`MySQL`的`加密`函数`：`AES_ENCRYPT()`和`SHA2()`的`底层`算法`。`

MySQL 加密函数：AES_ENCRYPT() 和 SHA2() 底层算法剖析

各位同学，今天我们来深入探讨 MySQL 中两个常用的加密函数：AES_ENCRYPT() 和 SHA2()。我们将从底层算法的角度出发，理解它们的工作原理，并通过代码示例演示如何在 MySQL 中使用它们。

一、AES_ENCRYPT()：对称加密算法

AES_ENCRYPT() 函数使用高级加密标准 (Advanced Encryption Standard, AES) 算法对数据进行加密。AES 是一种对称加密算法，意味着加密和解密使用相同的密钥。

1. AES 算法简介

AES 算法是一个迭代的块密码，它将明文分成固定大小的块（128 位），然后通过一系列的轮变换对每个块进行加密。轮变换的次数取决于密钥的长度：

• AES-128：10 轮
• AES-192：12 轮
• AES-256：14 轮

每一轮变换都包含以下四个步骤：

• SubBytes (字节替换): 使用一个称为 S-box 的查找表，将每个字节替换成另一个字节。S-box 是一个 16×16 的矩阵，它包含了 256 个不同的值。
• ShiftRows (行移位): 对状态矩阵的每一行进行循环左移。第一行不移动，第二行移动 1 个字节，第三行移动 2 个字节，第四行移动 3 个字节。
• MixColumns (列混淆): 对状态矩阵的每一列进行线性变换。这一步使用一个固定的矩阵与每一列进行矩阵乘法，目的是将每一列的字节混合起来。
• AddRoundKey (轮密钥加): 将轮密钥与状态矩阵进行异或运算。轮密钥是从主密钥派生出来的。

2. AES_ENCRYPT() 的工作流程

AES_ENCRYPT() 函数的加密流程如下：

1. 密钥扩展 (Key Expansion): 将用户提供的密钥扩展成一系列轮密钥，供每一轮变换使用。
2. 初始轮密钥加 (Initial Round Key Add): 将第一轮的轮密钥与明文块进行异或运算。
3. 轮变换 (Round Transformations): 执行指定次数的轮变换（SubBytes, ShiftRows, MixColumns, AddRoundKey）。最后一轮变换不包含 MixColumns 步骤。
4. 输出密文: 将最终的状态矩阵作为密文输出。

3. 代码示例

-- 加密数据
SET @key = 'my_secret_key';
SET @data = 'sensitive data';

SELECT AES_ENCRYPT(@data, @key);

-- 解密数据
SET @encrypted_data = AES_ENCRYPT(@data, @key);
SELECT AES_DECRYPT(@encrypted_data, @key);

4. 密钥管理

使用 AES_ENCRYPT() 时，密钥管理至关重要。密钥必须安全地存储和传输，并且只有授权用户才能访问。如果密钥泄露，攻击者可以解密所有加密的数据。

5. CBC 模式

MySQL 的 AES_ENCRYPT() 默认使用 CBC (Cipher Block Chaining) 模式。在 CBC 模式下，每个明文块在加密之前都会与前一个密文块进行异或运算。这样可以防止相同的明文块生成相同的密文块，从而提高安全性。

6. 填充 (Padding)

由于 AES 算法只能加密固定大小的块，因此如果明文的长度不是块大小的整数倍，就需要进行填充。MySQL 使用 PKCS#7 填充标准。填充的字节的值等于填充的字节数。例如，如果需要填充 3 个字节，那么这 3 个字节的值都是 0x03。

7. 关于 block_encryption_mode 系统变量

MySQL 5.6 以及更高版本引入了 block_encryption_mode 系统变量，用于控制块加密的模式。 默认值为 aes-128-cbc。 可以设置为其他模式，例如 aes-128-ecb、aes-192-cbc、aes-192-ecb、aes-256-cbc、aes-256-ecb。

表格：AES 算法参数

参数	描述
密钥长度	可以是 128 位、192 位或 256 位
块大小	128 位
轮数	10 (AES-128), 12 (AES-192), 14 (AES-256)
模式	CBC (默认), ECB 等
填充方式	PKCS#7

二、SHA2()：哈希算法

SHA2() 函数使用安全哈希算法 2 (Secure Hash Algorithm 2, SHA-2) 对数据进行哈希运算。SHA-2 是一组密码哈希函数，包括 SHA-224、SHA-256、SHA-384 和 SHA-512。

1. 哈希算法简介

哈希算法是一种单向函数，它将任意长度的输入数据转换为固定长度的哈希值（也称为摘要）。哈希算法具有以下特点：

• 确定性: 相同的输入始终产生相同的输出。
• 单向性: 从哈希值很难（计算上不可行）推导出原始输入。
• 抗碰撞性: 很难找到两个不同的输入，它们产生相同的哈希值（弱抗碰撞性）或者找到任何一对能够产生相同哈希值的输入（强抗碰撞性）。

2. SHA-2 算法的工作流程

SHA-2 算法的工作流程如下：

1. 填充 (Padding): 对输入数据进行填充，使其长度满足特定的要求。
2. 解析 (Parsing): 将填充后的数据解析成固定大小的块。
3. 初始化哈希值 (Initialization Hash Value): 使用一组预定义的初始哈希值。
4. 压缩函数 (Compression Function): 对每个块重复应用压缩函数，更新哈希值。
5. 输出哈希值: 将最终的哈希值作为输出。

压缩函数是 SHA-2 算法的核心。它将当前的哈希值和当前的数据块作为输入，并输出新的哈希值。压缩函数包含一系列的轮变换，每一轮变换都包含一系列的位运算，例如异或、与、或、移位和旋转。

3. SHA2() 函数的用法

SHA2() 函数接受两个参数：要哈希的数据和哈希值的长度（224、256、384 或 512）。

-- 计算 SHA-256 哈希值
SELECT SHA2('my_password', 256);

-- 计算 SHA-512 哈希值
SELECT SHA2('my_password', 512);

4. 应用场景

SHA-2 算法广泛应用于密码学领域，例如：

• 密码存储: 将用户密码的哈希值存储在数据库中，而不是明文密码。
• 数据完整性校验: 计算数据的哈希值，并将其与原始数据一起存储。在需要验证数据完整性时，重新计算哈希值，并与存储的哈希值进行比较。
• 数字签名: 使用私钥对数据的哈希值进行签名，然后将签名与数据一起发送。接收者可以使用公钥验证签名的有效性。

5. 代码示例：密码存储

-- 创建用户表
CREATE TABLE users (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    username VARCHAR(255) NOT NULL,
    password_hash VARCHAR(255) NOT NULL
);

-- 注册新用户
SET @username = 'john_doe';
SET @password = 'P@$$wOrd';
SET @password_hash = SHA2(@password, 256);

INSERT INTO users (username, password_hash) VALUES (@username, @password_hash);

-- 验证用户密码
SET @input_password = 'P@$$wOrd';
SET @stored_password_hash = (SELECT password_hash FROM users WHERE username = @username);

SELECT IF(SHA2(@input_password, 256) = @stored_password_hash, '密码正确', '密码错误');

6. 加盐 (Salting)

为了提高密码存储的安全性，通常会对密码进行加盐处理。盐是一个随机字符串，它与密码连接在一起，然后进行哈希运算。这样可以防止攻击者使用预先计算好的哈希表（彩虹表）来破解密码。

-- 加盐示例
SET @username = 'jane_doe';
SET @password = 'another_password';
SET @salt = UUID(); -- 生成一个随机的盐
SET @salted_password = CONCAT(@salt, @password); -- 将盐与密码连接
SET @password_hash = SHA2(@salted_password, 256); -- 对加盐后的密码进行哈希

INSERT INTO users (username, password_hash, salt) VALUES (@username, @password_hash, @salt);

-- 验证加盐后的密码
SET @input_password = 'another_password';
SET @stored_salt = (SELECT salt FROM users WHERE username = @username);
SET @salted_input_password = CONCAT(@stored_salt, @input_password);
SET @stored_password_hash = (SELECT password_hash FROM users WHERE username = @username);

SELECT IF(SHA2(@salted_input_password, 256) = @stored_password_hash, '密码正确', '密码错误');

7. 关于 SHA-2 的选择

选择 SHA-2 的具体变体（SHA-224, SHA-256, SHA-384, SHA-512）取决于安全需求和性能考虑。 一般来说，更长的哈希值提供更高的安全性，但也需要更多的计算资源。 SHA-256 通常被认为是安全性和性能之间的良好折衷。

表格：SHA-2 算法参数

参数	SHA-224	SHA-256	SHA-384	SHA-512
哈希值长度	224 位	256 位	384 位	512 位
块大小	512 位	512 位	1024 位	1024 位
最大消息长度	2^64 – 1	2^64 – 1	2^128 – 1	2^128 – 1

三、选择合适的加密方法

AES_ENCRYPT() 和 SHA2() 是两种不同类型的加密函数，适用于不同的场景。

• AES_ENCRYPT() 适用于需要加密和解密数据的场景，例如加密敏感数据（信用卡号、社会安全号码等）。
• SHA2() 适用于需要验证数据完整性或存储密码的场景。

在选择加密方法时，需要考虑以下因素：

• 安全性: 加密算法的强度。
• 性能: 加密和解密的速度。
• 密钥管理: 如何安全地存储和传输密钥。
• 应用场景: 哪种加密方法最适合当前的应用场景。

四、其他注意事项

• 不要自己实现加密算法。 应该使用经过良好测试和验证的加密库。
• 定期更新加密库。 新的漏洞可能会被发现，需要及时更新加密库以修复这些漏洞。
• 了解最新的安全最佳实践。 密码学是一个不断发展的领域，需要不断学习新的安全技术。

五、总结

我们深入探讨了 MySQL 中 AES_ENCRYPT() 和 SHA2() 函数的底层算法及其应用。理解这些算法的工作原理，可以帮助我们更好地选择和使用加密技术，保护数据的安全性。记住，密钥管理和安全实践至关重要。