摘要：資料加密作為有效防止未授權通路和防護資料洩露的技術，在各種資訊系統中廣泛使用。作為資訊系統的核心，GaussDB(DWS)數倉也提供資料加密功能，包括透明加密和使用SQL函數加密。
資料洩露防護
資料作為資訊系統中的核心資産，其機密性、完整性和可用性必須得到保證，以避免資料被非法洩漏或非法篡改。目前資料洩露事件層出不窮，給個人和企業造成重大損失。
防止資料洩露可以有兩種技術路徑。一是權限管理，采用最小化授權原則對使用資料的使用者和應用程式授權。另一種是資料加密，包括使用SQL函數加密和透明加密。權限管理在你應該知道的數倉安全——預設權限實作共享schema一文中有所介紹。本文讨論透明加密，後續博文再談談SQL函數加密。
透明加密的應用場景
透明加密能夠保障使用者資料安全。更換磁盤、磁盤流出或者運維非法直接讀取磁盤檔案會繞過認證、權限管理和審計，進而導緻資料洩露的風險。客戶對業務資料有很高機密性要求時建議使用透明加密。
透明加密的原理
透明加密功能是對存在硬碟上的使用者資料加密存儲，對使用者及上層使用SQL的應用不感覺。透明的含義是指對客戶來說是無感覺的，僅需要建立GaussDB(DWS)叢集時配置透明加密。目前支援行存表和列存表檔案的加密存儲，支援叢集級别的透明加密配置。
叢集級别的透明加密意味着叢集中的所有庫，庫中的所有表都是加密存儲。叢集級别的透明加密還意味着需要在建立叢集時進行配置，叢集建立之後不可修改，既不能将非加密叢集修改為加密叢集，也不能将加密叢集修改為非加密叢集。
加密算法
透明加密核心是算法和密鑰。我們采用AES-128算法，加密模式使用CTR。CTR流加密可以保證明文和密文長度相等，不會導緻加密後資料存儲空間膨脹。
密鑰管理
使用華為公有雲KMS服務管理，保證了使用者的密鑰安全。
加密密鑰層次結構有三層。按層次結構順序排列，這些密鑰為主密鑰（CMK）、叢集密鑰 (CEK)、資料庫密鑰 (DEK)。
- 主密鑰儲存在KMS中，用于給CEK加密。
- CEK用于加密DEK，CEK明文儲存在叢集記憶體中，密文儲存在服務管理面中。
- DEK用于加密資料庫中的資料，DEK明文儲存在叢集記憶體中，密文儲存在服務管理面中。
密鑰輪轉
出于安全考慮，使用者可以執行密鑰輪轉操作。密鑰輪轉隻輪轉叢集密鑰，不論轉資料庫秘鑰。
透明加密的後續演進
叢集級透明加密的優點是所有資料包括使用者表和系統表都加密，适用于所有加密需求。一枚硬币的兩面性告訴我們，優點也可能是缺點。對所有資料庫對象加密會對資料導入和查詢帶來性能上的開銷。
為解決此問題，後續考慮支援細粒度透明加密。比如可以支援表級透明加密，使用者在建立表時指定屬性為加密表，該使用者表的資料會加密存儲。使用者可以在包含敏感資料的表中開啟加密屬性，在查詢和使用過程中不感覺加解密過程。由于加密粒度較小，對性能的影響也較小。
總結
透明加密是保障使用者核心資料安全的有效手段。從使用場景和原理介紹了GaussDB(DWS)數倉的透明加密特性，指出了後續透明加密特性的研究方向。
加密算法介紹
密碼學中密碼算法可以分為三類：哈希函數、對稱密碼算法和非對稱密碼算法。
- 哈希函數
哈希函數又稱為摘要算法，對于資料$$data$$，$$Hash$$函數會生成固定長度的資料，即$$Hash(data)=result$$。這個過程是不可逆的，即Hash函數不存在反函數，無法由$$result$$得到$$data$$。在不應儲存明文場景，比如密碼(password)屬于敏感資訊，系統管理者使用者也不應該知道使用者的明文密碼，就應該使用雜湊演算法，存儲密碼的單向哈希值。
實際使用中會加入鹽值和疊代次數，避免相同密碼生成相同的哈希值，以防止彩虹表攻擊。
- 對稱密碼算法
對稱密碼算法使用相同的密鑰來加密和加密資料。對稱密碼算法分為分組密碼算法和流密碼算法。
分組密碼算法将明文分成固定長度的分組，用密鑰對每個分組加密。由于分組長度固定，當明文長度不是分組長度的整數倍時，會對明文做填充處理。由于填充的存在，分組密碼算法得到的密文長度會大于明文長度。
流密碼算法将明文逐比特與密鑰流運算。流密碼算法不需要填充，得到的密文長度等于明文長度。
- 非對稱密碼算法
非對稱密碼算法，又稱為公鑰密碼算法。算法使用兩個密鑰：公鑰和私鑰。公鑰向所有人公開，私鑰保密。非對稱密碼算法應用于密鑰協商、數字簽名、數字證書等領域。
加密函數SQL接口
GaussDB(DWS)主要提供了哈希函數和對稱密碼算法。哈希函數支援sha256, sha384, sha512和國密sm3。對稱密碼算法支援aes128, aes192, aes256和國密sm4。
- md5(string)
将string使用MD5加密，并以16進制數作為傳回值。MD5的安全性較低，不建議使用。
- gs_hash(hashstr, hashmethod)
以hashmethod算法對hashstr字元串進行資訊摘要，傳回資訊摘要字元串。支援的hashmethod：sha256, sha384, sha512, sm3。
testdb=# SELECT gs_hash('GaussDB(DWS)', 'sha256');
gs_hash
------------------------------------------------------------------
cc2d1b97c6adfba44bbce7386516f63f16fc6e6a10bd938861d3aba501ac8aab
(1 row) -
gs_encrypt(encryptstr, keystr, cryptotype, cryptomode, hashmethod)
采用cryptotype和cryptomode組成的加密算法以及hashmethod指定的HMAC算法，以keystr為密鑰對encryptstr字元串進行加密，傳回加密後的字元串。
支援的cryptotype：aes128, aes192, aes256, sm4。
支援的cryptomode：cbc。
支援的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組成的加密算法以及hashmethod指定的HMAC算法，以keystr為密鑰對decryptstr字元串進行解密，傳回解密後的字元串。解密使用的keystr必須保證與加密時使用的keystr一緻才能正常解密。
testdb=# SELECT gs_decrypt('AAAAAAAAAADlzZYiNQK1uB+p1gza4Lu3Moj3HdP4E1uJmqfDYBaXDLMt7RZoE0YVx9h2dMRYBQ5fhFNqqM49sUkeS72o8kX5vWRQvfW3fuocGyp+b+lX9A==', '1234', 'aes128', 'cbc', 'sha256');
gs_decrypt
--------------
GaussDB(DWS)
(1 row) 應用舉例
有個student表，有id，name和score三個屬性。name可以使用哈希函數加密儲存，score可以使用對稱密碼算法儲存。
testdb=# create table student (id int, name text, score text);
CREATE TABLE
testdb=# insert into student values (1, gs_hash('alice', 'sha256'), gs_encrypt('95', '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256'));
INSERT 0 1
testdb=# insert into student values (2, gs_hash('bob', 'sha256'), gs_encrypt('92', '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256'));
INSERT 0 1
testdb=# insert into student values (3, gs_hash('peter', 'sha256'), gs_encrypt('98', '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256'));
INSERT 0 1 沒有密鑰的使用者即使擁有了select權限也無法看到name和score這兩列加密資料。
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) 擁有密鑰的使用者可以通過解密檢視到加密資料。
testdb=# select id, gs_decrypt(score, '12345', 'aes128', 'cbc', 'sha256') from student;
id | gs_decrypt
----+------------
1 | 95
2 | 92
3 | 98
(3 rows) 資料加密是防止未授權通路和防護資料洩露的有效技術。介紹了密碼算法的基本原理和GaussDB(DWS)數倉的加密函數，包括哈希函數gs_hash，對稱密碼算法gs_encrypt/gs_decrypt。舉例說明了加密函數的使用場景。
本文分享自華為雲社群《你應該知道的數倉安全——加密函數》，原文作者：zhangkunhn 。
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