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数据加密:你应该知道的数仓安全

 3 years ago
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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。本文讨论透明加密,后续博文再谈谈SQL函数加密。

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。

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。

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。

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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。

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datadatadata,HashHashHash函数会生成固定长度的数据,即Hash(data)=resultHash(data)=resultHash(data)=result。这个过程是不可逆的,即Hash函数不存在反函数,无法由resultresultresult得到datadatadata。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。

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  • 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。

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  • 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。

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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。

  • 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)

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 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

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)

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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