使用pgcrypto加密GaussDB(DWS)数据

GaussDB(DWS)数据库自8.2.0集群版本开始内置加密解密模块pgcrypto。pgcrypto模块允许数据库用户以加密形式存储数据的某些列，为敏感数据增加了一层额外的保护。因此在没有加密密钥的情况下，任何人都无法读取以加密形式存储在GaussDB(DWS)数据库中的数据。

pgcrypto函数在数据库服务器内部运行，这意味着所有数据和密码都以明文形式在pgcrypto和客户端应用程序之间传输。为了获得最佳安全性，建议在客户端和GaussDB(DWS)服务器之间使用SSL连接。

有关pgcrypto模块中各个函数的详细信息如下：

• hmac()
  hmac()函数可以根据不同的算法为带有密钥的数据计算出MAC值，语法如下：

  hmac(data text, key text, type text) returns bytea
  hmac(data bytea, key bytea, type text) returns bytea 

  其中，data是原始数据，key是加密密钥，type是加密算法，包括md5、sha1、sha224、sha256、sha384、sha512以及sm3；函数的返回结果为二进制字符串。

  示例：

  使用key123密钥和sha256加密算法对字符串GaussDB(DWS)计算MAC值：

  select hmac('GaussDB(DWS)', 'key123', 'sha256');
  hmac 
  --------------------------------------------------------------------
  \x14e1d9e110e9b11ab8379dc02b49533d50a6f4deafe6d6cd451d06c106c97d83
  (1 row) 

  对于digest() 函数，如果同时被修改了原始数据和加密结果，无法进行识别；hmac() 函数只要密钥没有泄露的话，可以发现被篡改的数据。

  如果该密钥大于哈希块的长度，它将先被哈希然后把结果用作密钥。

• crypt()
  crypt()语法格式如下：

  crypt(password text, salt text) returns text 

  该函数返回password字符串crypt(3)格式的哈希值，salt参数由gen_salt()函数生成。

  对于相同的密码，crypt()函数每次也会返回不同的结果，因为gen_salt()函数每次都会生成不同的salt。校验密码时可以将之前生成的哈希结果作为salt。

  例如：设置一个新密码：

  UPDATE ... SET pswhash = crypt('new password', gen_salt('bf',10)); 

  通过比较存储的密码哈希值验证输入的密码的正确性。

  SELECT (pswhash = crypt('entered password', pswhash)) AS pswmatch FROM ... ; 

  如果输入的口令正确，这会返回true。

  示例：

  create table userpwd(userid int8, pwd text);
  CREATE TABLE
  
  insert into userpwd values (1, crypt('this is a pwd', gen_salt('bf',10)));
  INSERT 0 1
  
  select crypt('this is a pwd', pwd)=pwd as result from userpwd where userid =1;
   result 
  --------
   t
  (1 row)
  
  select crypt('this is a wrong pwd', pwd)=pwd as result from userpwd where userid =1;
   result 
  --------
   f
  (1 row)

• gen_salt()
  gen_salt()函数用来产生随机的参数给crypt，语法如下：

  gen_salt(type text [, iter_count integer ]) returns text 

  该函数每次都会生成一个随机的盐值(salt)字符串，该字符串同时决定了crypt()函数使用的算法；type参数用于指定一个生成字符串的哈希算法，取值包括 des、xdes、md5 以及 bf。对于xdes和bf算法，iter_count指迭代次数，数字越大加密时间越长，被破解需要的时间也越长。

  1 2 3 4 5

  SELECT gen_salt('des'), gen_salt('xdes'), gen_salt('md5'), gen_salt('bf'); gen_salt | gen_salt | gen_salt | gen_salt ----------+-----------+-------------+------------------------------- qh | _J9..uEUi | $1$SNgqyKAi | $2a$06$B/Etc3J8zYBV49LrDU97MO (1 row)

  每种算法生成的salt拥有固定的格式，例如bf算法结果中的$2a$06$，2a表示Blowfish的2a变种算法，06表示迭代的次数。

  如果忽略 iter_count，将会使用默认的迭代次数。允许的iter_count值与算法相关，如下表所示。对于xdes算法，迭代次数必须是一个奇数。

  表2 crypt()的迭代计数

  算法	默认值	最小值	最大值
  xdes	725	1	16777215
  bf	6	4	31

对于对称密钥（也就是密码）加密：

1. 使用String2Key（S2K）算法对密钥进行加密，类似于执行一个特意减慢并且包含随机salt的crypt() 算法，生成一个完整长度的二进制密钥。
2. 如果要求一个单独的会话密钥，生成一个随机的密钥。否则使用上面的S2K密钥直接作为会话密钥。
3. 如果直接使用S2K密钥，只将S2K设置加入会话密钥包中。否则，使用S2K密钥对会话密钥进行加密，然后放入会话密钥包中。

对于公钥加密：

1. 生成一个随机的会话密钥。
2. 使用公钥对其进行加密后放入会话密钥包中。

无论哪种情况，数据的加密过程如下：

1. 执行可选的数据操作：压缩、转换成UTF-8或者换行符的转换。
2. 在数据前面增加一个随机字节组成的块，相当于使用了一个随机的初始值（IV）。
3. 追加随机前缀和数据的SHA1哈希值到数据后面。
4. 将所有内容使用会话密钥进行加密后放入数据包中。

支持的PGP加密函数：

• pgp_sym_encrypt()

  描述：用于对称密钥加密。

  语法格式：

  pgp_sym_encrypt(data text, psw text [, options text ]) returns bytea 
  pgp_sym_encrypt_bytea(data bytea, psw text [, options text ]) returns bytea 

  其中，data是要加密的数据；psw是PGP对称密钥；options 参数用于设置选项，参考表3。

• pgp_sym_decrypt()

  描述：用于解密PGP对称密钥加密后的消息。

  语法格式：

  pgp_sym_decrypt(msg bytea, psw text [, options text ]) returns text 
  pgp_sym_decrypt_bytea(msg bytea, psw text [, options text ]) returns bytea 

  其中，msg是要解密的消息；psw是PGP对称密钥；options参数用于设置选项，参考表3。为了避免输出无效的字符，不允许使用pgp_sym_decrypt函数对bytea数据进行解密；可以使用 pgp_sym_decrypt_bytea 对原始文本数据进行解密。

• pgp_pub_encrypt()

  描述：用于公共密钥加密。

  语法格式：

  pgp_pub_encrypt(data text, key bytea [, options text ]) returns bytea 
  pgp_pub_encrypt_bytea(data bytea, key bytea [, options text ]) returns bytea 

  其中，data是要加密的数据；key是PGP公钥，如果传入一个私钥将会返回错误；options参数用于设置选项，参考表3。

• pgp_pub_decrypt()

  描述：用于解密PGP公共密钥加密后的消息。

  语法格式：

  pgp_pub_decrypt(msg bytea, key bytea [, psw text [, options text ]]) returns text 
  pgp_pub_decrypt_bytea(msg bytea, key bytea [, psw text [, options text ]]) returns bytea 

  解密一个公共密钥加密的消息。key必须是对应于用来加密的公钥的私钥。如果私钥是用口令保护的，必须在psw中给出该口令。如果没有口令，但想要指定选项，需要给出一个空口令。

  为了避免输出无效的字符，不允许使用pgp_pub_decrypt函数对bytea数据进行解密；可以使用pgp_pub_decrypt_bytea对原始文本数据进行解密。

  其中，key是公共密钥对应的私钥；如果私钥使用了密码保护功能，必须在psw参数中指定密码；如果没有使用密码保护，想要指定options参数时必须指定一个空的psw。options参数用于设置选项，参考表3。

• pgp_key_id()

  描述：用于提取PGP公钥或者私钥的密钥ID；如果传入一个加密后的消息，将会返回加密该消息使用的密钥ID。

  语法格式：

  pgp_key_id(bytea) returns text 

  该函数可能返回两个特殊密钥ID：

  • SYMKEY，表示该消息使用对称密钥进行加密。
  • ANYKEY，表示该消息使用公钥进行加密，但是密钥ID已经被删除。这意味着需要尝试所有的密钥，查找可以解密该消息的私钥。pgcrypto不会产生这种加密消息。
  

  不同的密钥可能拥有相同的ID，这种情况很少见但可能存在。客户端应用程序需要自己尝试使用不同的密钥进行解密，就像处理ANYKEY一样。

• armor()

  描述：用于将二进制数据转换为PGP ASCII-armor格式，相当于Base64加上CRC以及额外的格式化。

  语法格式：

  armor(data bytea [ , keys text[], values text[] ]) returns text 

• dearmor()

  描述：用于执行相反的转换。

  语法格式：

  dearmor(data text) returns bytea 

  将加密后的数据bytea，转换成PGP ASCII-armor格式或者反向转换。

  其中，data是需要转换的数据；如果指定了keys和values数值，每个key/value对都会生成一个armor header并添加到编码格式中；两个数组都是一维数组，长度相同，并且不能包含非ASCII字符。

• pgp_armor_headers()
  描述：函数用于返回数据中的armor header。

  pgp_armor_headers(data text, key out text, value out text) returns setof record 

  返回结果是一个包含key和value两个字段的数据行集，如果其中包含任何非ASCII字符，都会被视作UTF-8字符。

  用GnuPG生成PGP密钥

  要生成一个新密钥：

  gpg --gen-key 

  更好的密钥类型是“DSA和Elgamal”。

  对于RSA密钥，必须创建仅用于签名的DSA或RSA密钥作为主控密钥，然后用gpg --edit-key增加一个RSA加密子密钥。

  要列举密钥：

  gpg --list-secret-keys 

  要以ASCII-保护格式导出一个公钥：

  gpg -a --export KEYID > public.key 

  要以ASCII-保护格式导出一个私钥：

  gpg -a --export-secret-keys KEYID > secret.key 

  在把这些密钥交给PGP函数之前，需要对它们使用dearmor()。或者如果你能处理二进制数据，可以从命令中去掉-a。

  

  PGP加密函数的存在以下限制：

  • 不支持签名。这也意味着它不会检查加密子密钥是否属于主控密钥。
  • 不支持加密密钥作为主控密钥。由于通常并不鼓励这种用法，因此这应该不是问题。
  • 不支持多个子密钥。由于实际应用中经常需要多个子密钥，这可能是个问题。另一方面，不要使用常规GPG/PGP密钥作为pgcrypto加密密钥，而应该创建新的密钥，因为这是非常不同的使用场景。

  PGP函数的选项

  pgcrypto函数中的选项名称和GnuPG类似，选项的值使用等号设置，每个选项使用逗号进行分隔。例如：

  pgp_sym_encrypt(data, psw, 'compress-algo=1, cipher-algo=aes256') 

  除了convert-crlf之外，其他选项仅适用于加密函数。解密函数会从PGP数据中获取参数。

  最常设置的选项包括compress-algo和unicode-mode。其他选项通常使用默认值。

  表3 pgcrypto加密选项

  选项	描述	默认值	取值	适用函数
  cipher-algo	使用的密码算法。	aes128	bf, aes128, aes192, aes256, 3des, cast5	pgp_sym_encrypt, pgp_pub_encrypt
  compress-algo	使用的压缩算法。	0	0，表示不压缩。 1，表示ZIP压缩。 2，表示ZLIB压缩 （= ZIP加上元数据和CRC）	pgp_sym_encrypt, pgp_pub_encrypt
  compress-level	压缩级别。级别越高压缩得越小但速度也越慢。0表示不压缩。	6	0，1-9	pgp_sym_encrypt, pgp_pub_encrypt
  convert-crlf	加密时是否将\n转换成\r\n并且解密时执行相反的转换是否把\r\n转换成\n。RFC4880指定文本数据存储时需要使用\r\n作为换行符。	0	0，1	pgp_sym_encrypt, pgp_pub_encrypt, pgp_sym_decrypt, pgp_pub_decrypt
  disable-mdc	不用SHA-1保护数据。仅用于兼容老旧的PGP产品。	0	0，1	pgp_sym_encrypt, pgp_pub_encrypt
  sess-key	使用单独的会话密钥。公钥加密总是使用一个单独的会话密钥。该选项用于对称密钥加密，因为对称密钥加密默认直接使用 S2K密钥。	0	0，1	pgp_sym_encrypt
  s2k-mode	使用的S2K算法。	3	0，表示不使用salt。不推荐！ 1，表示使用salt ，但是迭代固定次数。 3，可变的迭代计数。	pgp_sym_encrypt
  s2k-count	S2K算法的迭代次数。	65536 和 253952 之间的一个随机数值	大于等于1024并且小于等于65011712	pgp_sym_encrypt，并且s2k-mode=3
  s2k-digest-algo	S2K计算时的摘要算法。	sha1	md5, sha1	pgp_sym_encrypt
  s2k-cipher-algo	加密单独会话密钥时使用的密码。	默认使用cipher-algo的算法	bf, aes, aes128, aes192, aes256	pgp_sym_encrypt
  unicode-mode	是否将文本数据在数据库内部编码和UTF-8之间来回转换。如果当前数据库已经是UTF-8，不会执行转换，但是消息将被标记为UTF-8。没有指定该选项就不会被标记	0	0，1	pgp_sym_encrypt, pgp_pub_encrypt

encrypt(data bytea, key bytea, type text) returns bytea
decrypt(data bytea, key bytea, type text) returns bytea  
encrypt_iv(data bytea, key bytea, iv bytea, type text) returns bytea 
decrypt_iv(data bytea, key bytea, iv bytea, type text) returns bytea 

algorithm [ - mode ] [ /pad: padding ] 

其中algorithm的取值范围如下：

• bf，Blowfish算法。包括近义词：BF，BF-CBC；BLOWFISH，BF-CBC；BLOWFISH-CBC，BF-CBC；BLOWFISH-ECB，BF-ECB；BLOWFISH-CFB，BF-CFB。
• aes，AES算法(Rijndael-128, -192或-256)。包括近义词：AES，AES-CBC；RIJNDAEL，AES-CBC；RIJNDAEL，AES-CBC；RIJNDAEL-CBC，AES-CBC；RIJNDAEL-ECB，AES-ECB。
• DES算法。包括近义词：DES，DES-CBC；3DES，DES3-CBC；3DES-ECB，DES3-ECB；3DES-CBC，DES3-CBC
• sm4，SM4算法。包括近义词：SM4-CBC
• CAST5算法。包括近义词：CAST5-CBC

mode的可能取值范围如下：

• cbc，下一个块依赖前一个块（默认值）
• ecb，每个块独立加密（不推荐，仅用于测试）

padding的取值范围如下：

• pkcs，数据可以是任意长度（默认值）
• none，数据长度必须是密码块大小的倍数

例如，以下函数的加密结果相同：

encrypt(data, 'fooz', 'bf') 
encrypt(data, 'fooz', 'bf-cbc/pad:pkcs') 

对于函数encrypt_iv和decrypt_iv，参数iv表示CBC模式的初始值，ECB模式会忽略该参数。如果它的长度不是准确的块大小，可能会被截断或者使用0进行填充。对于没有该参数的两个函数，默认全部使用0填充。