MySQL高级函数之：`AES_ENCRYPT()` 和 `AES_DECRYPT()`：其在数据加密与解密中的应用。

MySQL高级函数：AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT() 在数据加密与解密中的应用

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL 中的两个高级函数：AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT()。 这两个函数在数据加密与解密方面扮演着重要的角色，尤其是在需要保护敏感信息的应用程序中。我们将详细讲解它们的使用方法、原理，并提供具体的代码示例，帮助大家理解如何在实际项目中应用这些函数。

AES 算法简介

在深入 AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT() 之前，我们需要对 AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）算法有一个基本的了解。 AES 是一种对称密钥分组密码算法，意味着加密和解密使用相同的密钥。 它被广泛认为是安全且高效的加密算法，是许多安全协议和系统中的核心组成部分。

AES 支持多种密钥长度：128 位、192 位和 256 位。 密钥长度越长，加密强度越高，但也意味着计算复杂度也会增加。 MySQL 默认使用 128 位密钥。

AES_ENCRYPT() 函数详解

AES_ENCRYPT() 函数用于使用 AES 算法加密数据。 它的基本语法如下：

AES_ENCRYPT(str, key_str)

• str: 要加密的字符串。
• key_str: 用于加密的密钥字符串。

AES_ENCRYPT() 函数返回一个二进制字符串，包含加密后的数据。如果任何一个参数为 NULL，则函数返回 NULL。

示例：

SELECT AES_ENCRYPT('My Secret Data', 'My Secret Key');

执行上述 SQL 语句后，你会得到一个二进制字符串，它代表了加密后的 ‘My Secret Data’。

注意：

• key_str 的选择至关重要。 密钥应该足够长且随机，以确保加密的安全性。
• 在存储密钥时，也需要采取安全措施，防止密钥泄露。

代码示例：加密用户密码

假设我们有一个名为 users 的表，其中包含 username 和 password 字段。 我们可以使用 AES_ENCRYPT() 函数来加密用户的密码：

CREATE TABLE users (
    id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    username VARCHAR(255) NOT NULL,
    password VARBINARY(255) NOT NULL  -- 使用 VARBINARY 存储加密后的数据
);

INSERT INTO users (username, password) VALUES
('john.doe', AES_ENCRYPT('P@sswOrd123', 'MyEncryptionKey'));

INSERT INTO users (username, password) VALUES
('jane.doe', AES_ENCRYPT('AnotherP@sswOrd', 'MyEncryptionKey'));

SELECT * FROM users;  -- 你会看到密码字段是加密后的二进制数据

在这个例子中，我们将 ‘P@sswOrd123’ 和 ‘AnotherP@sswOrd’ 这两个密码使用密钥 ‘MyEncryptionKey’ 进行了加密，并将加密后的数据存储在 password 字段中。 请注意 password 字段的数据类型是 VARBINARY，这是存储二进制数据的正确方式。

AES_DECRYPT() 函数详解

AES_DECRYPT() 函数用于使用 AES 算法解密数据。 它的基本语法如下：

AES_DECRYPT(crypt_str, key_str)

• crypt_str: 要解密的二进制字符串（通常是 AES_ENCRYPT() 函数的输出）。
• key_str: 用于解密的密钥字符串（必须与加密时使用的密钥相同）。

AES_DECRYPT() 函数返回解密后的字符串。如果任何一个参数为 NULL，或者密钥不正确，则函数返回 NULL。

示例：

SELECT AES_DECRYPT(AES_ENCRYPT('My Secret Data', 'My Secret Key'), 'My Secret Key');

执行上述 SQL 语句后，你会得到原始字符串 ‘My Secret Data’。

注意：

• 解密时必须使用与加密时完全相同的密钥，否则无法正确解密。
• 如果 crypt_str 不是有效的 AES 加密数据，AES_DECRYPT() 函数也会返回 NULL。

代码示例：解密用户密码并验证

现在，让我们看看如何使用 AES_DECRYPT() 函数来解密 users 表中的密码，并验证用户输入的密码是否正确：

SELECT
    id,
    username,
    AES_DECRYPT(password, 'MyEncryptionKey') AS decrypted_password
FROM
    users;

这个查询会返回 users 表中的所有用户，并将 password 字段解密后显示在 decrypted_password 列中。 但是，这只是为了演示目的。 在实际应用中，我们不应该直接将解密后的密码显示出来。

更常见的做法是验证用户输入的密码是否与数据库中存储的加密密码匹配：

-- 假设用户输入了密码 'P@sswOrd123'，我们想验证这个密码是否属于用户 'john.doe'
SELECT id FROM users
WHERE username = 'john.doe'
AND password = AES_ENCRYPT('P@sswOrd123', 'MyEncryptionKey');

-- 如果查询返回结果，说明密码匹配。  如果没有返回结果，说明密码不匹配。

这个查询首先根据用户名找到对应的记录，然后将用户输入的密码使用相同的密钥进行加密，并与数据库中存储的加密密码进行比较。 如果两个加密后的密码相同，则说明用户输入的密码是正确的。

使用不同的密钥长度

MySQL 允许你使用不同的 AES 密钥长度。默认情况下，它使用 128 位密钥。 你可以通过设置 block_encryption_mode 系统变量来指定不同的密钥长度。 但是，这个变量在 MySQL 8.0 中已经不再可用，默认使用 aes-128-ecb。 因此，在 MySQL 8.0 及更高版本中，你可能需要使用其他方法来实现更长的密钥长度，例如在应用程序层面上进行处理。

示例 (MySQL 8.0 之前的版本):

-- 设置密钥长度为 256 位 (需要管理员权限)
SET GLOBAL block_encryption_mode = 'aes-256-ecb';

-- 加密和解密操作将使用 256 位密钥
SELECT AES_ENCRYPT('My Secret Data', 'My Secret Key (256 bit)');
SELECT AES_DECRYPT(AES_ENCRYPT('My Secret Data', 'My Secret Key (256 bit)'), 'My Secret Key (256 bit)');

ECB 模式的局限性

在上面的示例中，我们使用了 aes-ecb 模式。 ECB (Electronic Codebook) 是一种简单的加密模式，它将明文分成等长的块，并使用相同的密钥独立地加密每个块。 虽然 ECB 模式实现起来比较简单，但它存在一些安全隐患。 如果明文中包含重复的块，那么加密后的密文中也会出现重复的块，这可能会泄露有关明文的信息。

示例：

假设我们要加密以下字符串：

"AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA"

这个字符串包含多个重复的块 "AAAA"。 如果使用 ECB 模式进行加密，加密后的密文中也会出现重复的块，这很容易被攻击者发现。

因此，在实际应用中，我们应该尽量避免使用 ECB 模式，而是选择更安全的加密模式，例如 CBC (Cipher Block Chaining)、CTR (Counter) 或 GCM (Galois/Counter Mode)。 但是，MySQL 的 AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT() 函数默认只支持 ECB 模式。 要使用其他加密模式，你需要使用其他的加密库或者在应用程序层面上进行处理。

安全最佳实践

在使用 AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT() 函数时，请务必遵循以下安全最佳实践：

1. 选择强大的密钥： 密钥应该足够长且随机，以确保加密的安全性。 建议使用至少 128 位的密钥，最好是 256 位的密钥。
2. 安全地存储密钥： 密钥是最重要的资产，必须安全地存储，防止泄露。 不要将密钥硬编码到应用程序中，也不要将其存储在数据库中。 可以使用硬件安全模块 (HSM) 或密钥管理系统 (KMS) 来安全地存储密钥。
3. 避免使用 ECB 模式： 尽量避免使用 ECB 模式，因为它存在安全隐患。 如果可能，使用更安全的加密模式，例如 CBC、CTR 或 GCM。 如果 MySQL 本身不支持这些模式，考虑在应用程序层面上实现加密和解密。
4. 对敏感数据进行加密： 只对需要保护的敏感数据进行加密。 不要对所有数据都进行加密，因为这会降低性能。
5. 定期轮换密钥： 定期更换密钥，以降低密钥泄露的风险。
6. 使用 SSL/TLS 加密连接： 使用 SSL/TLS 加密客户端和服务器之间的连接，以防止数据在传输过程中被窃听。
7. 实施访问控制： 限制对加密数据的访问权限，只有授权用户才能访问。

使用场景示例

1. 存储用户密码： 这是最常见的应用场景。 将用户密码加密后存储在数据库中，可以防止密码泄露。
2. 存储信用卡信息： 如果你的应用程序需要存储信用卡信息，必须对这些信息进行加密，以符合 PCI DSS 标准。
3. 存储个人身份信息 (PII)： 对于需要保护的个人身份信息，例如姓名、地址、电话号码等，可以使用 AES 加密进行保护。
4. 加密配置文件： 可以将配置文件中的敏感信息，例如数据库密码、API 密钥等，使用 AES 加密进行保护。
5. 数据脱敏： 在进行数据分析或测试时，可以使用 AES 加密对敏感数据进行脱敏处理，以防止数据泄露。

代码示例：应用程序层面的加密解密

由于 MySQL 的 AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT() 函数功能有限，在实际应用中，我们通常会在应用程序层面上实现更复杂的加密和解密逻辑。 以下是一个使用 Python 的 cryptography 库进行 AES 加密的示例：

from cryptography.fernet import Fernet
from cryptography.hazmat.primitives import hashes
from cryptography.hazmat.primitives.kdf.pbkdf2 import PBKDF2HMAC
from cryptography.hazmat.backends import default_backend
import base64

def generate_key(password: str, salt: bytes) -> bytes:
    """
    使用密码和盐生成密钥。
    """
    kdf = PBKDF2HMAC(
        algorithm=hashes.SHA256(),
        length=32,  # AES-256 key size
        salt=salt,
        iterations=390000,  # 建议的迭代次数
        backend=default_backend()
    )
    key = base64.urlsafe_b64encode(kdf.derive(password.encode()))
    return key

def encrypt_data(data: str, key: bytes) -> bytes:
    """
    使用给定的密钥加密数据。
    """
    f = Fernet(key)
    encrypted_data = f.encrypt(data.encode())
    return encrypted_data

def decrypt_data(encrypted_data: bytes, key: bytes) -> str:
    """
    使用给定的密钥解密数据。
    """
    f = Fernet(key)
    decrypted_data = f.decrypt(encrypted_data).decode()
    return decrypted_data

# 示例用法
password = "MySuperSecretPassword"
salt = b'some_random_salt'  # 必须是随机的
key = generate_key(password, salt)

data = "Sensitive information to be protected"
encrypted_data = encrypt_data(data, key)
decrypted_data = decrypt_data(encrypted_data, key)

print(f"原始数据: {data}")
print(f"加密后的数据: {encrypted_data}")
print(f"解密后的数据: {decrypted_data}")

# 如何将加密的数据存储到数据库中
# 1. 将 salt 存储到数据库中 (例如 users 表中的 salt 字段)
# 2. 使用密码和 salt 生成密钥
# 3. 使用密钥加密数据
# 4. 将加密后的数据存储到数据库中 (例如 users 表中的 encrypted_data 字段)

# 如何从数据库中检索和解密数据
# 1. 从数据库中检索 salt 和 encrypted_data
# 2. 使用密码和 salt 重新生成密钥
# 3. 使用密钥解密 encrypted_data

这个示例使用了 cryptography 库中的 Fernet 类，它提供了一种简单易用的 AES 加密接口。 它还使用了 PBKDF2HMAC 来从密码和盐生成密钥，这是一种安全的密钥派生函数。 请注意，这个示例仅用于演示目的，实际应用中可能需要根据具体需求进行调整。

关于加密函数使用的总结

AES_ENCRYPT() 和 AES_DECRYPT() 是 MySQL 中用于数据加密和解密的重要函数。它们基于 AES 算法，可以有效地保护敏感信息。然而，由于其局限性，更复杂的应用场景可能需要在应用程序层面上实现加密逻辑，并遵循安全最佳实践，选择强大的密钥、安全地存储密钥，并避免使用不安全的加密模式。通过理解这些函数的工作原理和安全注意事项，我们可以更好地保护应用程序中的数据安全。