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AEAD 加密概念

BigQuery 的 GoogleSQL 支援 AEAD (支援關聯資料的驗證式加密) 加密功能，可保護機密的資料欄層級資料，並直接在查詢中控管解密作業。AEAD 加密會將密文繫結至額外的驗證資料，藉此驗證資料完整性，並防止未經授權的竄改或密文替換。

如需支援的 SQL 函式完整清單，請參閱「AEAD 加密函式」。

AEAD 加密的目的

BigQuery 會使用靜態資料加密技術保護資料。BigQuery 也支援客戶自行管理的加密金鑰 (CMEK)，可讓您使用特定加密金鑰加密資料表。不過，在某些情況下，您可能需要加密資料表中的個別值。

舉例來說，您想將所有客戶的資料保存在同一個資料表中，並使用不同的金鑰加密每位客戶的資料。您的資料分布在多個資料表中，而您希望對資料表進行「加密式刪除」作業。加密式刪除或加密式銷毀程序是指刪除加密金鑰，使以該金鑰加密的所有資料無法讀取。

AEAD 加密函式可讓您建立包含加密和解密金鑰的金鑰組、使用這些金鑰將資料表中的個別值加密和解密，以及輪替金鑰組內的金鑰。

金鑰組

金鑰組是一組加密編譯金鑰，其中一個金鑰是主要加密編譯金鑰，其餘金鑰 (若有) 為次要加密編譯金鑰。無論是已啟用、已停用或已刪除的金鑰，每個金鑰會針對加密或解密演算法進行編碼；未刪除的金鑰會對金鑰位元組本身進行編碼。主要加密編譯金鑰會判斷如何加密輸入明文，主要加密編譯金鑰一律不會處於停用狀態。次要加密編譯金鑰僅用於解密，可處於啟用或停用狀態。金鑰組可用於解密最初用來加密的任何資料。

在 GoogleSQL 中，金鑰組是以 BYTES 中的序列化 google.crypto.tink.Keyset 通訊協定緩衝區表示。

範例

以下的 AEAD 金鑰組示例是以三個金鑰表示的 JSON 字串。

{
  "primaryKeyId": 569259624,
  "key": [
    {
      "keyData": {
        "typeUrl": "type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesGcmKey",
        "value": "GiDPhTp5gIhfnDb6jfKOT4SmNoriIJc7ah8uRvrCpdNihA==",
        "keyMaterialType": "SYMMETRIC"
      },
      "status": "ENABLED",
      "keyId": 569259624,
      "outputPrefixType": "TINK"
    },
    {
      "keyData": {
        "typeUrl": "type.googleapis.com/google.crypto.tink.AesGcmKey",
        "value": "GiBp6aU2cFbVfTh9dTQ1F0fqM+sGHXc56RDPryjAnzTe2A==",
        "keyMaterialType": "SYMMETRIC"
      },
      "status": "DISABLED",
      "keyId": 852264701,
      "outputPrefixType": "TINK"
    },
    {
      "status": "DESTROYED",
      "keyId": 237910588,
      "outputPrefixType": "TINK"
    }
  ]
}

在上面的示例中，主要加密編譯金鑰的 ID 為 569259624，是 JSON 字串中列出的第一個金鑰。有兩個次要加密編譯金鑰，一個 ID 為 852264701，處於停用狀態，另一個 ID 為 237910588，處於刪除狀態。當 AEAD 加密函式使用這個金鑰組進行加密時，產生的密文會編碼主要加密編譯金鑰的 ID 569259624。

當 AEAD 函式使用這個金鑰組進行解密時，函式會根據在密文中編碼的金鑰 ID 選擇適當的金鑰進行解密。在上述示例中，嘗試使用金鑰 ID 852264701 或 237910588 解密會發生錯誤，因為金鑰 ID 852264701 已停用，而金鑰 ID 237910588 已刪除。將金鑰 ID 852264701 還原為啟用狀態後，即可用於解密。

金鑰類型會決定可搭配金鑰使用的加密模式。

使用相同金鑰組多次加密明文時，通常會傳回不同的密文值，因為初始化向量 (IV) 不同，而這些向量是使用 OpenSSL 提供的偽隨機號碼產生器選擇。

經過包裝的金鑰集

如需安全地管理金鑰組，或透過不受信任的管道傳輸金鑰組，建議使用包裝金鑰組。包裝原始金鑰組時，系統會使用 Cloud KMS 金鑰加密原始金鑰組。

包裝金鑰組可以加密及解密資料，而不會公開金鑰組資料。雖然可能有其他方法可以限制欄位層級資料的存取權，但與原始金鑰集相比，包裝金鑰集提供更安全的金鑰集管理機制。

與金鑰組一樣，包裝金鑰組可以且應該定期輪替。包裝金鑰組用於 AEAD 信封加密函式。

以下列舉幾個含有包裝金鑰集的函式：

KEYS.NEW_WRAPPED_KEYSET：建立新的包裝金鑰集。
KEYS.ROTATE_WRAPPED_KEYSET：輪替包裝的金鑰組。
KEYS.REWRAP_KEYSET：使用新資料重新包裝已包裝的金鑰組。
KEYS.KEYSET_CHAIN：取得以 Cloud KMS 金鑰加密的 Tink 金鑰組。

高級加密標準 (AES)

AEAD 加密函式採用高級加密標準 (AES) 加密。AES 加密會將明文和加密編譯金鑰做為輸入內容，並傳回加密的位元組序列做為輸出內容。日後要解密這個位元組序列時，可使用與加密時相同的金鑰進行。AES 使用 16 位元組的區塊大小，也就是說 AES 將明文視為 16 位元組區塊的序列。密文會包含 Tink 專屬的前置字串，指出用來執行加密的金鑰。AES 加密支援多種區塊加密模式。

區塊加密模式

AEAD 加密函式支援兩種區塊加密模式：GCM 和 CBC。

GCM

Galois/計數器模式 (GCM) 是一種 AES 加密模式。函式會依序將區塊編號，然後將區塊編號與初始向量 (IV) 合併。初始化向量是隨機或偽隨機值，是明文資料隨機化的基礎。接著，函式會使用 AES 加密合併的區塊編號和 IV。接著，函式會對加密結果和明文執行位元邏輯互斥或 (XOR) 運算，產生密文。GCM 模式使用的加密編譯金鑰長度為 128 或 256 位元。

CBC 模式

CBC 會先將每個明文區塊與前一個密文區塊進行 XOR 運算，再進行加密，藉此「鏈結」區塊。CBC 模式使用的加密編譯金鑰長度為 128、192 或 256 位元。CBC 以 16 位元組初始向量做為初始區塊，並針對這個初始區塊與第一個明文區塊進行 XOR 運算。

CBC 模式並非密碼學意義上的 AEAD 方案，因為它不提供資料完整性；換句話說，對加密資料的惡意修改不會被偵測到，這也會損害資料的機密性。因此，除非因舊版原因而有必要，否則不建議使用 CBC。

額外資料

AEAD 加密函式支援使用 additional_data 引數，也稱為關聯資料 (AD) 或額外驗證資料。只有在提供與加密時相同的額外資料時，才能解密密文。因此，額外資料可用於將密文繫結至情境。

舉例來說，為特定客戶加密資料時，CAST(customer_id AS STRING) 的輸出內容可能是 additional_data。這樣一來，當資料解密時，系統會確認資料先前是使用預期的 customer_id 加密。解密時必須使用相同的 additional_data 值。詳情請參閱 RFC 5116。

解密

AEAD.ENCRYPT 的輸出內容是密文 BYTES。AEAD.DECRYPT_STRING 或 AEAD.DECRYPT_BYTES 函式可以解密這個密文。這些函式必須使用包含加密金鑰的金鑰組。該金鑰必須處於 'ENABLED' 狀態。此外，他們也必須使用與加密時相同的 additional_data。

使用金鑰組進行解密時，系統會根據在密文中編碼的金鑰 ID 選擇適當的金鑰進行解密。

AEAD.DECRYPT_STRING 的輸出內容是明文 STRING，AEAD.DECRYPT_BYTES 的輸出內容則是明文 BYTES。AEAD.DECRYPT_STRING 可解密編碼 STRING 值的密文；AEAD.DECRYPT_BYTES 可解密編碼 BYTES 值的密文。如果使用其中一個函式解密編碼錯誤資料類型的密文，例如使用 AEAD.DECRYPT_STRING 解密編碼 BYTES 值的密文，會導致未定義的行為，並可能發生錯誤。

金鑰輪替

輪替加密金鑰的主要目的，是減少使用任何特定金鑰加密的資料量。如此一來，即使金鑰遭盜用，攻擊者所能存取的資料也會比較少。

金鑰組輪替包含以下作業：

在每個金鑰組中建立新的主要加密編譯金鑰。
解密並重新加密所有已加密資料。

KEYS.ROTATE_KEYSET 或 KEYS.ROTATE_WRAPPED_KEYSET 函式會執行第一個步驟，將新的主要加密編譯金鑰新增至金鑰組，並將舊的主要加密編譯金鑰變更為次要加密編譯金鑰。

Cloud KMS 金鑰

GoogleSQL 支援 AEAD 加密函式和 Cloud KMS 金鑰，可進一步保護資料。這層額外保護措施會使用金鑰加密金鑰 (KEK) 加密資料加密金鑰 (DEK)。KEK 是對稱加密金鑰組，安全地儲存在 Cloud Key Management Service 中，並使用 Cloud KMS 權限和角色管理。

執行查詢時，請使用 KEYS.KEYSET_CHAIN 函式，提供 KEK 的 KMS 資源路徑，以及包裝 DEK 的密文。BigQuery 會呼叫 Cloud KMS 來解開 DEK，然後使用該金鑰解密查詢中的資料。未包裝的 DEK 版本只會在查詢期間儲存在記憶體中，之後就會刪除。

詳情請參閱「使用 Cloud KMS 金鑰進行 SQL 資料欄層級加密」。