揭秘数据加密：保护你的数据

什么是数据加密

最近我参与了几个密评工作，发现有些客户对数据加密的概念还不太了解。今天，让我们简单聊聊什么是数据加密。

数据加密是一种将可读数据（明文）转换为不可读编码（密文）的方法。加密后的数据只有使用正确的解密密钥或密码才能读取或处理。而这个解密密钥，只有数据的发送者和接收者才能访问。

在部署加密解决方案时，您应该意识到加密可能面临以下几个方面的威胁：

• 某些加密算法可被计算机程序破解，从而获取加密内容。然而，更强大的加密算法需要大量计算资源才能破解。

• 加密数据在传输过程中可能存在漏洞。授权设备可能被恶意软件感染，这些软件会在数据通过网络传输时进行"嗅探"或"窃听"。

• 静态加密数据可能被存储设备上的恶意软件或获取了用户密码或密钥的未授权用户泄露。

尽管存在这些风险，数据加密仍然是阻止黑客访问敏感信息的有效手段，对大多数安全策略至关重要。但是，您的安全策略不应仅仅依赖于加密。

流行的加密算法和中国国密算法

在现代信息安全领域，国际上和中国分别制定了各自的加密标准来保障数据传输和存储的安全性。加密算法的核心作用是确保敏感信息不被未经授权的人员访问或篡改。本文将分别介绍国际流行的加密算法和中国的国密算法。

国际流行的加密算法

国际上流行的加密算法大致分为对称加密算法和非对称加密算法，它们广泛应用于电子商务、网络安全和数据加密等领域。以下是一些主流的国际加密算法：

1. 数据加密标准 (DES)

• 算法类型：对称加密

• 简介：DES是一种较早出现的对称加密算法，使用相同的密钥进行加密和解密。它采用56位加密密钥，对数据进行64位分组加密。由于密钥长度较短，随着计算能力的提升，DES的安全性逐渐无法满足现代需求，现已被更强的算法取代。

2. 三重DES (3DES)

• 算法类型：对称加密

• 简介：3DES是DES的改进版，通过对数据进行三次加密以增加安全性。它使用三个不同的56位密钥，总长度为168位，但其实际有效强度大约为112位。目前，3DES仍在某些遗留系统中使用，但随着更安全的算法如AES的普及，其使用逐渐减少。

3. RSA

• 算法类型：非对称加密

• 简介：RSA是一种广泛应用的公钥加密算法，使用一对密钥：公钥用于加密，私钥用于解密。RSA的安全性依赖于大整数因数分解的难度，常用于数字签名和密钥交换。

4. Blowfish

• 算法类型：对称加密

• 简介：Blowfish是一种分组对称加密算法，将消息分成64位的块进行加密。由于其简单、高效，Blowfish被广泛应用于加密任务。虽然Blowfish仍在使用，但它已逐步被更强的Twofish算法所取代。

5. Twofish

• 算法类型：对称加密

• 简介：Twofish是一种更加安全的对称加密算法，支持最长256位的密钥。它被设计为Blowfish的后继者，具有更快的加密速度和更高的安全性，适用于多种硬件和软件环境。

6. 高级加密标准 (AES)

• 算法类型：对称加密

• 简介：AES是当前国际上公认的标准对称加密算法，广泛用于政府、金融等高安全性场景。AES支持128位、192位和256位的密钥长度，被认为是目前最安全的加密标准之一，除暴力破解外几乎无法攻破。

7. 椭圆曲线加密 (ECC)

• 算法类型：非对称加密

• 简介：ECC是一种使用椭圆曲线数学模型的非对称加密算法，适用于需要较短密钥但高安全性的场景。与RSA相比，ECC能以更小的密钥提供相同的安全性，广泛用于SSL/TLS协议中的网络通信加密。

中国国密算法

中国的加密算法主要由国家密码管理局制定，称为“国密算法”。它们是中国自主设计和开发的密码学标准，涵盖了对称加密、非对称加密以及哈希函数等领域，确保信息安全自主可控。

1. SM2

• 算法类型：非对称加密

• 简介：SM2是基于椭圆曲线的非对称加密算法，类似于国际上的ECC算法。SM2可用于数据加密、数字签名和密钥交换。与RSA相比，SM2具有更高的安全性和更短的密钥长度，广泛应用于电子签名、证书管理和加密通信等领域。

2. SM3

• 算法类型：哈希算法

• 简介：SM3是一种用于生成消息摘要的哈希算法，类似于国际上的SHA-256。SM3的主要作用是生成固定长度的256位哈希值，确保数据在传输和存储过程中不被篡改。它在数字签名、数据完整性验证等场景中发挥重要作用。

3. SM4

• 算法类型：对称加密

• 简介：SM4是中国自主设计的对称加密算法，广泛应用于无线局域网、加密存储等场景。与AES类似，SM4使用128位的密钥进行分组加密，具有高效性和安全性，是国密标准中指定的对称加密算法。

国际算法与国密算法对比

• 安全性：国际流行的加密算法如AES、RSA、ECC已经经过广泛的应用和验证，具有高强度的安全性。而中国的国密算法如SM2、SM3、SM4同样基于成熟的密码学理论，专为中国的信息安全需求设计，安全性也经过国内外的认可。

• 效率与适用性：AES和SM4都是高效的对称加密算法，适合大规模的数据加密传输。SM2和ECC在非对称加密方面提供了类似的性能，ECC在密钥长度上具有优势，而RSA则更适合传统应用。

• 自主可控：国密算法的主要优势在于其自主可控性，确保中国在信息安全方面的技术独立性。这对于国家安全和商业敏感信息的保护尤为重要。

国际流行的加密算法和中国的国密算法各自有其应用场景和优势。AES、RSA、ECC等国际算法在全球范围内广泛应用，而SM2、SM3、SM4则确保了中国信息安全的自主可控。在现代信息安全中，选择合适的加密算法需要综合考虑安全性、效率、适用性以及合规性等因素。

静态数据和数据库加密

静态数据指存储在设备或系统中，未进行网络传输的数据。这包括存储在笔记本电脑、硬盘驱动器、固态硬盘、闪存驱动器或数据库服务器中的信息。静态数据通常以有意义的文件名和逻辑结构组织，包含个人身份信息、财务数据、知识产权和医疗记录等敏感内容，因此成为黑客和网络犯罪分子的主要攻击目标。

静态数据的安全性对组织至关重要。企业若未能妥善管理和保护数据资产，将面临严重的安全风险，不仅危及公司自身利益，还可能损害客户的隐私和信任。安全专家建议，组织应始终假设攻击者可能获得对静态数据的访问权限。因此，采取全面的数据保护策略至关重要，包括但不限于：最小化存储的静态数据量、对所有保留的数据进行详细清点、实施强大的加密措施、建立严格的访问控制机制，以及定期进行安全审计和更新。通过这些措施，组织可显著降低数据泄露风险，保护宝贵的信息资产。

数据库加密

在大多数现代应用程序中，数据经历这样的流程：用户输入、应用程序处理，最后存储到数据库。从底层来看，数据库实际上是由操作系统管理的一系列文件，这些文件存储在闪存硬盘等物理存储设备上。

加密可以在四个级别进行：

• 应用程序级加密

这是最灵活的加密方式，由应用程序在数据写入数据库前进行加密。这种方法允许开发人员根据具体需求定制加密过程，可以针对不同用户角色和权限级别实施不同的加密策略。例如，可以对敏感字段进行选择性加密，或者为不同用户组使用不同的加密算法。这种方法的优势在于其高度的可定制性，但也增加了应用程序的复杂性和开发工作量。

• 数据库级加密

这种方法直接在数据库层面实施加密，可以针对整个数据库或选定的表格、列进行加密操作。数据库系统负责管理加密密钥，并在数据存储和检索过程中自动进行加密和解密。这种方法的优点是对应用程序透明，不需要修改现有的应用代码。然而，它可能会对数据库性能产生一定影响，特别是在处理大量数据时。

• 文件系统级加密

这种加密方式在操作系统的文件系统层面进行，允许用户对整个目录或单个文件进行加密。它通过使用软件代理拦截对磁盘的读写操作，并根据预设的策略决定是否需要对数据进行加密或解密。这种方法不仅可以保护数据库文件，还能加密存储在同一文件系统中的其他相关数据，如配置文件、日志等。文件系统级加密的优势在于其广泛的保护范围和对应用程序的透明性，但可能会对系统整体性能造成一定影响。

• 全盘加密

这是最全面的加密方式，它会自动对整个硬盘驱动器上的所有数据进行加密，包括操作系统、应用程序、数据库和用户文件等。全盘加密通常在硬件层面实现，使用专门的加密芯片来处理加密和解密操作，从而最小化对系统性能的影响。这种方法提供了最高级别的数据保护，特别是在设备丢失或被盗的情况下。然而，它也带来了一些挑战，如系统恢复的复杂性增加，以及在某些情况下可能会影响系统的启动速度。

加密技术详解

• 列级加密

数据库中的每个数据列都经过单独加密处理。这种方法为每列分配唯一的加密密钥，大大提高了数据保护的灵活性和安全性。通过这种精细的加密策略，管理员可以根据不同列的敏感程度实施不同级别的保护，从而在安全性和性能之间取得最佳平衡。

• 透明数据加密（TDE）

TDE是一种全面的数据库加密方案，它对整个数据库进行加密，为静态数据提供强有力的保护。这种加密方式的一大优势在于其透明性——对于使用数据库的应用程序来说，加密过程是完全不可见的，无需对现有应用进行任何修改。此外，TDE还会自动加密数据库备份，即使备份媒体遭到盗窃或损坏，也能有效防止数据泄露，为数据安全提供了额外的保障层。

• 字段级加密

这种加密方法针对数据库中的特定敏感字段进行加密。数据库管理员或应用程序开发者可以灵活地标记需要特殊保护的字段，确保这些字段中输入的数据在存储时自动进行加密。常见的应用场景包括加密社会保险号、信用卡号、银行账户号等高度敏感的个人信息。这种精确的加密策略不仅提高了数据安全性，还能最大限度地减少对数据库整体性能的影响。

• 散列技术

散列是一种将任意长度的输入数据转换为固定长度输出的加密技术。这种方法生成的散列值与原始数据有关，但无法从散列值反推出原始数据。散列技术在密码系统中得到广泛应用：用户设置密码时，系统存储的是密码的散列值而非明文密码。当用户再次登录时，系统会将输入密码的散列值与存储的散列值进行比对，以验证密码的正确性。这种方法既保护了用户的密码安全，又提供了高效的身份验证机制。

• 对称密钥加密

对称加密使用同一个密钥进行数据的加密和解密。在这种方法中，加密算法将私钥应用于原始数据，生成无法直接读取的密文。只有拥有正确密钥的用户或应用程序才能将密文解密回原始数据。对称加密的优势在于其处理速度快，适合大量数据的加密。然而，其主要挑战在于密钥的安全传输和管理，因为加密和解密双方都需要获得相同的密钥。

• 非对称加密

非对称加密，也称为公钥加密，使用一对相关联的密钥：公钥和私钥。公钥可以自由分发，而私钥则需严格保密。这种加密方式的独特之处在于，使用公钥加密的数据只能用相应的私钥解密，反之亦然。非对称加密广泛应用于数字签名和安全通信中。它解决了对称加密中密钥分发的难题，但计算开销较大，因此通常用于加密小量数据或密钥交换过程。在实际应用中，往往将对称加密和非对称加密结合使用，以平衡安全性和效率。

数据库加密的缺点和优点

数据库加密作为保护敏感数据的一种重要技术手段，能够有效提升信息安全水平，但也带来了一些潜在的挑战。

优点

1. 增强数据安全性

• 保护敏感信息：数据库加密能够防止敏感数据被未经授权的用户读取，即使攻击者获得了物理访问权限，数据也仍然不可读。特别是在金融、医疗等对数据隐私要求极高的行业，数据库加密是关键的安全策略。

• 合规性要求：许多法律法规（如数据安全法、个人信息保护法、密码法等）要求对敏感数据进行加密。数据库加密有助于组织满足这些法规要求，避免因数据泄露而导致的法律风险和经济处罚。

2. 端到端数据保护

• 数据静态保护：加密不仅可以保护传输中的数据，还可以确保静态数据的安全性。通过加密存储在硬盘或备份中的数据，即使系统遭到攻击或硬件被盗，数据仍然无法被读取。

• 最小化内部威胁：数据库加密可以防止未经授权的内部员工访问敏感信息，有效降低内部威胁的风险。

3. 内置加密支持

• 简化实施：现代的数据库管理系统（RDBMS）通常提供内置的加密功能，简化了数据库加密的实现过程。企业可以直接利用这些功能，而无需引入第三方加密解决方案。

• 密钥管理集成：部分数据库系统集成了密钥管理功能，简化了密钥的生成、存储和轮换过程，使加密实施更加便捷。

缺点

1. 性能影响

• 计算开销增加：数据库加密会带来额外的计算负担，尤其是在列级加密的情况下，每次访问加密数据时都需要进行加解密操作。这会导致数据库的响应时间增加，系统性能下降，特别是在处理大量加密数据或频繁读写加密列的情况下。

• 索引效率降低：加密的数据无法直接用于索引或排序，因此数据库必须先解密再进行这些操作。这会显著影响查询性能，特别是涉及大量数据的复杂查询。

2. 复杂的密钥管理

• 多供应商环境的挑战：如果一个组织使用来自多个供应商的数据库系统，不同的加密实现方式和密钥管理策略可能增加加密管理的复杂性。密钥管理的复杂性增加了人为操作失误的风险，从而带来潜在的安全漏洞。

• 密钥丢失的灾难性后果：如果密钥丢失，所有加密数据将不可恢复，这可能导致严重的数据丢失。因此，密钥的备份和管理至关重要，密钥管理不当可能会造成灾难性的后果。

3. 管理和维护成本增加

• 实施复杂性：尽管许多RDBMS提供了内置加密支持，但实现和管理数据库加密仍需要专业知识和额外的配置。实施加密不仅仅是启用加密选项，还包括确保加密策略的正确应用、加密密钥的安全存储和定期轮换等。

• 备份和恢复复杂性：加密数据的备份和恢复过程更加复杂。必须确保备份数据的密钥和加密方案与原始数据库一致，否则数据恢复可能会失败。这增加了系统维护的复杂性。

4. 潜在的数据丢失风险

• 密钥管理不善：当使用强加密算法加密数据时，密钥管理的失误可能导致数据永久丢失。例如，如果加密密钥丢失或损坏，没有正确备份，解密将变得不可能，导致所有加密数据变得无法访问。

• 数据加密的不可逆性：由于强加密算法的设计，密钥丢失或泄露后，组织可能面临无法恢复数据的局面。因此，在使用数据库加密时，密钥的安全备份与管理至关重要。

总结

本文介绍了数据加密的概念、常见算法和中国国密算法。讨论了数据库加密的优缺点，包括增强安全性、满足合规要求、性能影响和密钥管理挑战。强调了加密在保护敏感信息中的重要性，以及实施过程中需要注意的关键问题。