面向SQLite的多密钥页级别加密系统

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2023091362

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (9): 2791-2801.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2023091362

面向SQLite的多密钥页级别加密系统

李旭东¹^,²^,³, 冯宇康¹^,³(), 陈俊升¹^,³

^1.南开大学软件学院, 天津 300457
^2.先进计算与关键软件(信创)海河实验室, 天津 300459
^3.天津市操作系统企业重点实验室, 天津 300457

收稿日期:2023-10-10 修回日期:2023-12-18 接受日期:2023-12-20 发布日期:2024-03-21 出版日期:2024-09-10
通讯作者: 冯宇康
作者简介:李旭东（1975—），男，吉林松原人，副教授，博士，主要研究方向：操作系统、数据库、分布式计算
冯宇康（1998—），男，河北保定人，硕士研究生，主要研究方向：数据库
陈俊升（2000—），男，广西梧州人，硕士研究生，主要研究方向：数据库。

Multi-key page-level encryption system for SQLite

Xudong LI¹^,²^,³, Yukang FENG¹^,³(), Junsheng CHEN¹^,³

^1.College of Software，Nankai University，Tianjin 300457，China
^2.Haihe Laboratory of Information Technology Application Innovation （HL-IT），Tianjin 300459，China
^3.Tianjin Key Laboratory of Operating System，Tianjin 300457，China

Received:2023-10-10 Revised:2023-12-18 Accepted:2023-12-20 Online:2024-03-21 Published:2024-09-10
Contact: Yukang FENG
About author:LI Xudong，born in 1975，Ph. D.， associate professor. His research interests include operating system，database，distributed computing.
CHEN Junsheng，born in 2000，M. S. candidate. His research interests include database.

摘要/Abstract

摘要：

目前国内外对于SQLite的加密的研究粒度级别都是文件级别，且采取的都是单一密钥，加密粒度粗、破解难度低。针对SQLite的安全性不足的问题，设计了一个多密钥页级别加密系统。首先，为每一个物理页设置一个独立的页密钥，每个页面独立加解密，并引入密钥文件存放所有页密钥；其次，在内存中引入一个页密钥缓存器KeyCache生成和缓存物理页的页密钥，减少页密钥频繁I/O读写的性能损失；再次，设计了加解密模块Crypto实现物理页的加密和解密功能，Crypto通过KeyCache快速获取页密钥从而提升整个系统的处理性能。将所提系统和典型的SQLCipher等进行对比实验：在读取测试和修改测试中，相较于SQLCipher，所提系统的执行时间平均缩短了1.5%和3.0%，能在安全级别更高的情况下达到更好的性能；而在新增测试和删除测试中，所提系统相较于SQLCipher的性能损失很小，在大幅提升安全级别的情况下性能损失接近。实验结果验证了所提系统的有效性。

关键词: SQLite数据库, 数据库加密, 页级别, 多密钥加密, 密钥管理

Abstract:

At present， researches on SQLite encryption both domestically and internationally are conducted at the file level and with the single-key， resulting in coarse encryption granularity and low decryption difficulty. In response to the security shortcomings of SQLite， a multi-key page-level encryption system was proposed. Firstly， an independent page key was assigned to each physical page， allowing for individual encryption and decryption of each page. A key file was introduced to store all page keys. Secondly， a page key cache module KeyCache was designed to generate and cache page keys for pages， thereby reducing the performance loss caused by frequent I/O read and write operations. Thirdly， an encryption and decryption module Crypto was proposed to implement the encryption and decryption functions. Crypto was used to quickly retrieve page keys through KeyCache， consequently enhancing the overall system performance. A comparative experiment was conducted between the proposed system and typical SQLCipher. Experimental results show that in read and update tests， compared with SQLCipher， the execution time of the proposed system reduced by 1.5% and 3.0% on average， achieving better performance at a higher security level. Additionally， in create and delete tests， the proposed system exhibits minimal performance loss compared to SQLCipher and the performance loss is close to SQLCipher while significantly enhancing the security level， verifying the effectiveness of the proposed system.

Key words: SQLite database, database encryption, page-level, multi-key encryption, key management

中图分类号:

TP392

李旭东, 冯宇康, 陈俊升. 面向SQLite的多密钥页级别加密系统[J]. 计算机应用, 2024, 44(9): 2791-2801.

Xudong LI, Yukang FENG, Junsheng CHEN. Multi-key page-level encryption system for SQLite[J]. Journal of Computer Applications, 2024, 44(9): 2791-2801.

图/表 17

图1 文件物理结构

Fig. 1 File physical structure

表1 SQLite预留加密接口

Tab. 1 SQLite reserved encryption interfaces

预留接口	接口功能
sqlite3_key（sqlite3* db， const void* pKey， int nKey）	指定数据库加密的密钥
sqlite3_rekey（sqlite3* db， const void* pKey， int nKey）	重设加密密钥
sqlite3CodecGetKey（sqlite3* db， int nDB，void** Key， int* nKey）	返回指定数据库的密钥
sqlite3CodecAttach（sqlite3* db， int nDB. const void* pKey， int nKey）	密钥与数据库建立关联

图2 多密钥页级别加密系统模型

Fig. 2 Multi-key page-level encryption system model

图3 多密钥加密流程

Fig. 3 Flow of multi-key encryption

图4 密钥文件管理方案

Fig. 4 Key file management scheme

图5 KeyCache模块的整体框架

Fig. 5 Overall framework of KeyCache module

图6 获取写密钥流程

Fig. 6 Process of getting write key

图7 获取读密钥流程

Fig. 7 Process of getting read key

图8 加解密模块整体框架

Fig. 8 Overall framework of Crypto module

表2 软件测试环境

Tab. 2 Software testing environment

软件资源名称	软件版本	软件资源名称	软件版本
Ubuntu	20.04.1	Make	4.2.1
OpenSSL	1.1.1	SQLite	3.39.2
GCC	9.4.0	SQLCipher	4.5.2

表3 硬件测试环境

Tab. 3 Hardware testing environment

测试硬件环境	型号	核数或容量
CPU	Intel Core i5-8300H	8 核
RAM	DDR4	8 GB
磁盘	SSD	512 GB

图9 movie_rating表的结构

Fig. 9 Structure of movie_rating table

表4 测试SQL语句示例

Tab. 4 Examples of SQL statements for testing

测试类型	SQL语句
新增测试	insert into movie_rating values（1，1， 'Toy Story （1995）'，4.5）；
读取测试	select * from movie_rating where id = 1；
修改测试	update movie_rating set userId=1， movie='Toy Story （1995）'， rating=4.5 where id = 2；
删除测试	delete from movie_rating where id = 1；

图10 各密钥形式性能对比

Fig. 10 Performance comparison of various key forms

图11 不同缓存密钥数的性能对比

Fig. 11 Performance comparison of different cache key numbers

图12 本文方案与SQLCipher性能对比

Fig. 12 Performance comparison between proposed solution and SQLCipher

图13 本文方案与SQLCipher在TPC-H测试中的性能对比

Fig. 13 Performance comparison between proposed solution and SQLCipher in TPC-H benchmark testing

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