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一文读懂十大数据存储加密技术

2021-04-07 06:00 浏览量：471

一文读懂十种数据存储加密技术

数据作为新的生产要素，其蕴含的价值日益凸显，而安全问题却愈发突出。密码技术，是实现数据安全最经济、最有效、最可靠的手段，对数据进行加密，并结合有效的密钥保护手段，可在开放环境中实现对数据的强访问控制，从而让数据共享更安全、更有价值。随着《密码法》等“一法三规一条例”的落实，各行业对数据加密技术、产品和服务的重视程度不断提升。

本文聚焦十种数据存储加密技术，希望能够帮助读者快速了解数据存储加密技术的全貌，并在用户需要通过“加解密技术”进行自身核心数据资产的安全保护时，在场景适用性判断、相关技术与产品选型等方面提供参考和帮助。

本文共计9478个字，预计阅读时间需20分钟。

实战与合规双驱动

在“实战与合规”共同驱动下，数据安全建设作为一种“不希望数据发生什么”的业务需求逐步被重视，将与之匹配的安全技术应用到信息系统业务场景，迫在眉睫。

从实战角度看，当下的数据泄露事件频发，面对新安全挑战与新合规要求，企业安全防护体系正在从“以网络为中心的安全”，升级到“侧重以数据为中心的安全”。而密码作为网络安全的杀手锏技术和核心支撑，天然具备安全防护基因，是实现数据安全最经济、最有效、最可靠的手段。尤其在政务、金融、交通文旅、央企、工业等行业，个人信息保护、商业秘密保护、国密合规等方面的建设亟待加速。

聚焦到数据实际流转过程，在每个关键节点上，作为生产要素的数据都面临着众多威胁。通过对数据流转中的威胁分析，选取关键安全增强点进行加密，用这种方式可以为数据重新塑造一个虚拟边界，实现防范内外部安全威胁，是当前数据安全实战防护的有效手段。

图1：基于数据流转路径的威胁模型分析

从合规角度看，数据安全技术迎来发展新趋势：第一，数据安全技术正逐步获得国家政策重视以及用户认可，从顶层规划到配套法律法规的不断加码，企业层面越发重视加密技术应用；第二，数据安全技术与业务的结合越来越紧密，业务应用层正成为数据安全建设的重点，将成为解决企业在平衡合规压力、改造复杂业务和信息系统困境的关键所在；第三，数据安全技术应用扩展到各领域行业，如国家标准GB/T 39786-2021《信息安全技术信息系统密码应用基本要求》的发布，替代行标GM/T 0054-2018《信息系统密码应用基本要求》，密码技术的行业及场景适用性进一步延伸。

“新合规”政策条例列举
层级	名称	条例
国家顶层设计	《中共中央国务院关于构建更加完善的要素市场化配置体制机制的意见》	第六部分“加快培育数据要素市场”第22条：加强数据资源整合和安全保护。推动完善适用于大数据环境下的数据分类分级安全保护制度，加强对政务数据、企业商业秘密和个人数据的保护。
国家顶层设计	《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》	第十八章第一节：加快推进数据安全、个人信息保护等领域基础性立法，强化数据资源全生命周期安全保护。第十八章第三节：加强网络安全关键技术研发……
数据安全政策法规	《网络安全法》	第二十一条：国家实行网络安全等级保护制度。其安全保护义务第4条明确采取数据分类、重要数据备份和加密等措施。
	《个人信息保护法（草案）》	第五十条第三款：采取相应的加密、去标识化等安全技术措施；第六十二条：有前款规定的违法行为，情节严重的，由履行个人信息保护职责的部门责令改正，没收违法所得，并处五千万元以下或者上一年度营业额百分之五以下罚款…
	《数据安全法（草案）》	第十九条：国家根据数据在经济社会发展中的重要程度，以及一旦遭到篡改、破坏、泄露或者非法获取、非法利用，对国家安全、公共利益或者公民、组织合法权益造成的危害程度，对数据实行分级分类保护。第二十五：采取相应的技术措施和其他必要措施，保障数据安全。
密码产业政策法规	《密码法》	二十七条：法律、行政法规和国家有关规定要求使用商用密码进行保护的关键信息基础设施，其运营者应当使用商用密码进行保护。关键信息基础设施运营者，应当自行或者委托商用密码检测机构开展商用密码应用安全性评估。
	《国务院办公厅关于印发国家政务信息化项目建设管理办法的通知》（国办发〔2019〕57号）	第四章第三十条：各部门应当严格遵守有关保密等法律法规规定，构建全方位、多层次、一致性的防护体系，按要求采用密码技术，并定期开展密码应用安全性评估，确保政务信息系统运行安全和政务信息资源共享交换的数据安全。
	《贯彻落实网络安全等级保护制度和关键信息基础设施安全保护制度的指导意见》（公网安〔2020]1960号）	第二部分第六点：落实密码安全防护要求。网络运营者应贯彻落实《密码法》等有关法律法规规定和密码应用相关标准规范。第三级以上网络应正确、有效采用密码技术进行保护，并使用符合相关要求的密码产品和服务。
	《关键信息基础设施安全保护条例（征求意见稿）》	第四章第二十三条第四点：采取数据分类、重要数据备份和加密认证等措施。
	《商用密码管理条例》	第六章第三十八条：非涉密的关键信息基础设施、网络安全等级保护第三级以上网络、国家政务信息系统等网络与信息系统，其运营者应当使用商用密码进行保护，制定商用密码应用方案，配备必要的资金和专业人员，同步规划、同步建设、同步运行商用密码保障系统，自行或者委托商用密码检测机构开展商用密码应用安全性评估。

数据安全本质上是由攻防对抗推动发展的，实战是加密技术应用的内在需求，合规为加密技术推广提供加速引擎，在实战与合规双驱动下，数据存储加密技术在业务中的应用成为大势所趋。

寻找数据流转中的安全增强点

数据存储加密防护的难点，在于如何对流转中的数据主动实施加密等保护，确保数据不被泄露或篡改，这里的数据包括结构化与非结构化等类型。结构化数据一般是指可以使用关系型数据库存储和表示，表现为二维形式的数据，一般来讲，结构化数据也就是传统数据库中的数据形式；非结构化数据，就是指没有固定结构的数据，包括各种文档、图片、视频、音频等。

传统的“数据库加密”往往体现为密文数据存储到数据库后的情形，一般局限于结构化数据，而在企业实战化场景中，数据库只是数据处理的一个环节，因此，传统的“数据库存储加密”是“数据存储加密”的子集。

要对比各种数据存储加密技术，炼石认为有多项评判指标：第一，应满足加密防护能力融入业务流程，面向广泛信息化应用，在复杂场景中提供有效防护；第二，能够融合访问控制、审计等其他安全技术，实现安全机制可靠有效；第三，优秀的权限控制能力，能够根据不同属性的人群，展开细粒度权限控制，实现权限最小化，有效防范内部越权、外部黑客拖库等风险；第四，在节约企业成本，不影响企业业务正常运营的情况下，敏捷部署实施高性能的数据安全防护，有效控制实施风险。

本文以“数据”为中心，沿着数据流转路径，在典型B/S三层信息系统架构的多个数据业务处理点基础上，综合业内数据加密技术现状，选取了10种代表性的存储加密技术，并对其实现原理、应用场景，以及相应的优势与挑战进行解读分析。

图2：数据存储加密技术总览图

在实际应用中，要结合用户场景和适用性需求，选择一种或者组合多种存储加密技术，优势互补，打造“以密码技术为核心，访问控制、审计等多种安全技术相互融合”的数据安全防护体系，从而满足企业多场景的实战化及合规需求。

十种数据存储加密技术的特性分析

技术一：DLP终端加密

原理解析

部署位置：终端

原理：DLP（Data Leakage Prevention）终端加密技术，目的是管理企业终端上（主要是PC端）的敏感数据，其原理是在受管控的终端上安装代理程序，由代理程序与后台管理平台交互，并结合企业的数据管理要求和分级分类策略，对下载到终端的敏感数据进行加密，从而将加密应用到企业数据的日常流转和存储中。信息被读取到内存中时会进行解密，而未授权复制到管控范围外则是密文形式，主要适用于非结构化数据的保护。

应用场景

DLP终端加密技术主要适用于企业终端数据的安全管理，在原有安全防护能力之上，可有效增强以下场景的数据防护能力：
1）操作失误或无意识外发导致技术数据泄漏；

2）通过打印、剪切、复制、粘贴、另存为、重命名等操作泄漏数据；

3）离职人员通过U盘、移动硬盘等方式随意拷走机密资料；

4）移动笔记本被盗、丢失或维修等造成数据泄漏。

优势

1、文件外发强管控。和其他终端安全技术相比，能够强制实现重要敏感文件的外发管控，从而实现对数据的“事前防护”，可防范一定程度的“有意泄露”。

挑战

1、终端适配困难、运维成本高。企业终端一般具有操作系统众多、终端类型复杂、文档使用场景多样等特点，终端加密在落地应用时，易出现终端兼容适配困难、运维成本较高等问题。在移动终端，由于存在权限问题，技术落地难度大。

技术二：CASB代理网关

原理解析

部署位置：终端-应用服务器之间

原理：CASB代理网关（Cloud Access Security Broker）是一种委托式安全代理技术，将网关部署在目标应用的客户端和服务端之间，无需改造目标应用，只需通过适配目标应用，对客户端请求进行解析，并分析出其包含的敏感数据，结合用户身份，并根据设置的安全策略对请求进行脱敏等访问控制，可针对结构化数据和非结构化数据同时进行安全管控。

图3：CASB代理网关技术原理

应用场景

随着云的普及，传统的IT架构正在发生变化。企业很多业务系统都托管在云服务商处，日常的很多工作，比如HR、社保、报销、OA等工作事务的管理都有相应的SaaS服务可以采用，企业想要享受便捷的云服务，又不想失去对自身数据的控制权，则可以采用CASB代理网关技术。例如，最常见的一种安全防护场景是：能够识别出一个用户访问云资源是使用的私人账号还是企业账号，以防止敏感数据从企业资源转移到私人资源。

优势

1、与业务结合的数据安全保护。CASB代理网关位于应用服务和用户端之间，该位置可以获取到丰富的业务上下文，可以基于用户、资源、操作和业务属性，灵活利用访问者所对应属性集合决定是否有权访问目标数据，比如部门、区域、职位、动作、目标数据类型、时间，以及其他条件等，从而在复杂业务场景下实现对数据的安全防护。

挑战

1、实施成本较高。为实现从客户端请求中解析用户在应用中的操作含义，需适配目标应用，适配工作量取决于目标应用的数量和复杂度以及安全管控粒度。

技术三：应用内加密（集成密码SDK）

原理解析

部署位置：应用服务器

原理：应用内加密（集成密码SDK）是指应用系统通过开发改造的方式，与封装了加密业务逻辑的密码SDK进行集成，并调用其加解密接口，使目标应用系统具备数据加密防护能力。

图4：应用内加密（集成密码SDK）技术原理

应用场景

通常情况下，当应用系统仅对数量有限的敏感数据存在加密需求时，适用于使用应用内加密（集成密码SDK）技术。这里主要包含场景：需要加密处理的敏感数据代码逻辑在业务系统中分布不多，或者需要加密处理的敏感数据对应的表或字段相对较少。

优势

1、适用范围广。应用系统的开发商可以自行解决数据加解密的绝大多数问题，对数据库系统本身或第三方的数据安全厂商没有依赖；

2、灵活性高。应用服务端加密，主要是针对于应用服务器的加密方式，因为应用服务端加密可与业务逻辑紧密结合，在应用系统开发过程中，灵活地对相关业务中的敏感数据进行加密处理，且使用的加密函数、加密密钥等均可以根据业务逻辑需求进行灵活选择。

挑战

1、需要对应用系统开发改造。应用系统加密的实现需要应用系统开发投入较大的研发成本，时间周期较长，后期实施和维护成本较高，也面临大量代码改造带来的潜在业务风险；

2、对应用开发人员要求高。对业务开发人员来说，正确合规使用密码技术具有一定门槛。比如在实际应用中，会出现应用开发人员密钥使用不合规或安全风险等情况。

技术四：应用内加密（AOE面向切面加密）

原理解析

部署位置：应用服务器

原理：应用内加密（AOE面向切面加密）技术，能以免开发改造方式，实现应用系统中结构化数据和非结构化数据的存储加密，并提供细粒度访问控制、丰富脱敏策略、以及数据访问审计功能，为应用打造全面有效且易于实施的数据安全保护。其实现原理是将数据安全插件部署在应用服务中间件，结合旁路部署的数据安全管理平台、密钥管理系统，通过拦截入库SQL，将数据加密后存入数据库。

图5：应用内加密（AOE面向切面加密）技术原理

应用场景

应用内加密（AOE面向切面加密）主要适用于企业在应用层想要实现免开发改造的、可敏捷实施的高性能数据安全防护。该加密方式支持结构化/非结构化数据的加密，可与应用开发解耦，灵活性高。进一步的，该加密方式可支持分布式部署、集中式管控，既可针对单个应用防护，也可以针对上百个应用的批量保护。

优势

1、数据加密与业务逻辑解耦。该加密技术通过AOE面向切面加密方式，可以将安全与业务在技术上解耦，又在能力上融合交织，拥有高度灵活性；

2、不影响业务运营。应用内加密（AOE面向切面加密）适用于“应用免改造”的实战需求，能够实现以配置的方式敏捷部署实施，对应用的连续运行无影响。同时与其他加密技术相比，该技术对数据加解密的影响最低；

3、基于细粒度权限控制的数据安全防护。该加密技术可针对应用打造“主体到用户，客体到字段”的安全防护体系，能够根据不同属性的人群，实施细粒度的权限控制，实现对企业内部人员的敏感数据访问最小化授权。

挑战

1、对应用程序编程语言和框架需要做适配。企业实际应用系统错综复杂，涉及到多样化的编程语言与框架，这对AOE面向切面加密技术的实现提出较高的工程化实现挑战。

技术五：数据库加密网关

原理解析

部署位置：应用服务器-数据库之间

原理：数据库加密网关是部署在应用服务器和数据库服务器之间的代理网关设备，通过解析数据库协议，对传入数据库的数据进行加密，从而获得保护数据安全的效果。

图6：数据库加密网关技术原理

应用场景

数据库加密网关可以为数据库提供“入库加密、出库解密”的防护，可以建立数据库用户的访问控制，实现企业内部人员的敏感数据访问授权精细化，可以防数据库拖库以及拦截非法SQL。

优势

1、应用系统与加解密功能分离。相比较于传统的应用内加密（集成密码SDK）技术，数据库加密网关技术具有独立性，能够使用户从高度复杂且繁重的加密解密处理逻辑的开发工作解放出来。

挑战

1、存在一定的法律风险。对于Oracle等采用私有通信协议（不开源）的商业数据库，安全厂商提供的数据库加密网关破解协议的方案存在法律风险；

2、高性能和高可用实现难度大。数据库加密网关增加了额外的处理节点，在大数据量和高并发访问场景下，要实现高性能、高可用，面临工程化实现挑战。

技术六：数据库外挂加密

原理解析

部署位置：数据库

原理：数据库外挂加密通过针对数据库定制开发外挂进程，使进入数据库的明文先进入到外挂程序中进行加密，形成密文后再插入数据库表中。这种技术使用“触发器”+“多层视图”+“扩展索引”+“外部调用”的方式实现数据加密，可保证应用完全透明。通过扩展的接口和机制，数据库系统用户可以通过外部接口调用的方式实现对数据的加解密处理。视图可实现对表内数据的过滤、投影、聚集、关联和函数运算，在视图内实现对敏感列解密函数的调用，实现数据解密。

图7：数据库外挂加密技术原理

应用场景

如果查询涉及的加密列不多，查询结果集中，且包含的数据记录也相对不多时，可以考虑使用数据库外挂加密技术对数据库进行加密。

优势

1、独立权控体系。使用数据库外挂加密技术，可以在外置的安全服务中提供独立于数据库自有权控体系之外的权限控制体系，适用于对“独立权控体系”有相关需求的场景，可以有效防止特权用户（如DBA）对敏感数据的越权访问。

挑战

1、仅支持Oracle等少量数据库类型。数据库外挂加密，目前大多数的技术实现形式，存在功能性依赖，仅支持开放高级接口的Oracle等少量数据库；

2、数据库性能损耗较高。数据库外挂加密是通过触发器、多级视图，进行外部接口调用来实现加解密，触发器或视图的运行机制要求对加密表中的每一条数据中的每个加密列的读写都会进行外部接口调用，因此，当遇到比如“查询中涉及的加密列较多”等情况时，会对数据库的读写性能存在明显影响；

3、可扩展性差。在业务变化引起数据库表结构发生变化时，需要对外挂程序业务逻辑进行调整，甚至需重新定制开发，存在后期维护成本。

技术七：TDE透明数据加密

原理解析

部署位置：数据库

原理：透明数据加密（Transparent Data Encryption，简称为TDE）是在数据库内部透明实现数据存储加密、访问解密的技术，Oracle、SQL Server、MySQL等数据库默认内置此功能。数据在落盘时加密，在数据库内存中是明文，当攻击者“拔盘”窃取数据，由于数据库文件无法获得密钥而只能获取密文，从而起到保护数据库中数据的效果。

图8：透明数据加密技术原理

应用场景

透明数据加密技术适用于对数据库中的数据执行实时加解密的应用场景，尤其是在对数据加密透明化有要求，以及对数据加密后数据库性能有较高要求的场景中。在实际使用中，可根据Oracle等内置TDE的密钥管理接口，将默认“软密钥钱包”升级为外部密钥管理系统，以增强密钥安全性。

优势

1、独立权控体系。与数据库外挂加密类似，使用插件形式的透明数据加密技术，同样可以在外置的安全服务中提供独立于数据库自有权控体系之外的权限控制体系；

2、性能损耗较低。透明数据加密技术只对数据库引擎的存储管理层进行了性能增强，不影响数据库引擎的语句解析和优化等处理过程，数据库自身性能得以更好保留，透明数据加密技术在数据库加密技术中，性能损耗较低。

挑战

1、防护颗粒度较粗。TDE本身是一种落盘加密技术，数据在内存中处于明文状态，需要结合其他访问控制技术使用。在实战场景中难以防范DBA等风险；

2、数据库类型适用性上有限制。透明数据加密因使用插件技术，对数据库的版本有较强依赖性，且仅能对有限几种类型的数据库实现透明数据加密插件，在数据库类型适用性上有一定限制。

技术八：UDF用户自定义函数加密

原理解析

部署位置：数据库

原理：UDF（User Defined Function）用户自定义函数是在已有数据库功能的基础上扩展更丰富的业务需求，其原理是在数据库支持的形式上，通过定义函数名称及执行过程，实现自定义的处理逻辑。UDF用户自定义函数加密，是通过UDF接口实现数据在数据库内的加解密。

应用场景

UDF用户自定义函数加密，作为一种在数据库侧的高灵活加解密集成方式，适用于某些数据库需要定制加解密的场景，尤其是实现基于国密算法的数据加解密。

优势

1、扩展能力强。该加密技术适用于对数据有“定制化实现”的场景化需求，能够根据用户的业务需求，对数据实现丰富多样的加解密处理。

挑战

1、通用性低。该加密技术需要根据不同数据库的类型，做相对应的定制化实现，并且在存储过程或SQL中加以调用。

技术九：TFE透明文件加密

原理解析

部署位置：文件系统

原理：透明文件加密（Transparent File Encryption，简称为TFE），是在操作系统的文件管理子系统上部署加密插件来实现数据加密，基于用户态与内核态交付，可实现“逐文件逐密钥”加密。在正常使用时，计算机内存中的文件以明文形式存在，而硬盘上保存的数据是密文，如果没有合法的使用身份、访问权限以及正确的安全通道，加密文件都将以密文状态被保护。

图9：透明文件加密技术原理

应用场景

透明文件加密技术几乎可以适用于任何基于文件系统的数据存储加密需求，尤其是原生不支持透明数据加密的数据库系统。但是，由于文件系统加密技术无法提供针对数据库用户的增强权限控制，因此对于需要防范内部数据库超级用户的场景并不适用。

优势

1、可对应用进程授权。透明文件加密的防护颗粒度较细，可以适用于对应用进程有绑定需求的场景，只有授权的“白名单”应用进程访问文件时，才能获得明文，而未授权应用只能获取密文。

挑战

1、管理员风险。由于文件系统加密技术的数据库无关性，因此，该加密技术不具备对系统用户增强的权限控制能力，也无法防止内部人员包括系统管理员和数据库DBA对加密数据的访问；

2、高性能实现难度大。透明文件加密技术因为是在操作系统的文件管理子系统上部署加密插件来实现数据的加密功能，因此会增加操作系统中用户态的处理环节，从而对数据库系统整体性能造成部分损失，要实现到高性能面临工程化挑战。

技术十：FDE全磁盘加密

原理解析

部署位置：文件系统

原理：全磁盘加密（Full Disk Encryption，简称FDE）是指通过动态加解密技术，对磁盘或分区进行动态加解密的技术。FDE的动态加解密算法位于操作系统底层，其所有磁盘操作均通过FDE进行：当系统向磁盘上写入数据时，FDE首先加密要写入的数据，然后再写入磁盘；反之，当系统读取磁盘数据时，FDE会自动将读取到的数据进行解密，然后再提交给操作系统。

应用场景

全磁盘加密技术适用于磁盘上所有数据（包括操作系统）进行动态加解密的场景，但由于不能提供针对用户的增强权限控制，无法满足对内部超级用户泄露敏感数据的风险防范需求。

优势

1、性能优势突出。全磁盘加密技术通过操作系统内核层（或者存储设备自身的物理结构）实现，能够最大化减少加解密损耗，对上层业务服务提供性能最高的文件加解密服务；

2、部署、实施简单。全磁盘加密仅需对进入磁盘的数据进行加密，部署和实施简单高效。

挑战

1、数据防护颗粒度粗。该加密技术因为缺少访问控制能力，因此，一旦磁盘挂载口令泄露，就有数据泄露的风险，仅能防范“拔硬盘”攻击。

十种数据存储技术对比表

加密技术	部署位置	加密粒度	性能	防DBA	数据库复杂计算	实施成本
DLP终端加密	终端	文件	中	/	/	中
CASB代理网关	终端-应用服务器之间	文件/字段	中	支持	影响	中
应用内加密（集成密码SDK）	应用服务器	文件/字段	高	支持	影响	高
应用内加密（AOE面向切面加密）	应用服务器	文件/字段	高	支持	影响	低
数据库加密网关	应用服务器-数据库之间	字段	中	支持	影响	中
数据库外挂加密	数据库	字段	低	不支持	不影响	高
TDE透明数据加密	数据库	字段/表空间	高	不支持	不影响	低
UDF用户自定义函数加密	数据库	字段	中	不支持	不影响	高
TFE透明文件加密	文件系统	文件	中	不支持	不影响	低
FDE全磁盘加密	文件系统	磁盘/卷	高	不支持	不影响	低

综上所述，十种数据存储加密技术在应用场景以及优势挑战方面各有侧重点，DLP终端加密技术侧重于企业PC端的数据安全防护；CASB代理网关、应用内加密（集成密码SDK）、应用内加密（AOE面向切面加密）侧重于企业应用服务器端的数据安全防护；数据库加密网关、数据库外挂加密、TDE透明数据加密、UDF用户自定义函数加密则侧重于数据库端的数据安全防护；TFE透明文件加密、FDE全磁盘加密则侧重于文件系统数据安全防护。

来源：炼石网络