数据加密 第六篇：透明文件加密

对于数据的保护，不仅需要控制数据的访问权限，还需要保护存储数据的文件。除了在操作系统层面对文件进行访问控制之外，还要确保文件被窃取后依然可以保护数据不泄露，这就需要对文件进行加密。即使文件被窃取，如果不能对文件进行解密，那么数据也是安全的。

对于数据的加密，可以使用证书、对称密钥和非对称密钥，这三种加密机制都是用于保护数据，即使数据被窃取，如果没有解密的密钥，那么数据依旧不可用。SQL Server还提供一种加密功能，透明数据加密（Transparent Data Encryption，TDE），用于对数据库的文件（数据文件、日志文件以及备份文件）进行加密。

一，文件级别的加密

TDE对数据和日志文件进行实时IO加密和解密。加密过程使用的是数据库加密密钥（Database Encryption Key，DEK），DEK是对称密钥，存储在数据库的启动记录（boot record）中。DEK由证书来保护，该证书存在服务器的主数据库中；DEK也可以由EKM模块保护的非对称密钥来保护。也就是说，如果数据库文件（mdf、ndf、ldf或bak）被窃取，由于没有完整的解密密钥，数据库是不可使用的。如果master数据库和服务器证书都被窃取，那么就相当于获得了完整的解密密钥，数据已经不安全了。

在底层处理逻辑上，TDE在Page级别对数据库文件进行加密，Page在被写入硬盘之前被加密，并在读入内存之前被解密。也就是说，当启用数据库的TDE功能之后，数据和日志会在写入磁盘前被加密，然后在加载到内存时被解密。这个过程对于用户和应用程序都是透明的，用户和应用程序不会察觉到任何变化。

除了透明之外，TDE不会增加加密数据库的大小，加解密之前数据库的大小是相同的，并且TDE对加解密的开销有很大的调整，对数据库的性能影响较小。

在对数据库文件进行备份时，备份文件是加密之后的数据。要还原到其他的服务器实例上，必须具备完整的解密密钥，否则无法还原。

二，TDE的层次结构

TDE使用master数据库中的证书或EKM中非对称密钥来保护DEK，使用DEK来加密和解密数据。

启用数据库的TDE功能，主要分三步来实现，第一步：在master书库中，创建服务主密钥和证书，其实证书是由服务主密钥来保护的。

USE master;
GO
CREATE MASTER KEY ENCRYPTION BY PASSWORD = '<UseStrongPasswordHere>';
go
CREATE CERTIFICATE MyServerCert WITH SUBJECT = 'My DEK Certificate';
go

第二步：切换到特定的数据库中，创建DEK，并使用证书来保护DEK，DEK用于对数据文件进行加密和解密：

USE AdventureWorks2012;
GO
CREATE DATABASE ENCRYPTION KEY
WITH ALGORITHM = AES_128
ENCRYPTION BY SERVER CERTIFICATE MyServerCert;
GO

第三步：启用数据库加密，SQL Server会扫描全部数据库文件，读取数据之后，对数据进行加密，然后把加密之后的数据重新写入到数据库文件中。

ALTER DATABASE AdventureWorks2012
SET ENCRYPTION ON;
GO

三，数据库加密密钥

数据库加密密钥（Database Encryption Key，DEK）是对称密钥，由证书（存储在master数据库中）或非对称密钥（存储在EKM中）来保护。在启用TDE之前，必须创建DEK。DEK不能导出，只在当前的系统有效。

CREATE DATABASE ENCRYPTION KEY  
   WITH ALGORITHM = { AES_128 | AES_192 | AES_256 | TRIPLE_DES_3KEY }  
   ENCRYPTION BY SERVER   
    {  
        CERTIFICATE Encryptor_Name |  
        ASYMMETRIC KEY Encryptor_Name  
    }  

参数注释: WITH ALGORITHM = { AES_128 | AES_192 | AES_256 | TRIPLE_DES_3KEY }：指定DEK用于加密数据的算法，从SQL Server 2017开始，除了TRIPLE_DES_3KEY之外，AES_128 | AES_192 | AES_256 都已经过时。

用户可以从 sys.dm_database_encryption_keys 的 字段 encryption_state 查看数据库加密的状态：

• 0 = No database encryption key present, no encryption
• 1 = Unencrypted
• 2 = Encryption in progress
• 3 = Encrypted
• 4 = Key change in progress
• 5 = Decryption in progress
• 6 = Protection change in progress (The certificate or asymmetric key that is encrypting the database encryption key is being changed.)

四，TDE数据扫描

为了启用数据库的TDE，SQL Server必须做一个加密扫描，把数据文件中的每个页面读入缓冲池，然后把加密后的页面写回磁盘。为了让您更好地控制加密扫描，SQL Server 2019（15.x）引入了TDE扫描，该扫描具有暂停和恢复语法。 您可以在系统的工作负载很重时或在关键业务时间内暂停扫描，然后稍后再恢复扫描。

使用以下语法开始扫描：

ALTER DATABASE <db_name> SET ENCRYPTION ON; 

使用以下语法暂停扫描；

ALTER DATABASE <db_name> SET ENCRYPTION SUSPEND;

使用以下语法继续扫描：

ALTER DATABASE <db_name> SET ENCRYPTION RESUME;

五，对加密数据库的维护

在启用TDE的数据库中，加密和解密使用的是证书，如果证书丢失或者损坏，那么数据库文件基本上就没法使用了，所以必须要备份证书。

BACKUP CERTIFICATE TDECert 
TO FILE = 'C:certificatesTDECert' 
WITH PRIVATE KEY (file='C:certificatesTDECertKey', 
ENCRYPTION BY PASSWORD='Pa$$w0rd') ;

如果把加密数据库迁移到其他的服务器上，需要还原解密的密钥：SMK和证书。

在新实例中，创建一个相同密码的服务主密钥，把证书还原到新实例中。

USE master
GO
CREATE MASTER KEY ENCRYPTION BY PASSWORD = 'Pa$$w0rd' ; 
GO 
CREATE CERTIFICATE TDECert 
FROM FILE = 'C:CertificatesTDECert' 
WITH PRIVATE KEY 
( 
FILE = 'C:CertificatesTDECertKey', 
DECRYPTION BY PASSWORD = 'Pa$$w0rd' 
) ; 

参考文档：

Transparent Data Encryption (TDE)