全面解析數(shù)據(jù)庫加密技術(shù)
數(shù)據(jù)庫對于企業(yè)來說至關(guān)重要，數(shù)據(jù)庫的信息一旦泄露其后果不堪設(shè)想。越來越多的企業(yè)和安全專家開始認識到了保護數(shù)據(jù)庫的重要性。不論是從外部入侵數(shù)據(jù)庫還是從內(nèi)部盜取數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫加密成為了保護數(shù)據(jù)庫安全的一道門鎖。
數(shù)據(jù)庫加密的必要性
大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的運行平臺一般是Windows NT和 Unix，這些操作系統(tǒng)的安全級別通常為C1、C2級。它們具有用戶注冊、識別用戶、任意存取控制（DAC）、審計等安全功能。雖然DBMS在OS的基礎(chǔ)上增加了不少安全措施，例如基于權(quán)限的訪問控制等，但OS和DBMS對數(shù)據(jù)庫文件本身仍然缺乏有效的保護措施，有經(jīng)驗的網(wǎng)上黑客會“繞道而行”，直接利用OS工具竊取或篡改數(shù)據(jù)庫文件內(nèi)容。這種隱患被稱為通向DBMS的“隱秘通道”，它所帶來的危害一般數(shù)據(jù)庫用戶難以覺察。分析和堵塞“隱秘通道”被認為是B2級的安全技術(shù)措施。對數(shù)據(jù)庫中的敏感數(shù)據(jù)進行加密處理，是堵塞這一“隱秘通道”的有效手段。
據(jù)有關(guān)資料報道，80％的計算機犯罪來自系統(tǒng)內(nèi)部。在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫管理員的權(quán)力至高無上，他既負責各項系統(tǒng)管理工作，例如資源分配、用戶授權(quán)、系統(tǒng)審計等，又可以查詢數(shù)據(jù)庫中的一切信息。為此，不少系統(tǒng)以種種手段來削弱系統(tǒng)管理員的權(quán)力。實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫加密以后，各用戶（或用戶組）的數(shù)據(jù)由用戶用自己的密鑰加密，數(shù)據(jù)庫管理員獲得的信息無法進行正常脫密，從而保證了用戶信息的安全。另外，通過加密，數(shù)據(jù)庫的備份內(nèi)容成為密文，從而能減少因備份介質(zhì)失竊或丟失而造成的損失。由此可見，數(shù)據(jù)庫加密對于企業(yè)內(nèi)部安全管理，也是不可或缺的。
也許有人認為，對數(shù)據(jù)庫加密以后會嚴重影響數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的效率，使系統(tǒng)不堪重負。事實并非如此。如果在數(shù)據(jù)庫客戶端進行數(shù)據(jù)加/脫密運算，對數(shù)據(jù)庫服務器的負載及系統(tǒng)運行幾乎沒有影響。在普通PC機上,用純軟件實現(xiàn)DES加密算法的速度超過200K字節(jié)/秒，如果對一篇一萬漢字的文章進行加密，其加/脫密時間僅需1/10秒，這種時間延遲用戶幾乎無感覺。目前，加密卡的加/脫密速度一般為1M位/ 秒，對中小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來說，這個速度即使在服務器端進行數(shù)據(jù)的加/脫密運算也是可行的，因為一般的關(guān)系數(shù)據(jù)項都不會太長（多媒體數(shù)據(jù)另當別論）。例如，在同一時間里有10個用戶并發(fā)查詢，每個用戶平均查找1000個漢字的數(shù)據(jù)，最先得到結(jié)果的用戶延遲時間小于0.02秒，最后得到結(jié)果的用戶也僅需等待約0.16秒。
基本要求
根據(jù)我們的研究，一個良好的數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)應該滿足以下基本要求：
1．字段加密
在目前條件下，加/脫密的粒度是每個記錄的字段數(shù)據(jù)。如果以文件或列為單位進行加密，必然會形成密鑰的反復使用，從而降低加密系統(tǒng)的可靠性或者因加脫密時間過長而無法使用。只有以記錄的字段數(shù)據(jù)為單位進行加/脫密，才能適應數(shù)據(jù)庫操作，同時進行有效的密鑰管理并完成“一次一密”的密碼操作。
2．密鑰動態(tài)管理
數(shù)據(jù)庫客體之間隱含著復雜的邏輯關(guān)系，一個邏輯結(jié)構(gòu)可能對應著多個數(shù)據(jù)庫物理客體，所以數(shù)據(jù)庫加密不僅密鑰量大，而且組織和存儲工作比較復雜，需要對密鑰實現(xiàn)動態(tài)管理。
3．合理處理數(shù)據(jù)
這包括幾方面的內(nèi)容。首先要恰當?shù)靥幚頂?shù)據(jù)類型，否則 DBMS將會因加密后的數(shù)據(jù)不符合定義的數(shù)據(jù)類型而拒絕加載；其次，需要處理數(shù)據(jù)的存儲問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫加密后，應基本上不增加空間開銷。在目前條件下，數(shù)據(jù)庫關(guān)系運算中的匹配字段，如表間連接碼、索引字段等數(shù)據(jù)不宜加密。文獻字段雖然是檢索字段，但也應該允許加密，因為文獻字段的檢索處理采用了有別于關(guān)系數(shù)據(jù)庫索引的正文索引技術(shù)。
4．不影響合法用戶的操作
加密系統(tǒng)影響數(shù)據(jù)操作響應時間應盡量短，在現(xiàn)階段，平均延遲時間不應超過1/10秒。此外，對數(shù)據(jù)庫的合法用戶來說,數(shù)據(jù)的錄入、修改和檢索操作應該是透明的,不需要考慮數(shù)據(jù)的加/脫密問題。
不同層次實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫加密
我們可以考慮在三個不同層次實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加密，這三個層次分別是OS、DBMS內(nèi)核層和DBMS外層。
在OS層，無法辨認數(shù)據(jù)庫文件中的數(shù)據(jù)關(guān)系，從而無法產(chǎn)生合理的密鑰，也無法進行合理的密鑰管理和使用。所以，在OS層對數(shù)據(jù)庫文件進行加密，對于大型數(shù)據(jù)庫來說，目前還難以實現(xiàn)。
在DBMS內(nèi)核層實現(xiàn)加密，是指數(shù)據(jù)在物理存取之前完成加/脫密工作。這種方式勢必造成DBMS和加密器(硬件或軟件)之間的接口需要DBMS 開發(fā)商的支持。這種加密方式的優(yōu)點是加密功能強，并且加密功能幾乎不會影響DBMS 的功能。其缺點是在服務器端進行加/脫密運算，加重了
數(shù)據(jù)庫服務器的負載。
比較實際的做法是將數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)做成DBMS的一個外層工具。采用這種加密方式時，加/脫密運算可以放在客戶端進行，其優(yōu)點是不會加重數(shù)據(jù)庫服務器的負載并可實現(xiàn)網(wǎng)上傳輸加密，缺點是加密功能會受一些限制。“定義加密要求工具”模塊的主要功能是定義如何對每個數(shù)據(jù)庫表數(shù)據(jù)進行加密。在創(chuàng)建了一個數(shù)據(jù)庫表后，通過這一工具對該表進行定義；“數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)”的功能是完成數(shù)據(jù)庫定義和操作。數(shù)據(jù)
庫加密系統(tǒng)將根據(jù)加密要求自動完成對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的加/ 脫密。#p#
加密系統(tǒng)的有關(guān)問題
數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)首先要解決系統(tǒng)本身的安全性和可靠性問題，在這方面，可以采用以下幾項安全措施：
1． 在用戶進入系統(tǒng)時進行兩級安全控制
這種控制可以采用多種方式，包括設(shè)置數(shù)據(jù)庫用戶名和口令，或者利用IC卡讀寫器/指紋識別器進行用戶身份認證。
2． 防止非法拷貝
對于純軟件系統(tǒng)，可以采用軟指紋技術(shù)防止非法拷貝，當然，如果每臺客戶機上都安裝加密卡等硬部件，安全性會更好。此外，還應該保留數(shù)據(jù)庫原有的安全措施，如權(quán)限控制、備份/恢復和審計控制等。
3． 安全的數(shù)據(jù)抽取方式
提供兩種卸出和裝入數(shù)據(jù)庫中加密數(shù)據(jù)的方式：其一是密文方式卸出，這種卸出方式不脫密，卸出的數(shù)據(jù)還是密文，在這種模式下，可直接使用 DBMS提供的卸出/裝入工具；其二是明文方式卸出，這種卸出方式需要脫密，卸出的數(shù)據(jù)是明文，在這種模式下，可利用系統(tǒng)專用工具先進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，再使用DBMS提供的卸出/裝入工具完成。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)分成兩個功能獨立的主要部件：一個是加密字典管理程序，另一個是數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎。
數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)將用戶對數(shù)據(jù)庫信息具體的加密要求記載在加密字典中，加密字典是數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息。
加密字典管理程序，是管理加密字典的實用程序，是數(shù)據(jù)庫管理員變更加密要求的工具。
加密字典管理程序通過數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫表的加密、脫密及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能，此時，它作為一個特殊客戶來使用數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎。
數(shù)據(jù)庫加/脫密引擎是數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)的核心部件，負責在后臺完成數(shù)據(jù)庫信息的加/脫密處理，對應用開發(fā)人員和操作人員是透明的。
按以上方式實現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)具有很多優(yōu)點。首先，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)庫的最終用戶完全透明，數(shù)據(jù)管理員可以指定需要加密的數(shù)據(jù)并根據(jù)需要進行明文/密文的轉(zhuǎn)換工作；其次，系統(tǒng)完全獨立于數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)，不需要改動數(shù)據(jù)庫應用系統(tǒng)就能實現(xiàn)加密功能，同時系統(tǒng)采用了分組加密法和二級密鑰管理，實現(xiàn)了“一次一密”；其三，系統(tǒng)在客戶端進行數(shù)據(jù)加/脫密運算，不會影響數(shù)據(jù)庫服務器的系統(tǒng)效率，數(shù)據(jù)加/脫密運算基本無延遲感覺。
數(shù)據(jù)庫加密系統(tǒng)能夠有效地保證數(shù)據(jù)的安全，即使黑客竊取了關(guān)鍵數(shù)據(jù)，他仍然難以得到所需的信息，因為所有的數(shù)據(jù)都經(jīng)過了加密。另外，數(shù)據(jù)庫加密以后，可以設(shè)定不需要了解數(shù)據(jù)內(nèi)容的系統(tǒng)管理員不能見到明文，大大提高了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的安全性。
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