摘要：如何加强技术层面的数据安全和隐私保护，对数据仓库产品本身提出更多的功能要求，也是数据安全建设最行之有效的办法。
本文分享自华为云社区《GaussDB(DWS)安全：隐私保护现真招儿——数据脱敏》，原文作者：wo华哒哒。
引言
大数据时代的到来，颠覆了传统业态的运作模式，激发出新的生产潜能。数据成为重要的生产要素，是信息的载体，数据间的流动也潜藏着更高阶维度的价值信息。对于数据控制者和数据处理者而言，如何最大化数据流动的价值，是数据挖掘的初衷和意义。然而，一系列信息泄露事件的曝光，使得数据安全越来越受到广泛的关注。
各国各地区逐步建立健全和完善数据安全与隐私保护相关法律法规，提供用户隐私保护的法律保障。如何加强技术层面的数据安全和隐私保护，对数据仓库产品本身提出更多的功能要求，也是数据安全建设最行之有效的办法。
什么是数据脱敏？
数据脱敏（Data Masking），顾名思义，是屏蔽敏感数据，对某些敏感信息（比如，身份证号、手机号、卡号、客户姓名、客户地址、邮箱地址、薪资等等 ）通过脱敏规则进行数据的变形，实现隐私数据的可靠保护。业界常见的脱敏规则有，替换、重排、加密、截断、掩码，用户也可以根据期望的脱敏算法自定义脱敏规则。
通常，良好的数据脱敏实施，需要遵循如下两个原则，第一，尽可能地为脱敏后的应用，保留脱敏前的有意义信息；第二，最大程度地防止黑客进行破解。
数据脱敏分为静态数据脱敏和动态数据脱敏。静态数据脱敏，是数据的“搬移并仿真替换”，是将数据抽取进行脱敏处理后，下发给下游环节，随意取用和读写的，脱敏后数据与生产环境相隔离，满足业务需求的同时保障生产数据库的安全。动态数据脱敏，在访问敏感数据的同时实时进行脱敏处理，可以为不同角色、不同权限、不同数据类型执行不同的脱敏方案，从而确保返回的数据可用而安全。
GaussDB (DWS)的数据脱敏功能，摒弃业务应用层脱敏依赖性高、代价大等痛点，将数据脱敏内化为数据库产品自身的安全能力，提供了一套完整、安全、灵活、透明、友好的数据脱敏解决方案，属于动态数据脱敏。用户识别敏感字段后，基于目标字段，绑定内置脱敏函数，即可创建脱敏策略。脱敏策略（Redaction Policy）与表对象是一一对应的。一个脱敏策略包含表对象、生效条件、脱敏列-脱敏函数对三个关键要素，是该表对象上所有脱敏列的集合，不同字段可以根据数据特征采用不同的脱敏函数。当且仅当生效条件为真时，查询语句才会触发敏感数据的脱敏，而脱敏过程是内置在SQL引擎内部实现的，对生成环境用户是透明不可见的。
怎么用数据脱敏？
动态数据脱敏，是在查询语句执行过程中，根据生效条件是否满足，实现实时的脱敏处理。生效条件，通常是针对当前用户角色的判断。敏感数据的可见范围，即是针对不同用户预设的。系统管理员，具有最高权限，任何时刻对任何表的任何字段都可见。确定受限制用户角色，是创建脱敏策略的第一步。
敏感信息依赖于实际业务场景和安全维度，以自然人为例，用户个体的敏感字段包括：姓名、身份证号、手机号、邮箱地址等等；在银行系统，作为客户，可能还涉及银行卡号、过期时间、支付密码等等；在公司系统，作为员工，可能还涉及薪资、教育背景等；在医疗系统，作为患者，可能还涉及就诊信息等等。所以，识别和梳理具体业务场景的敏感字段，是创建脱敏策略的第二步。
产品内置一系列常见的脱敏函数接口，可以针对不同数据类型和数据特征，指定参数，从而达到不一样的脱敏效果。脱敏函数可采用如下三种内置接口，同时支持自定义脱敏函数。三种内置脱敏函数能够涵盖大部分场景的脱敏效果，不推荐使用自定义脱敏函数。
- MASK_NONE：不作脱敏处理，仅内部测试用。
- MASK_FULL：全脱敏成固定值。
- MASK_PARTIAL：使用指定的脱敏字符对脱敏范围内的内容做部分脱敏。
不同脱敏列可以采用不同的脱敏函数。比如，手机号通常显示后四位尾号，前面用"*"替换；金额统一显示为固定值0，等等。确定脱敏列需要绑定的脱敏函数，是创建脱敏策略的第三步。
以某公司员工表emp，表的属主用户alice以及用户matu、july为例，简单介绍数据脱敏的使用过程。其中，表emp包含员工的姓名、手机号、邮箱、发薪卡号、薪资等隐私数据，用户alice是人力资源经理，用户matu和july是普通职员。
假设表、用户及用户对表emp的查看权限均已就绪。
- （1）创建脱敏策略mask_emp，仅允许alice查看员工所有信息，matu和july对发薪卡号、薪资均不可见。字段card_no是数值类型，采用MASK_FULL全脱敏成固定值0；字段card_string是字符类型，采用MASK_PARTIAL按指定的输入输出格式对原始数据作部分脱敏；字段salary是数值类型，采用数字9部分脱敏倒数第二位前的所有数位值。
postgres=# CREATE REDACTION POLICY mask_emp ON emp WHEN (current_user != "alice")
ADD COLUMN card_no WITH mask_full(card_no),
ADD COLUMN card_string WITH mask_partial(card_string, "VVVVFVVVVFVVVVFVVVV","VVVV-VVVV-VVVV-VVVV","#",1,12),
ADD COLUMN salary WITH mask_partial(salary, "9", 1, length(salary) - 2);切换到matu和july，查看员工表emp。
postgres=> SET ROLE matu PASSWORD "Gauss@123";
postgres=> SELECT * FROM emp;
id | name | phone_no | card_no | card_string | email | salary | birthday
----+------+-------------+---------+---------------------+----------------------+------------+---------------------
1 | anny | 13420002340 | 0 | ####-####-####-1234 | smithWu@163.com | 99999.9990 | 1999-10-02 00:00:00
2 | bob | 18299023211 | 0 | ####-####-####-3456 | 66allen_mm@qq.com | 9999.9990 | 1989-12-12 00:00:00
3 | cici | 15512231233 | | | jonesishere@sina.com | | 1992-11-06 00:00:00
(3 rows)
postgres=> SET ROLE july PASSWORD "Gauss@123";
postgres=> SELECT * FROM emp;
id | name | phone_no | card_no | card_string | email | salary | birthday
----+------+-------------+---------+---------------------+----------------------+------------+---------------------
1 | anny | 13420002340 | 0 | ####-####-####-1234 | smithWu@163.com | 99999.9990 | 1999-10-02 00:00:00
2 | bob | 18299023211 | 0 | ####-####-####-3456 | 66allen_mm@qq.com | 9999.9990 | 1989-12-12 00:00:00
3 | cici | 15512231233 | | | jonesishere@sina.com | | 1992-11-06 00:00:00
(3 rows)- （2）由于工作调整，matu进入人力资源部参与公司招聘事宜，也对员工所有信息可见，修改策略生效条件。
postgres=> ALTER REDACTION POLICY mask_emp ON emp WHEN(current_user NOT IN ("alice", "matu"));切换到用户matu和july，重新查看员工表emp。
postgres=> SET ROLE matu PASSWORD "Gauss@123";
postgres=> SELECT * FROM emp;
id | name | phone_no | card_no | card_string | email | salary | birthday
----+------+-------------+------------------+---------------------+----------------------+------------+---------------------
1 | anny | 13420002340 | 1234123412341234 | 1234-1234-1234-1234 | smithWu@163.com | 10000.0000 | 1999-10-02 00:00:00
2 | bob | 18299023211 | 3456345634563456 | 3456-3456-3456-3456 | 66allen_mm@qq.com | 9999.9900 | 1989-12-12 00:00:00
3 | cici | 15512231233 | | | jonesishere@sina.com | | 1992-11-06 00:00:00
(3 rows)
postgres=> SET ROLE july PASSWORD "Gauss@123";
postgres=> SELECT * FROM emp;
id | name | phone_no | card_no | card_string | email | salary | birthday
----+------+-------------+---------+---------------------+----------------------+------------+---------------------
1 | anny | 13420002340 | 0 | ####-####-####-1234 | smithWu@163.com | 99999.9990 | 1999-10-02 00:00:00
2 | bob | 18299023211 | 0 | ####-####-####-3456 | 66allen_mm@qq.com | 9999.9990 | 1989-12-12 00:00:00
3 | cici | 15512231233 | | | jonesishere@sina.com | | 1992-11-06 00:00:00
(3 rows)- （3）员工信息phone_no、email和birthday也是隐私数据，更新脱敏策略mask_emp，新增三个脱敏列。
postgres=> ALTER REDACTION POLICY mask_emp ON emp ADD COLUMN phone_no WITH mask_partial(phone_no, "*", 4);
postgres=> ALTER REDACTION POLICY mask_emp ON emp ADD COLUMN email WITH mask_partial(email, "*", 1, position("@" in email));
postgres=> ALTER REDACTION POLICY mask_emp ON emp ADD COLUMN birthday WITH mask_full(birthday);切换到用户july，查看员工表emp。
postgres=> SET ROLE july PASSWORD "Gauss@123";
postgres=> SELECT * FROM emp;
id | name | phone_no | card_no | card_string | email | salary | birthday
----+------+-------------+---------+---------------------+----------------------+------------+---------------------
1 | anny | 134******** | 0 | ####-####-####-1234 | ********163.com | 99999.9990 | 1970-01-01 00:00:00
2 | bob | 182******** | 0 | ####-####-####-3456 | ***********qq.com | 9999.9990 | 1970-01-01 00:00:00
3 | cici | 155******** | | | ************sina.com | | 1970-01-01 00:00:00
(3 rows)- （4）考虑用户交互的友好性，GaussDB (DWS) 提供系统视图redaction_policies和redaction_columns，方便用户直接查看更多脱敏信息。
postgres=> SELECT * FROM redaction_policies;
object_schema | object_owner | object_name | policy_name | expression | enable | policy_description
---------------+--------------+-------------+-------------+-----------------------------------+--------+--------------------
public | alice | emp | mask_emp | ("current_user"() = "july"::name) | t |
(1 row)
postgres=> SELECT object_name, column_name, function_info FROM redaction_columns;
object_name | column_name | function_info
-------------+-------------+-------------------------------------------------------------------------------------------------------
emp | card_no | mask_full(card_no)
emp | card_string | mask_partial(card_string, "VVVVFVVVVFVVVVFVVVV"::text, "VVVV-VVVV-VVVV-VVVV"::text, "#"::text, 1, 12)
emp | email | mask_partial(email, "*"::text, 1, "position"(email, "@"::text))
emp | salary | mask_partial(salary, "9"::text, 1, (length((salary)::text) - 2))
emp | birthday | mask_full(birthday)
emp | phone_no | mask_partial(phone_no, "*"::text, 4)
(6 rows)- （5）突然某一天，公司内部可共享员工信息时，直接删除表emp的脱敏策略mask_emp即可。
postgres=> DROP REDACTION POLICY mask_emp ON emp;更多用法详情，请参考GaussDB (DWS) 8.1.1产品文档。
数据脱敏实现背后的秘密
GaussDB (DWS)数据脱敏功能，基于SQL引擎既有的实现框架，在受限用户执行查询语句过程中，实现外部不感知的实时脱敏处理。关于其内部实现，如上图所示。我们将脱敏策略（Redaction Policy）视为表对象上绑定的规则，在优化器查询重写阶段，遍历Query Tree中TargetList的每个TargetEntry，如若涉及基表的某个脱敏列，且当前脱敏规则生效（即满足脱敏策略的生效条件且enable开启状态），则断定此TargetEntry中涉及要脱敏的Var对象，此时，遍历脱敏列系统表pg_redaction_column，查找到对应脱敏列绑定的脱敏函数，将其替换成对应的FuncExpr即可。经过上述对Query Tree的重写处理，优化器会自动生成新的执行计划，执行器遵照新的计划执行，查询结果将对敏感数据做脱敏处理。
带有数据脱敏的语句执行，相较于原始语句，增加了数据脱敏的逻辑处理，势必会给查询带来额外的开销。这部分开销，主要受表的数据规模、查询目标列涉及的脱敏列数、脱敏列采用的脱敏函数三方面因素影响。
针对简单查询语句，以tpch表customer为例，针对上述因素展开测试，如下图所示。
图(a)、(b)中基表customer根据字段类型和特征，既有采用MASK_FULL脱敏函数的，也有采用MASK_PARTIAL脱敏函数的。MASK_FULL对于任何长度和类型的原始数据，均只脱敏成固定值，所以，输出结果相较于原始数据，差异很大。图(a)显示不同数据规模下，脱敏和非脱敏场景简单查询语句的执行耗时。实心图标为非脱敏场景，空心图标为被限制用户，即脱敏场景。
可见，数据规模越大，带有脱敏的查询耗时与原始语句差异越大。图(b)显示10x数据规模下查询涉及脱敏列数不同对于语句执行性能的影响。涉及1列脱敏列时，带有脱敏的查询比原始语句慢，追溯发现，此列采用的是MASK_PARTIAL部分脱敏函数，查询结果只是改变了结果的格式，结果内容的长度并未变化，符合“带有脱敏的语句执行会有相应的性能劣化”的理论猜想。随着查询涉及脱敏列数的增加，我们发现一个奇怪的现象，脱敏场景反倒比原始语句执行更快。进一步追溯多列场景下脱敏列关联的脱敏函数，发现，正是因为存在使用MASK_FULL全脱敏函数的脱敏列，导致输出结果集部分相比原始数据节省很多时间开销，从而多列查询下带有数据脱敏的简单查询反倒提速不少。
为了佐证上述猜测，我们调整脱敏函数，所有脱敏列均采用MASK_PARTIAL对原始数据做部分脱敏，从而能够在脱敏结果上保留原始数据的外部可读性。于是，如图(c)所示，当脱敏列均关联部分脱敏函数时，带有数据脱敏的语句比原始语句劣化10%左右，理论上讲，这种劣化是在可接受范围的。上述测试仅针对简单的查询语句，当语句复杂到带有聚集函数或复杂表达式运算时，可能这种性能劣化会更明显。
总结
GaussDB (DWS)产品数据脱敏功能，是数据库产品内化和夯实数据安全能力的重要技术突破，主要涵盖以下三个方面：
- 一套简单、易用的数据脱敏策略语法；
- 一系列可覆盖常见隐私数据脱敏效果的、灵活配置的内置脱敏函数；
- 一个完备、便捷的脱敏策略应用方案，使得原始语句在执行过程中可以实时、透明、高效地实现脱敏。
总而言之，此数据脱敏功能可以充分满足客户业务场景的数据脱敏诉求，支持常见隐私数据的脱敏效果，实现敏感数据的可靠保护。
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