DB2中的数据值加密

多年来，数据库已经能够阻止未经授权的人看到其中的数据，这通常是通过数据库管理器中的特权和权限来实现的。在当前的环境下，对存储数据的保密的需求日益增长。这意味着即使 DBA 对表中的数据有完全的访问权限，但是表中可能还有数据拥有者不希望任何其他人看到的某些信息。特别是对于基于 Web 的应用程序，这一问题就更加明显了，在这种应用程序中，用户输入的数据（比如信用卡号）需要保存起来，以备同一用户以后使用该应用程序。同时，用户拥有者希望能够确保任何其他人不能访问这种数据。为了实现这种功能，DB2 内置了一些 SQL 函数，这些函数允许应用程序加密和解密数据。当将数据插入到数据库中时，可以使用用户提供的加密密码对其加密。当检索该数据的时候，必须提供相同的密码才能解密数据。对于要多次使用同一个密码的情况，可以使用一个赋值语句设置 ENCRYPTION PASSWORD 值，并令其在某次连接期间内有效。

本文将描述这些 SQL 函数，并给出一些关于如何使用这些加密函数的例子。我们还将讨论在关系数据库中使用加密数据的设计和性能相关事项。

实现
下面显示了这些新的 SQL 函数的签名。在 DB2 文档的 SQL Reference 部分中有更详细的文档。（为了确保对加密的数据使用正确的数据类型和长度，请务必阅读 SQL Reference 中 ENCRYPT 函数下的“Table Column Definition”部分。）

Encrypt (StringDataToEncrypt, PasswordOrPhrase, PasswordHint)
Decrypt_Char(EncryptedData, PasswordOrPhrase)
GetHint(EncryptedData)
Set Encryption Password

用于对数据加密的算法是一个 RC2 分组密码（block cipher），它带有一个 128 位的密钥。这个 128 位的密钥是通过消息摘要从密码得来的。加密密码与 DB2 认证无关，仅用于数据的加密和解密。

这里可以提供一个可选的参数 PasswordHint，这是一个字符串，可以帮助用户记忆用于对数据加密的 PasswordOrPhrase。（例如，可以使用 'George' 作为记忆 'Washington'的提示。）

列级加密
列级加密（column level encryption）意味着对于一个给定列中的所有值都使用相同的密码进行加密。这种类型的加密可以在视图中使用，也可以在使用了一个公共密码的情况下使用。当对一个或多个表中所有的行使用相同的密钥时，ENCRYPTION PASSWORD 专用寄存器将十分有用。

例 1：这个例子使用 ENCRYPTION PASSWORD 值来保存加密密码。它对雇员的社会保险号进行加密，并以经过加密的形式将其存储在 EMP 表中。

create table emp (ssn varchar(124) for bit data);
set encryption password = 'Ben123';
insert into emp (ssn) values(encrypt('289-46-8832'));
insert into emp (ssn) values(encrypt('222-46-1904'));
insert into emp (ssn) values(encrypt('765-23-3221'));
select decrypt_char(ssn) from emp;

例 2：这个例子在结合使用视图的情况下使用 ENCRYPTION PASSWORD 值来保存加密密码。下面的语句声明了 emp 表的一个视图：

create view clear_ssn (ssn) as select decrypt_char(ssn) from emp;
在应用程序代码中，我们将 ENCRYPTION PASSWORD 设置为 'Ben123'，现在可以使用 clear_ssn 视图了。

set encryption password = 'Ben123';
select ssn from clear_ssn;

行-列（单元格）或 集合-列级加密
行-列（单元格）或 集合-列（Set-Column）级加密意味着在一个加密数据列内使用多个不同的密码。例如，Web 站点可能需要保存客户信用卡号（ccn）。在这个数据库中，每个客户可以使用他自己的密码或短语来加密 ccn。

例 3：Web 应用程序收集关于客户的用户信息。这种信息包括客户名称（存储在宿主变量 custname中）、信用卡号（存储在宿主变量 cardnum中）和密码（存储在宿主变量 userpswd中）。应用程序像下面这样执行客户信息的插入操作。

insert into customer (ccn, name) values(encrypt(:cardnum, :userpswd), :custname)
当应用程序需要重新显示某客户的信用卡信息时，客户要输入密码，同样该密码也要存储在宿主变量 userpswd 中。之后，可以像下面这样检索该 ccn ：

select decrypt_char(ccn, :userpswd) from customer where name = :custname;
例 4：这个例子使用提示来帮助客户记忆他们的密码。这里使用与例 3 相同的应用程序，该应用程序将提示保存到宿主变量 pswdhint中。假设 userpswd 的值是 'Chamonix'， pswdhint的值是 'Ski Holiday'。

insert into customer (ccn, name)
values(encrypt(:cardnum, :userpswd, :pswdhint), :custname)
如果客户请求关于所使用的密码的提示，可以使用下面的查询。

select gethint(ccn) into :pswdhint from customer where name = :custname;
pswdhint的值被设置为"Ski Holiday"。

加密非字符值
数值和日期/时间数据类型的加密通过强制类型转换得到间接的支持。非字符的 SQL 类型通过强制转换为 "varchar" 或 "char"，就可以被加密了。有关强制类型转换的更多信息，请参阅 SQL 参考文档中的 “Casting Between Data Types” 部分。

例 5：加密和解密 TIMESTAMP 数据时用到的强制类型转换函数。

— Create a table to store our encrypted value
create table etemp (c1 varchar(124) for bit data);
set encryption password 'next password';
— Store encrypted timestamp
insert into etemp values encrypt(char(CURRENT TIMESTAMP));
— Select & decrypt timestamp
select timestamp(decrypt_char(c1)) from etemp;
例 6：加密/解密 double 数据。

set encryption password 'next password';
insert into etemp values encrypt(char(1.11111002E5));
select double(decrypt_char(c1)) from etemp;
性能
加密，就其本质而言，会使大部分 SQL 语句慢下来。但是如果多加注意，多加判断，还是可以将大量的额外开销降至最低。而且，加密数据对于数据库的设计有着很大的影响。通常，您需要对一个模式中的一些敏感数据元素进行加密，例如社会保险号、信用卡号、病人姓名，等等。而有些数据值就不是那么适于加密了 — 例如布尔值（true 和 false），或者其他的像整数 1 到 10 这样的小型集合。这些值与列名一起很容易被猜出，因此需要判断加密是否真的有用。

在某些情况下，对加密的数据创建索引是很好的主意。加密数据的正确匹配及连接将使用您创建的索引。由于加密数据实质上是二进制数据，因此对加密数据进行范围检查时需要扫描表。范围检查需要解密某一列在所有行的值，因此应该避免进行范围检查，至少也应该进行适当的调优。

下面的场景阐明了我们的讨论。考虑一种常见的主从（master-detail）模式，程序员可以在很多项目中使用这种模式。我们将对雇员的社会保险号（ssn）实现列级加密。在主表 emp 和从表 empProject 中，ssn 将以加密的形式存储。

— Define Tables and Indexes for encrypted data
create table emp (ssn varchar(48) for bit data,
name varchar(48) );
create unique index idxEmp on emp ( ssn ) includes (name) ;
create table empProject( ssn varchar(48) for bit data,
projectName varchar(48) );
create index idxEmpPrj on empProject ( ssn );
— Add some data
set encryption password = 'ssnPassWord';
insert into emp values (encrypt('480-93-7558'),'Super Programmer');
insert into emp values (encrypt('567-23-2678'),'Novice Programmer');
insert into empProject values (encrypt('480-93-7558'),'UDDI Project');
insert into empProject values (encrypt('567-23-2678'),'UDDI Project');
insert into empProject values (encrypt('480-93-7558'),'DB2 UDB Version 10');
— Find the programmers working on UDDI select a.name, decrypt_char(a.ssn)
from emp a, empProject b
where
a.ssn = b.ssn
and b.project ='UDDI Project';
— Build a list of the projects that the programmer with ssn
— '480-93-7558' is working on
select projectName
from empProject
where ssn = encrypt('480-93-7558');

相对于上面的例子，下面的两个例子是 不应该采用的反面典型。虽然这些查询同样能够返回正确的答案，但是它们会需要为所有行解密 ssn。当表很大的时候，这个问题就会变得突出起来。

select a.name, decrypt_char(a.ssn)
from emp a, empProject b
where
decrypt_char(a.ssn) = decrypt_char(b.ssn)
and b.project ='UDDI Project';

该查询会要求解密 emp 表的每一行以及 empProject 表的每个 'UDDI Project' 行，以执行连接。

select projectName
from empProject
where decrypt_char(ssn)= '480-93-7558';

该查询会要求解密 empProject 表中的每一行。

结束语
在本文中，我们演示了 IBM DB2 Universal Database 中的加密函数如何提供简单方式来加密敏感数据。这些函数可用来实现列级和行-列级的加密。在设计和实现期间，开发人员应该审视一些重要的性能相关事项。数据加密为隐藏私有数据增添了一种新的可用工具，即使对于管理人员，也能起到保密的作用。