数据库二级密钥系统与致密引擎浅析

福　建　电　脑　２００２年第７期　

数据库二级密钥系统与制密引擎浅析　

华南理工大学自动化科学与工程学院　刘俊峰　麦崇裔　５１０６４１　

【摘　要】　随着计算机在国民经济各部门的广泛应用，计算机大批量数据存储的安全问题、敏感数据　的防窃取和防篡改问题越来越引起人们的重视。数据库系统作为计算机信息系统的核心部分，其安全　性越显重要。而加密技术作为保障数据安全的一种方式，已普遍用于通信安全、系统保护、数据库管理　等领域。本文以计算机加密技术为基础，浅析数据库安全管理系统中的二级密钥加密技术问题。　【关键词】　密码，数据库，算法，二级密钥，加解密引擎　

一、背景及要求　大型数据库管理系统的运行平台ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ）一般　是ｗｉｎｄ。ｗｓ　Ｔ和Ｕｎｉｘ，它们具有用户注册、识别用户、任意存取　控制（ＤＡＣ）、审计等安全功能。虽然ＤＢＭＳ（Ｄａｔａｂａｓｅ　Ｍａｎａｇｅ　，ｓｔｆ２ｎ￣）在ＯＳ的基础上增加了不少安全措施，例如基于权限的访　问控制等，但ＯＳ和ＤＢＭＳ对数据库文件本身仍然缺乏有效的保　护措施，有经验的网上黑客会”绕道而行”，直接利用ＯＳ工具窃　取或篡改数据库文件内容。另一个不容忽视的隐患是，据有关资　料报道，８０％的计算机犯罪来自系统内部。在传统的数据库系统　中，数据库管理员既包揽各项系统管理工作，又可以查询数据库　中的一切信启、，无疑成为悬在数据库头顶的一柄双刃剑。　因此，只有对数据库中的敏感数据进行加密处理，才能从根　本上实现数据的安全管理。实现数据库加密以后，各用户（或用　户组）的数据由用户用自己的密钥加密，数据库管理员获得的信　息无法进行正常脱密，从而保证了用户信息的安全。另外，通过　加密，数据库的备份内容成为密文，从而能减少因备份介质失窃　或丢失而造成的损失。　敫据库加密系统对数据库密码的要求如下：　（１）数据库加密以后，数据量不应明显增加；　（２）某一数据加密后，其数据长度不变；　ｔ３）加／脱密速度要足够快，数据操作响应时间应该让用户能　够接受。　另外，一些更加具体的问题如：　（！）索引字段不能加密，它们的建立和应用必须是明文状态，　否则将失去索引迅速查询的目的和作用。　（２）关系运算的比较字段不宜加密，否则ＤＢＭＳ将无法进行　比较筛选　（３）表间的连接码字段不能加密，数据库表之间的相关性往　往是通过”外部编码”驳系的，这些编码若加密就无法进行表与表　之间的连接运算。　这些问题，都要在实际应用中细加注意。　二、加密算法简介　密码学发展至今，产生了很多密码算法。应用于数据库加密　最广泛的主要算法有三类，分别是序列密码，分组密码和公钥密　码。　１序　ｌ】密码体制　序列密码是指利用少量的密钥（制乱元素）通过某种复杂的　运算（密码算法）产生大量的伪随机位流，用于对明文位流的加　密。解密是指用同样的密钥和密码算法及与加密相同的伪随机　位流，用以还原明文位流。这种密码以一个字符为单位进行加密　变换。　序列密码的优点是运算速度快；明密文长度一般不变；密文　传输中的错误不会在明文中产生扩散。其缺点是密钥变换过于　频繁，密钥分配较难，同时乱码的产生和管理比较困难。　２．分组密码体制　应用这类密码时，明文按固定长度分组，对各组数据用不同　的密钥加密（或脱密）。这类密码按分组进行加密变换，一个字符　数据不仅与密钥有关，而且还与其他字符数据有关，密码分析的　穷尽量很大。　分组密码的一个具体算法是ＤＥＳ密码：即所谓的６４位分组　法。ＤＥＳ使用５６位密钥对每６４位的数据块进行加密，并对每　６４位的数据块进行１６轮编码。ＤＥＳ用软件进行解码需要用很　长时间，它的穷尽量为２６４—１，这是一个２０位的十进制数，即使　用每秒运算万亿次以上的巨型计算机进行攻击，平均穷尽时间也　需要数年。后来人们对ＤＥＳ密码的密钥长度不满足，又改进出　三重ＤＥＳ密码，用两个密钥对明文进行三次加密。　分组密码的优点是：密钥可以在一定时间内固定，不必每次　变换，因此给密钥配发带来了方便。缺点是密文传输错误容易在　明文中扩散。　３．公开密钥体制　无论是序列密码还是分组密码，其加密和解密密钥均是相同　的，又称单钥密码体制，因此必须严格保密，且要经安全渠道配　发，这在跨越很大的地理位置上应用是一个难以解决的问题。　１９７６年有人提出了公共密钥密码体制，其原理是加密密钥（公有　密钥）和解密密钥（私有密钥）分离，并且加密过程是不可逆的，即　加密后，无法使用加密密钥的算法解密，而只能以解密密钥解密。　这样，一个具体用户就可以将公有密钥公诸于众，而只保密私有　密钥。当别人需要向他发送信息时，就利用这个公有密钥和算法　对信息加密后进行发送，接收者利用自己的私有密钥将信息还原　（见图１）。因此，人们通常也将这种密码体制称为双密钥密码体　制或非对称密码体制。这种体制的一个例子是ＲＳＡ密码。　这类密码的共同缺点是加／脱密速度较慢。公开密钥体制的　密码目前常用于用户认证、数字签名以及密钥传输等，不能适应　数据库加密的速度要求。因此在实际应用中普遍采用双钥和单　钥密码相结合的混合加密体制。

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圈１　开峦鹕体制　翥圈　

三、二级密钥工作原理　由于数据库系统的特殊要求，数据库加密需要实行二级密钥　管理。一级密钥为主密钥（使用公钥算法如ＲＳＡ），二级密钥为工　作密钥（使用私钥算法如ＤＥＳ）。工作密钥用于对数据库数据进　行加／脱密，主密钥的作用是对工作密钥进行加密。这样就既利　用了私钥算法的快速性又保持了工作密钥的安全性。　举一个例子：假定现在要使用密钥“１２３４５”（二级工作密钥）　加密一些数据。首先使用对称加密算法（ＤＥＳ）加密正文，使用的　密钥就是“１２３４５”；然后利用ＲＳＡ公钥（一级主密钥），使用ＲＳＡ　算法加密这个密钥“１２３４５”；最后把经ＲＳＡ公钥加密过的工作密　钥放在密文的前面形成报头（可能后面跟着一个分割符或文件长　度，以区分数据和密钥），当对方收到时，解密程序找到加密过的　工作密钥，并利用ＲＳＡ私钥解密出来，然后再确定出数据的开始　位置，利用密钥“１２３４５”来解密数据。这样就获得一个可靠的高　效加密的数据安全传输解决方案。　可以用以下一个流程图来表示二级密钥工作的过程：　

（加密浙Ｌ程）　

（解密流Ｗ）　（旧２　＝级密钉】Ｔ作过　）　

四、制密、解密处理系统　在数据库二级密钥体系结构中，数据库加／脱密引擎（结构如　图３所示）位于应用程序与数据库服务器之间，是数据库加密系　统的核心部件，负责在后台完成数据库信息的加／脱密处理，对应　用开发人员和操作人员是透明的。　数据库加脱密引擎驻留在内存中，通过内部接口与加密字典　管理程序和用户应用程序通讯，它没有自己的用户操作界面，在　需要时由操作系统自动加载。　一般的数据库加／脱密引擎由三大模块组成：　加脱密处理模块；　语法分析模块；　数据库接口模块。　Ｉ　Ⅷ　删Ⅲ　ｌ　什ｓｏＬｌｊ　ｋ　匮　镯一臣　

｛ｉ　…　

Ｖ　ｓＱＬ　ｎ　１ｆ　。．　．　Ｊ　｝　（　３　『／Ｊｊ范苷．ｊｌ　系统　．　ｉ掬）　

数据库接口参数是应用系统访问数据库逻辑链路的标识，用　户一旦成功登录到某个数据库服务器，即与之建立了一条逻辑链　路，称之为ＳＱＬＬｉｎｋ。应用系统访问“加脱密处理模块”或者“加　脱密处理模块”访问数据库都是通过接口参数ＳＱＬＬｉｎｋ进行的。　在“加脱密处理模块”内部，系统通过接口参数ＤｂｅｄＬｉｎｋ相　互调用。ＤｂｅｄＬｉｎｋ有两种形式：其一是ＵｓｅｒＬｉｎｋ，用户访问”加　脱密处理模块”时，即有与ＳＱＬＬｉｎｋ对应的ＵｓｅｒＬｉｎｋ；其一ｉ是　ＢａｃｋＬｉｎｋ．“加脱密处理模块”在对数据库服务器进行某些操作　时。为了不影响用户的数据库事务．没有借用原有的ＵｓｅｒＬｉｎｋ，而　是另外复制了一条专用链路，即ＢａｃｋＬｉｎｋ。　下面重点分析加脱密处理模块。　加脱密处理模块　“加脱密处理模块”是数据库加脱密引擎的核心模块，包括数　据库加脱密引擎的初始化、内部专用命令的处理、加密字典信息　的检索、加密字典缓冲区的管理、ＳＱＬ命令的加密变换、查询结果　的脱密处理以及加脱密算法实现等功能子模块，另外还包括一些　公用的辅助函数。　（１）调用接口　“加脱密处理模块”被“数据库接口模块”调用时，参数是　ＵｓｅｒＬｉｎｋ。“加脱密处理模块”将用户的ＳＱＬ命令传递给“语法分　析模块”，用于加脱密语义分析。“加脱密处理模块”在需要访问　数据库时，则以ＵｓｅｒＬｉｎｋ或ＢａｃｋＬｉｎｋ参数调用”数据库接口模　块”提供的数据库服务。　（２）处理过程　对数据进行加／脱密的主要步骤如下：　ｌ——对ＳＱＬ命令进行语法分析，如果语法正确，转下一步，　进行进一步处理；如果语法不正确，则转６，直接将ＳＱＬ命令交数　据库服务器处理。　２——是否为数据库加脱密引擎的内部控制命令？如果是，　则处理内部控制命令，然后转７；如果不是．则转下一步。　３——检查数据库加脱密引擎是否处于关闭状态或ｓＱＬ命　令是否只需要编译？如果是，则转６，否则转下一步。　４——检索加密字典，根据加密定义对ＳＱＬ命令进行加脱密　语义分析。　５——ＳＱＬ命令是否需要加密处理？如果是，则将ＳＱＬ命令　进行加密变换，替换原ＳＱＬ命令，然后转下一步；否则直接转下　

一步。　６——将ＳＱＬ命令转送数据库服务器处理。　７——ＳＱＬ命令执行完毕，清除ｓＱＬ命令缓冲区。　语法分析模块　“语法分析模块”的功能是将ＳＱＬ命令转换成计算机易处理　的形式。该模块由词法分析器、语法分析器、

语法错误处理、语法　维普资讯 http://www.cqvip.com ６　福　建　电　脑　２００２年第７期　

树转换成ｓＱＬ命令等子模块组成。　通常，“语法分析模块”只被“加脱密处理模块”调用，晤法分　析并不需要能识别所有类型的ＳＱＬ命令，可以不考虑那些与加　脱密无关的ＳＱＬ命令。　数据库接口模块　“数据库接口模块”将所有访问数据库的操作封装在一起，屏　蔽了各类数据库的特性，使得“加脱密处理模块”不必关心实际使　用的是哪种数据库。该模块包含两部分接口：其一是前端数据唪　客户访问数据库加脱密引擎的接口函数；其二是数据库加脱密引　擎访问后台数据库服务器的接口函数。　“数据库接口模块”的主要工作是接受用户的操作请求，并传　递给“加脱密处理模块”，此外还要代替“加脱密处理模块”去访问　数据唪服务器，在这些过程中，需要完成外部数据库接口参数与　数据库加脱密引擎内部数据结构之间的转换。　五、加脱密系统的程序举例　下面笔者以一个使用ＰｏｗｅｒＢｕｉｌｄｅｒ设计的用户登陆及创建　用户程序，来体现加脱密引孥的思想。　在实际应用中，人们常常在主程序前添加一个口令保护装　置。例如对一个销售数据系统，为了确保未经授权的人不能进　入，一般的做法是设置登陆窗口，把已授权用户的名称与密码存　放于数据库某个表中。但这些重要数据假若明文存放，则往往带　来隐患。因此必须对用户名和密码进行加密。设登陆窗口（ｗ—　ｍａｉｎ）主界面如图（４—１）所示，创建用户窗口　ｗ—ｎｅｗ）如图　４　２　所示，并用ＰＢ自带的数据库管理器创建一表格存储用户名及密　码，名为ｈａｒｔｔｏｇｕｅ￣。各属性见表１、２、３。