数据库敏感字段的加密研究

　　医院的医生开单记录如果被随意读取进行统计分析，容易导致药品销售过程中的不合法行为。因此，对于敏感数据应当进行加密处理后再存储。本文采用基于AES的一种加密算法对医院的门诊、住院、处方等数据表的敏感字段进行加密和解密，从系统的存储层上保证数据的安全性，很大程度上解决了敏感数据的防泄露、防篡改和防破坏问题，从技术层面加强对医院药品的管理控制。

　　【摘要】为了使敏感数据在存储期间的机密性得到有效保障，在分析数据库加密粒度的基础上，提出一种基于AES的加密算法对敏感字段进行加密存储，并针对密钥的隐蔽性提出建议，从系统存储层上保证数据的安全性。

　　【关键词】敏感字段,加密粒度,AES算法

　　1引言

　　数据库通常以明文存储，现有的数据库管理系统基本上采用用户认证、授权管理、安全审计等技术进行安全管理。但是，诸如数据库管理员或侵入数据库服务器的黑客，都可以毫无阻碍地访问数据库的重要数据，一些敏感数据在存储期间的机密性并不能得到有效保障。

　　2数据库加密粒度

　　按照数据库的结构层次，数据库加密粒度可分为数据库级、表级、记录级、字段级以及数据项级。应根据不同的应用需求，选择适合的加密粒度。

　　数据库级加密粒度的加密对象是整个数据库，对所有的用户数据表、系统数据表、索引、视图、存储过程、函数等都进行加密处理。可以采用库内和库外两种加密方式。库内加密是在DAMS内部实现加密，在对数据库进行物理存取之前由DBMS完成加密/解密工作，加密密钥通常保存在系统表（或称数据字典）中。这种方法对用户是完全透明的，但加密/解密运算需要在服务器端进行，当用户访问数据库时，即使只需检索符合条件的很少一部分记录，也要对整个数据库进行解密，因此加重了数据库系统的负担。另外由于加密密钥通常与数据库保存在一起，因此，加密密钥的安全保护依赖于DBMS中的访问控制机制，密钥管理安全风险大。库外加密是将数据库加密系统做成DBMS的一个外层工具。先将数据在内存中进行加密，然后文件系统把每次加密的内存数据写入数据库文件中，读出数据时再逆向进行解密。这种方法的缺点是对数据库的读写比较麻烦，每次都要进行加密/解密的工作，影响数据库的读写速度。

　　表级加密粒度的加密对象是数据库中的表。一般来说，只需对数据库中包含敏感信息的部分表进行加密即可。采用表级加密粒度，访问时只需要对特定的表进行解密，与采用数据库级加密粒度相比，系统性能有一定的改善。

　　记录级、字段级、数据项级加密粒度的加密对象分别是数据表中的记录、字段或某些记录中某字段的值，这几种加密粒度更细，灵活性更好，但密钥管理更加复杂。现实中一些重要和敏感的信息往往是某些记录的某些字段，只需对这些重要内容进行加密即可，普通数据则没有必要加密，以免增加不必要的性能开销。例如医生开单记录具有特定的时效性，因此只需对某个时段的医生姓名字段进行加密即可。

　　3加密算法

　　3.1AES算法介绍

　　高级加密标准算法（AdvancedEncryptionStandard，AES）是一种分组对称加密，使用相同的密钥对数据进行加密和解密，支持128bit分组加密，并可选择使用128、192和256bit密钥。AES算法的原型是采用宽轨迹策略的Square算法。宽轨迹策略是针对线性分析和差分分析提出的，最大优点是可以给出算法的最佳线性逼近偏差的界，以及最佳差分特征的概率，可以提高算法抗击线性密码分析及差分密码分析的能力。

　　AES算法使用循环结构迭代加密，加密和解密分别经过十轮的运算处理，每一轮操作包括四个基本步骤：字节替换SubBytes（）、行移位ShiftRows（）、列混合MixColumns（）和轮密钥加AddRoundKey（）。加密的具体流程如图1所示。

　　图中每轮变换所需要的密钥，通过密钥扩展算法得到。解密算法与加密算法的主要区别有：使用密钥序列的顺序不同、置换盒不同、行移方向不同、列混系数不同，以及每轮变换中函数的使用顺序不同。

　　具体实现时，AES算法主要分为三大模块：密钥注入INITKAES（）、数据加密Cipher（）和数据解密InvCipher（）。

　　AES将加密密钥的位数提高到128bit以上，极大地增加了破解密文的难度。AES算法具有灵活、高效、易实现、抗击多种密码分析的优点，广泛运用于商业、政治和军事的数据加密。3.2算法改进

　　尽管如此，直接使用AES算法对数据库字段进行加密存储也是不可取的。AES算法工具和源码都很容易得到，对于数据库管理员或黑客来说，由于AES算法是对称加密，只要找到相应的密钥存放表，就可以对加密字段自行解密。因此，本文在实际加密处理时，并不是直接使用AES算法，而是将其作为算法核心，辅以一些变换运算，构成最终的加密算法。

　　改进的加密算法如下：

　　①生成两个随机数R1（32字节，即256bit）、R2（16字节），其中，R1作为密钥；

　　②将密钥R1与一条记录主键的某字段（如ID）异或得到该记录的加密密钥UR1；

　　UR1=R1？茌ID（1）

　　③调用密钥注入函数注入加密密钥，aes.INITKAES（32，UR1）；

　　④使用该加密密钥对随机数R2进行加密，得到密文SC（16字节），aes.Cipher（R2，SC）；

　　⑤用SC异或需要加密的字段YW，得到加密结果MI。

　　MI=SC？茌YW（2）

　　⑥将该记录的所有主键和R1、R2及加密结果MI等信息作为一条记录，保存到数据库，用于日后解密使用。

　　解密时，先查询密钥R1、R2和加密结果MI，然后重复上述②～④步骤，得到SC，再用SC异或MI，得到明文YW。

　　YW=SC？茌MI（3）

　　4实现与分析

　　4.1加密实现

　　首先读取数据表中敏感字段所在记录，采取一次一密的方式，按改进的算法逐条对敏感字段数据进行加密处理，用得到的密文修改数据库原明文字段，同时将该该录的所有主键与密钥（R1、R2）、密文及加密时间等信息保存到相应的密钥表。

　　解密时，根据主键的一致性检索待解密记录的密钥，当确定数据表中的密文与密钥表中的密文一致时，使用该密钥进行解密，还原数据表中的敏感字段值。对敏感字段加密和解密流程如图2所示。

　　4.2密钥管理

　　由于数据表的主键各不相同，因此每一个有需要加密字段的数据表对应一个密钥表。密钥表既可以与原数据表放在同一个数据库内，也可以放在其他数据库内，或单独建立一个密钥表数据库。数据与密钥不仅可以做到逻辑分离，还可以实现物理分离，即两者可以不存放在同一台服务器上，这样隐蔽性更强，能更好地保证数据库中敏感数据的安全。

　　本文需要加密的敏感字段在Oracle数据库中，而密钥表保存在SQLServer2008数据库，并且两者异地存储。

　　4.3加解密速率分析

　　尽管加密效率并不是我们所追求的，但考虑到医院每天的门诊和住院信息量很大，处方记录数量非常多，因此，在加解密速率方面，也适当予以关注。本文采用C++语言编程，在CPU为3.0GHz，内存为1G，window操作系统的笔记本电脑上测试，加密速率达到每秒1000条以上记录。改进后的加密算法，仅仅是在AES算法的基础上进行适当的异或运算，对加解密速率的影响几乎可以忽略不计。

　　5结束语

　　本文针对数据库敏感字段的安全性问题，提出一种基于AES算法的加密方法，对敏感字段进行加密存储，从系统存储层上保证数据的安全性。在此基础上，还对密钥的管理提出合理建议，加强密钥的隐蔽性，从而更好地保证数据库中敏感数据的安全。

　　参考文献

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