1Qze7xGg==  2 | 81b637d8fcd2c6da6359e6963113a1170de795e4b725b84d1e0b4cfd9ec58ce9 | AAAAAAAAAAB26RmKZdGciLdOM1Z0sjsHZOHH7URkyme6r8Hfh1k0UsVbgbREjFMkgB52w+7GtUGqGgUik07ghajSD9PMIDLd/49wBCVROm2/HSOw6jzbxA==  3 | 026ad9b14a7453b7488daa0c6acbc258b1506f52c441c7c465474c1a564394ff | AAAAAAAAAAB26RmKZdGciLdOM1Z0sjsHwv6p/OAfDUyVULAqpaHIrYJYMcqLmQSj3K/REyavfMoKB7hgUpEPXfHRutWur37bru68jjt5XcBHFBjZeMgowA==(3 rows)

拥有密钥的用户可以通过解密查看到加密数据。

testdb=# select id, gs_decrypt(score, '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256') from student; id | gs_decrypt ----+------------  1 | 95  2 | 92  3 | 98(3 rows)

总结

数据加密是防止未授权访问和防护数据泄露的有效技术。介绍了密码算法的基本原理和 GaussDB(DWS)数仓的加密函数，包括哈希函数 gs_hash，对称密码算法 gs_encrypt/gs_decrypt。举例说明了加密函数的使用场景。

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