GaussDB技术解读——GaussDB架构介绍之安全关键技术方案

安全关键技术一：密态等值查询
密态等值查询属于密态数据库第一阶段方案，但是遵从密态数据库总体架构。密态数据库的总体架构示意图如下图所示。密态数据库的完整形态包括密码学方案和软硬结合方案。

图8 密态数据库总体架构

由于密态等值查询仅涉及到软件部分，仅需集成密态数据库总体架构的软件部分，其总体实现方案如下图所示。

图9 密态等值查询总体方案

从总体流程上来看，数据在客户端完成加密，以密文形式发送到GaussDB Kernel数据库服务侧，即需要在客户端构建加解密模块。加解密模块依赖密钥管理模块，密钥管理模块生成根密钥(RK, Root Key)和客户端主密钥(CMK，Client Master Key)，有了CMK，可以通过SQL语法定义列加密密钥(CEK，Column Encryption Key)。其中，CMK由RK加密后保存在密钥存储文件(KSF，Key Store File)中，与RK一起由KeyTool统一管理；CEK则由CMK加密后存储在服务端，加密算法使用AES128和AES256。

按照原有明文格式发送至服务端。当查询任务发起后，客户端需要对当前的Query进行解析，如果查询语句中涉及加密列，则对对应的列参数(加密列关联参数)也要进行加密(这里说的加密均需要为确定性加密，否则无法支持对应的查询)；如果查询语句中不涉及加密列，则直接发送至服务端，无需额外的操作。

在数据库服务侧，加密列的数据始终以密文形态存在，整个查询也在密文形态下实现。对于第一阶段密态等值查询解决方案，需要采用确定性加密，使得相同的明文数据获得相同的密文，从而支持等值计算。

按照用户使用的流程，整体设计思路将围绕用户的使用步骤展开，即整个Use Case被切分成三部分。具体如下：

生成客户端主密钥：用户需要在本地部署密钥管理工具（KeyTool），通过密钥管理工具相关指令来管理密钥，如创建或删除密钥；当前该工具底层集成华为公司KMC组件，生成的主密钥通过KMC进行保存和管理，并返回密钥信息给用户，方便后续调用和管理；

记录CMK与CEK信息，在系统创建加密表：有了阶段1中生成的密钥信息后，为数据库设计专门的密钥创建语法，包括设计新的主密钥(CMK, Client Master Key)和列加密密钥(CEK, Column Encryption Key)语法；通过内核接口访问KeyTool中存储的主密钥并记录在系统中，列加密密钥则由主密钥在客户端完成加密后存储在数据库服务端；数据通过列加密密钥完成在客户端的加密，然后传输到服务端。为了做到查询对用户的透明，需要基于当前已有的创建表语法进行改造，主要进一步增强列的option信息；

完成密态等值查询：为了完成密态等值查询需要在客户端和服务端完成配合设计。其中在客户端需要设计轻量级的解析模块，完成对查询语句的解析，定义密态等值查询所支持的规格。在客户端解析模块，需要识别所有涉及的属性是否包含加密列信息，如果不涉及则直接返回并将查询发送到服务端，如果涉及加密列，则需要按照对应的列加密密钥和加密算法加密参数信息，然后发送查询任务到服务端。在服务端，需要在优化器和执行器的各个执行逻辑过程中完成功能适配，特别的，数据在经过加密后，存储的数据类型发生变更，在服务端需要根据新的存储类型进行查询任务执行。

安全关键技术二：账本数据库
防篡改数据库的整体方案如图1所示，其最终形态是多个数据库之间的多方共识系统。我们基于GaussDB Kernel数据库，从存储层、应用层和传输层进行改造和增强。存储层为防篡改用户表增加校验信息，作为篡改校验的基础能力；应用层提供高效篡改校验接口，使用高性能校验算法，能够快速识别出用户表、用户历史表以及全局区块表的一致性，有效识别篡改行为；传输层增加多方共识执行接口，并内置CFG、BFT等共识算法，使得系统中，每一次对防篡改用户表的修改都需要取得大多数参与方的认可和记录，保证核心数据的防篡改、可追溯。

图10 防篡改数据库总体方案

账本数据库属于防篡改数据库第一阶段方案，是防篡改数据库的单集群形态，主要是实现了存储层、执行层的功能，提供了用于防篡改校验数据以及高效篡改校验算法。账本数据库作为防篡改数据库整体方案的基础功能和核心能力，需要紧密结合内核并利用分布式数据库的执行框架和通信流程。

我们采用schema对防篡改用户表和普通表进行隔离。用户在防篡改schema中创建的表会成为防篡改用户表，防篡改用户表与普通表最大的差别是防篡改用户表会在创建时自动添加名为hash的系统列。hash列在用户插入数据时，自动通过单向加密哈希算法生成。同时在创建防篡改用户表时，会在blockchain系统schema中创建与之一一对应的用户历史表。用户对防篡改表进行DML操作，造成的行级数据更改记录会记录在对应的用户历史表中，同时会将sql语句记录在全局区块表中，作为操作的记录。防篡改用户表、用户历史表、全局区块表中的hash摘要信息可以相互校验，如果校验通过，则视为用户表未被篡改。

需要特别说明的是，我们通过判断数据的一致性来识别篡改行为，不能防止恶意用户从文件层一致的修改多个文件以及越权用户通过sql语句对用户表进行修改。

账本数据库的功能主要分为三个部分：防篡改用户表的DDL和DML操作、防篡改用户表的一致性校验以及校验数据的归档和修复功能。

首先我们介绍防篡改特性的隔离级别，我们使用schema来隔离普通用户表和防篡改用户表。通过增加创建防篡改schema的语法: CREATE SCHEMA schema_name WITH BLOCKCHAIN，在防篡改schema中创建的表，均为防篡改用户表。

其次是用户表的DDL和DML操作，在创建防篡改用户表的过程中，主要有两点修改：

1. 对该表增加一个名为hash的伪列，该列类型为uuid16，该列记录和每一行数据的校验信息。
2. 生成防篡改用户表对应的用户历史表，用户表中记录了行级数据的修改记录。

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