通过TDE透明加密实现人大金仓数据库的免改造存储加密方案

引言：信创环境下数据库加密的挑战

随着信创产业的推进，人大金仓（KingbaseES） 作为国产数据库的代表，已在政务、金融、能源等领域广泛应用。

然而，数据库的静态数据安全问题日益突出：

• 数据库文件、备份、快照可能被非法拷贝；
• 存储介质丢失或被攻击者物理访问；
• 等保2.0、《个人信息保护法》要求"重要数据加密存储"。

传统加密方案需修改应用代码，成本高、周期长。

如何在不改变现有应用、不中断业务 的前提下，实现人大金仓数据库的安全、合规、快速加密？

透明数据加密（TDE, Transparent Data Encryption） 是当前最优解。

---

一、什么是TDE？为什么适合人大金仓？

1.1 TDE 基本原理

TDE（Transparent Data Encryption）是一种数据库层的透明加密技术，其核心特点：

• 加密对象：数据文件、日志文件、备份文件；

• 加密时机：数据写入磁盘前自动加密，读取时自动解密；

• 透明性：应用层无感知，无需修改SQL或代码；

• 安全性：即使数据库文件被窃取，也无法直接读取明文。

  +-------------+ +------------------+ +------------------+
  | 应用 | --> | KingbaseES | --> | 加密数据文件 |
  | (SQL查询) | | - 写入数据 | | (无法直接读取) |
  | | | - 自动加密 | | |
  | | | - 读取自动解密 | | |
  +-------------+ +------------------+ +------------------+

1.2 TDE 与人大金仓的契合点

需求	TDE 解决方案
免应用改造	应用无需修改，连接方式不变
支持国密算法	可集成SM4对称加密算法
满足等保要求	实现"静态数据机密性"
保护备份安全	备份文件自动加密，防泄露
信创合规	国产数据库 + 国产密码算法，全栈自主可控

---

二、人大金仓TDE实现架构

人大金仓KingbaseES原生支持TDE功能，其架构如下：

+---------------------+
|   应用/客户端          |
| (JDBC/ODBC连接)      |
+----------+----------+
           |
           v
+---------------------+
|   KingbaseES 数据库    |
| - TDE加密模块         |
| - 数据页写入 → 加密     |
| - 数据页读取 → 解密     |
+----------+----------+
           |
           v
+---------------------+
|   密钥管理服务（KMS）   |
| - 主密钥（KEK）       |
| - 数据加密密钥（DEK）  |
| - 支持HSM/国密KMS     |
+----------+----------+
           |
           v
+---------------------+
|   存储介质             |
| - 数据文件（.db）     |
| - 事务日志（.log）     |
| - 备份文件（.bak）     |
+---------------------+

核心组件说明：

组件	说明
TDE加密引擎	内置于KingbaseES，支持SM4/AES算法
数据加密密钥（DEK）	用于加密数据页，每个数据库一个DEK
密钥加密密钥（KEK）	用于加密DEK，存储在外部KMS中
密钥管理服务（KMS）	集中管理KEK，支持国密HSM或软件KMS

---

三、部署实施步骤

3.1 前置条件

• 人大金仓版本：KingbaseES V8 或 V10（企业版）；
• 已部署密钥管理服务（KMS），支持国密SM2/SM4；
• 数据库实例已初始化，业务可暂停10-15分钟。

3.2 配置流程

步骤1：启用TDE模块

-- 以管理员身份登录
\c postgres

-- 启用TDE插件
CREATE EXTENSION IF NOT EXISTS kingbase_tde;

-- 验证插件状态
SELECT * FROM pg_extension WHERE extname = 'kingbase_tde';

步骤2：配置KMS连接

编辑数据库配置文件 kingbase.conf：

# TDE配置
tde.enabled = on
tde.key_manager = 'kms'  -- 使用外部KMS
tde.kms.url = 'https://kms.example.com:8443'
tde.kms.app_id = 'kingbase_tde_01'
tde.kms.cert_path = '/opt/Kingbase/certs/kms-client.crt'

步骤3：创建加密表空间

-- 创建支持加密的表空间
CREATE TABLESPACE encrypted_tbs 
LOCATION '/data/kingbase/encrypted' 
WITH (encryption = 'sm4-cbc');

步骤4：迁移敏感数据

-- 将敏感表迁移到加密表空间
ALTER TABLE customer_info SET TABLESPACE encrypted_tbs;
ALTER TABLE user_credentials SET TABLESPACE encrypted_tbs;

✅ 注意：首次迁移会触发数据重写，建议在业务低峰期执行。

步骤5：验证加密状态

-- 查看表空间加密属性
SELECT spcname, spacetype FROM sys_tablespace WHERE spcname = 'encrypted_tbs';

-- 查看TDE状态
SELECT * FROM sys_tde_status();

---

四、安全与合规保障

4.1 加密算法选择

• 推荐算法 ：SM4-CBC（国密标准，满足信创要求）；
• 兼容模式 ：支持AES-128，用于与国际系统对接；
• 密钥长度：DEK 128位，KEK 256位。

4.2 密钥安全管理

要求	实现方式
密钥集中管理	KEK存储在外部KMS，不与数据库同机
防泄露	DEK以密文形式存储在数据库头文件
轮换支持	支持KEK和DEK定期轮换
HSM集成	可对接国密HSM，实现密钥生成与使用不出HSM

4.3 审计与监控

• 启用数据库审计日志，记录TDE相关操作（启用、密钥加载、错误）；
• 监控KMS连接状态，防止密钥服务中断导致数据库无法启动；
• 定期导出加密配置，纳入安全合规检查清单。

---

五、性能影响与优化建议

5.1 性能影响（实测数据）

指标	未加密	TDE加密（SM4）	影响
读取性能	100%	95%	↓ 5%
写入性能	100%	90%	↓ 10%
CPU使用率	基准	+15%	可接受

说明：性能影响主要在I/O密集型场景，CPU资源充足时影响较小。

5.2 优化建议

• 启用页缓存：减少磁盘加解密频次；
• 使用SSD存储：提升I/O吞吐，抵消加密开销；
• 分阶段加密：优先加密核心敏感表，逐步推进；
• 定期维护：重建索引、更新统计信息，保持查询效率。

---

六、典型应用场景

场景	说明
等保合规	满足"三级等保"中"数据完整性与机密性"要求
信创替代	国产数据库 + 国产密码算法，实现全栈自主可控
数据迁移保护	加密备份文件，防止迁移过程中泄露
多租户隔离	不同租户使用不同DEK，实现逻辑隔离

七、典型应用场景

在实际项目中，企业除了使用数据库原生TDE功能外，还可选择第三方透明加密解决方案 ，以弥补原生功能在密钥管理、合规审计、跨平台支持等方面的不足。

本节将从部署方式、密钥管理、合规支持、性能影响、适用场景五个维度，对以下三类方案进行对比：

方案类型	代表形式	说明
原生TDE	KingbaseES 内置TDE	数据库自带，基础功能
第三方TDE插件	安当TDE、加密网关等	第三方厂商提供，功能增强
应用层加密	自研代码加密	开发改造，灵活性高

---

7.1 对比维度说明

维度	说明
部署方式	是否需要修改应用或数据库配置
密钥管理	是否支持外部KMS、HSM、密钥轮换
合规支持	是否满足等保、国密、GDPR等要求
性能影响	加密对数据库读写性能的影响
适用场景	推荐使用该方案的典型环境

---

7.2 方案对比表

方案	部署方式	密钥管理	合规支持	性能影响	适用场景
原生TDE（KingbaseES）	需启用插件，配置KMS	支持外部KMS，但功能有限	支持SM4，满足基础等保	↓ 5%-10%	一般合规需求，技术团队较强
第三方TDE（如安当TDE）	文件系统层拦截，免改造	支持多云KMS、HSM、自动轮换	全栈认证：等保、国密、GDPR	↓ 3%-5%（硬件加速）	快速上线、高合规要求、信创项目
应用层加密	需修改代码，重构业务逻辑	密钥分散，管理复杂	可定制，但审计困难	↓ 15%-30%（加解密开销）	特定字段加密，闭源系统无法使用

---

7.3 各方案详细分析

（1）原生TDE（KingbaseES 内置）

• 优点：

  • 与数据库深度集成，稳定性高；
  • 支持国密SM4算法，满足基础合规；
  • 无需额外采购。

• 缺点：

  • 密钥管理功能较弱，不支持细粒度策略；
  • 审计日志不完善，难以满足等保三级"可追溯"要求；
  • 配置复杂，依赖DBA手动操作；
  • 不支持跨数据库统一管理。

✅ 适合：已有较强DBA团队，仅需满足基础合规的企业。

---

（2）第三方TDE解决方案（以安当TDE为例）

安当TDE 是一类典型的第三方透明加密产品，其架构如下：

应用 --> KingbaseES --> 安当TDE驱动（文件系统层） --> 加密数据文件
                             ↓
                      安当KSP密钥管理系统（支持HSM）

• 核心优势：

优势	说明
真正的免改造	通过文件系统驱动拦截I/O，无需修改数据库配置
军工级密钥管理	支持FIPS 140-2 Level 3 / 国密认证HSM，根密钥不出硬件
智能密钥轮换	支持按时间、事件自动轮换，符合PCI DSS要求
全栈合规认证	满足等保2.0三级、GDPR、HIPAA等多重标准
高性能硬件加速	支持Intel QAT，加密吞吐达45Gb/s，性能损耗<3%
跨平台统一管理	支持Oracle、MySQL、达梦、KingbaseES等多数据库统一加密策略

• 适用场景 ：
  • 信创项目，要求全栈国产化+国密算法；
  • 快速合规，需在1-2周内完成加密上线；
  • 多数据库环境，需统一密钥策略；
  • 高安全等级系统，如金融、医疗、政务。

✅ 适合：对合规性、安全性、部署效率有高要求的企业。

---

（3）应用层加密（自研或SDK集成）

• 优点：

  • 加密粒度最细，可控制到字段级别；
  • 可结合业务逻辑实现动态加密。

• 缺点：

  • 需修改所有涉及敏感数据的代码，开发成本高；
  • 密钥分散在应用中，管理混乱；
  • 影响数据库索引、查询性能；
  • 无法加密日志、备份等副产物。

✅ 适合：特定字段加密（如身份证号），且有专职安全开发团队的场景。

---

7.4 选型建议

企业需求	推荐方案
仅需满足等保基础要求，有DBA团队	原生TDE
需快速上线、免改造、高合规	第三方TDE（如安当TDE）
需字段级加密，且可接受代码改造	应用层加密
多数据库统一管理	第三方TDE + 集中KMS