加密技術(shù)是保護外包數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)安全的一種有效方法，但如何對加密數(shù)據(jù)進行高效查詢是一個熱點，引起了研究界的重視。針對這個問題，提出了一種基于DBMS 內(nèi)核的加密模式，通過安全字典和SQL語句的擴展，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密存儲和高效查詢。實驗證明了該方法的有效性和可行性。
1 引言
隨著電子商務(wù)和電子政務(wù)的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)呈爆炸式增長，數(shù)據(jù)規(guī)模越來越大，涉及的技術(shù)越來越復(fù)雜。2002 年，Hakan Hacigumus 首次提出了“databases as a service”，即“外包數(shù)據(jù)庫的概念”。在外包數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，組織將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)外包給專門的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，由它們?nèi)ネ瓿蓴?shù)據(jù)的存儲和管理等復(fù)雜技術(shù)工作，而數(shù)據(jù)庫用戶通過網(wǎng)絡(luò)從外包數(shù)據(jù)庫中獲得服務(wù)。在這種運行模式中，數(shù)據(jù)存儲在非可信的第三方服務(wù)器中，最大的問題就是如何保證數(shù)據(jù)的安全性，特別是如何防止內(nèi)部人員（如：數(shù)據(jù)庫管理員）泄露、丟失、甚至破壞數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的一些安全機制，如操作系統(tǒng)安全機制、訪問控制機制由服務(wù)器端操作，在外包數(shù)據(jù)庫這種模式中不能完全保障其安全性。而利用加密技術(shù)來保護數(shù)據(jù)的安全性是一種非常理想的選擇，即使入侵者可以利用操作系統(tǒng)漏洞或者繞過訪問控制機制非法竊取數(shù)據(jù)文件，但是沒有密鑰進行解密，所獲取的信息是不可讀的。
2 相關(guān)工作
一些工作人員對數(shù)據(jù)庫加密進行了研究。文獻[5]提出了一種同態(tài)加密方法。同態(tài)加密的思想是加密后的數(shù)據(jù)仍然保持原明文數(shù)據(jù)的有序性，從而可以實現(xiàn)不用解密數(shù)據(jù)而對加密數(shù)據(jù)直接進行訪問和算術(shù)運算。然而，從安全性角度來看，這種加密方法本身具有其固有的缺陷，因為它要求密文數(shù)據(jù)仍然保持有序性，這與安全的加密算法是相悖的。文獻[6]中，在數(shù)據(jù)庫作為一種服務(wù)（Database As a Service）的背景下，提出了對加密數(shù)據(jù)查詢的方法。存儲時，除了對關(guān)系表中的元組加密外，還增加一個索引字段，用來存儲加密字段的分桶號（Bucket ID），桶號表示明文數(shù)據(jù)值落在某段區(qū)間內(nèi)。查詢時，客戶端提交的SQL查詢語句可以直接執(zhí)行在加密數(shù)據(jù)上，而無須解密，但查詢結(jié)果中包含不滿足調(diào)節(jié)的元組，需要解密進行二次查詢。文獻[7]進一步對它如何分桶進行改進，給出最優(yōu)分桶算法，使得查詢代價最少。但是，這種方法對于多表連接查詢的代價非常大。文獻[8]提出了一種保持有序的加密方法。給定一個目標(biāo)分布函數(shù)，對明文值進行轉(zhuǎn)換得到密文，使得密文不僅保持有序，而且服從某一目標(biāo)函數(shù)的分布。由于其密文保持有序，無須解密就可以直接對密文進行等值和范圍查詢，也可以進行MAX、MIN、COUNT 和ORDER BY查詢。但這種方法由于密文保持有序性，容易遭受選擇密文攻擊。也就是說，如果攻擊者能夠選擇一定數(shù)量的明文（或密文），并且把它們加密（或解密）成對應(yīng)的密文（或明文），那么他就能夠以較大的概率估計出密文對應(yīng)的明文值。類似地，如果攻擊者知道這個域的一些信息，比如說該域的數(shù)據(jù)分布，他也能夠以較大的概率估計密文對應(yīng)的明文值。文獻[9]中，智能卡具有加密和查詢處理能力，它把數(shù)據(jù)加密后存儲在服務(wù)器中，密鑰也存儲在智能卡中。查詢時，智能卡能夠?qū)Φ戎挡樵冋Z句進行轉(zhuǎn)換，使之能夠?qū)γ芪臄?shù)據(jù)進行查詢。但是，它不能對實數(shù)類數(shù)據(jù)進行范圍查詢。文獻[10]中使用序列加密（stream cipher）方法對文本數(shù)據(jù)進行加密處理，這樣可以無須解密而直接對加密文本搜索關(guān)鍵詞，但是這種方法沒有涉及到如何應(yīng)用到數(shù)據(jù)庫中。文獻[11]和[12]對數(shù)據(jù)庫中字符型數(shù)據(jù)的加密以及加密數(shù)據(jù)的快速查詢進行了研究。
3 數(shù)據(jù)加密的體系結(jié)構(gòu)
數(shù)據(jù)庫加密，大致可以分為兩種方式：DBMS 外部加密和DBMS 內(nèi)部加密。DBMS 外部加密，一般選擇在應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，通過調(diào)用加/解密函數(shù)來完成加密數(shù)據(jù)的存儲和訪問。例如，在操作系統(tǒng)層次實現(xiàn)加密時，可以利用它管理文件系統(tǒng)的功能，直接對存儲數(shù)據(jù)的文件進行加密。在操作系統(tǒng)中加密時，加密的粒度是基于文件，對應(yīng)到數(shù)據(jù)庫中的表或者整個數(shù)據(jù)庫，這種加密粒度是非常粗糙，最直接的影響是，加/解密的工作相當(dāng)大，極大地降低系統(tǒng)性能。DBMS 內(nèi)部加密，一般選擇在數(shù)據(jù)物理存取之前進行加/解密操作。也就是說，DBMS 在將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫到磁盤時，進行加密操作，而從磁盤讀取數(shù)據(jù)到內(nèi)存中時，進行相應(yīng)的解密操作。BMS 能夠區(qū)分各種粒度的數(shù)據(jù)，所以可以支持各種粒度的加密，加密的靈活性較好。另外，在DBMS 內(nèi)部實現(xiàn)加密，可以更有效地和DBMS 內(nèi)部的訪問控制機制、授權(quán)機制等各種功能結(jié)合起來。此外，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)具有高度結(jié)構(gòu)化，共享性高等特點，在對數(shù)據(jù)庫中存儲數(shù)據(jù)進行加密時，需要結(jié)合它們的特點，對加密算法、加密粒度以及加密方式進行合理選擇。首先，在選擇加密算法時，對加密尤其是解密速度要求比較快，不能因為加/解密過程而導(dǎo)致系統(tǒng)性能大幅度下降。其次，應(yīng)當(dāng)支持靈活的加密粒度。根據(jù)用戶的需要，能夠選擇對數(shù)據(jù)庫、表、記錄、字段、數(shù)據(jù)項進行加密。同時，還應(yīng)結(jié)合目前DBMS 選擇適當(dāng)加密方式。
在設(shè)計數(shù)據(jù)加密的體系結(jié)構(gòu)時，采用基于DBMS 內(nèi)核層加密方法，加密的粒度為表級，如圖1 所示。其中系統(tǒng)表和加解密組件是新增的。設(shè)計思想是：用戶在創(chuàng)建表的時候，可以指定是否對其加密存儲，如果需要加密，則在系統(tǒng)表的安全字典中插入一條相應(yīng)的記錄。在DBMS 將數(shù)據(jù)寫到磁盤上時，查詢系統(tǒng)表的安全字典，如果需要加密，則首先對數(shù)據(jù)加密，再將其寫出到外存。當(dāng)DBMS 從磁盤中讀入數(shù)據(jù)塊時，如果數(shù)據(jù)塊是加密過的，則加/解密模塊查詢安全字典，取出相應(yīng)的密鑰解密數(shù)據(jù)塊。
圖1 數(shù)據(jù)庫加密體系結(jié)構(gòu)圖
