專(zhuān)利名稱(chēng)：安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬信息安全領(lǐng)域，涉及一種安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫(kù)安全對(duì)許多企業(yè)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是非常重要的，甚至關(guān)系到一個(gè)企業(yè)的生存和發(fā)展。因而企業(yè)常常采取一定的措施如采取訪問(wèn)權(quán)限控制，數(shù)據(jù)庫(kù)備份、防火墻等來(lái)保護(hù)系統(tǒng)的安全。但是這些傳統(tǒng)的安全保護(hù)措施具有一定的局限性和不足。例如某些非授權(quán)用戶可能繞過(guò)系統(tǒng)的訪問(wèn)控制機(jī)制入侵?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，非法地獲取數(shù)據(jù)；備份數(shù)據(jù)庫(kù)的介質(zhì)丟失，造成數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的泄露；以防火墻為代表的反入侵網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)不等于信息安全的全部。此外在系統(tǒng)中權(quán)限足夠高的用戶可能獲取一些敏感信息。在絕大多數(shù)信息系統(tǒng)中，沒(méi)有加密的數(shù)據(jù)庫(kù)就如同沒(méi)有上鎖的文件柜，對(duì)別有用心的人而言，剽竊、篡改易如反掌。因此，如何有效地保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的安全，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保密性、完整性和有效性，數(shù)據(jù)庫(kù)的安全管理日益成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是要對(duì)數(shù)據(jù)本身加密，即使數(shù)據(jù)不幸泄露或丟失，也難以被人破譯，關(guān)于這一點(diǎn)現(xiàn)基本數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品都支持對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，主要有三種方式系統(tǒng)中加密、客戶端(DBMS外層) 加密、服務(wù)器端(DBMS內(nèi)核層)加密?？蛻舳思用艿暮锰幨遣粫?huì)加重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的負(fù)載， 并且可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的傳輸加密，這種加密方式通常利用數(shù)據(jù)庫(kù)外層工具實(shí)現(xiàn)。而服務(wù)器端的加密需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)本身進(jìn)行操作，屬核心層加密，如果沒(méi)有數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)商的配合， 其實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較大。數(shù)據(jù)庫(kù)的加密比單獨(dú)文件的加密要復(fù)雜。按照數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)層次，根據(jù)不同的加密需求，可以將數(shù)據(jù)庫(kù)的加密粒度可以分為數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)、表級(jí)、記錄級(jí)、字段級(jí)和數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)(1)數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)加密的對(duì)象是整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這意味著對(duì)所有的用戶數(shù)據(jù)表、系統(tǒng)數(shù)據(jù)表、索引、視圖和存儲(chǔ)過(guò)程等等都進(jìn)行加密處理。這種加密方法簡(jiǎn)單，只需要對(duì)存儲(chǔ)在磁盤(pán)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)文件進(jìn)行加密處理即可，密鑰的數(shù)量少，一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)只對(duì)應(yīng)一個(gè)密鑰，管理方便。但是，數(shù)據(jù)庫(kù)一個(gè)重要特征是數(shù)據(jù)共享性高，被多個(gè)用戶和應(yīng)用共享使用，需要接受大量的隨機(jī)訪問(wèn)。一般來(lái)說(shuō)，用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，是為了將符合條件的記錄檢索出來(lái)。如果采用數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)加密方式，即使只需要查詢少量的記錄，也需要對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行解密，對(duì)系統(tǒng)性能會(huì)產(chǎn)生極大的影響。但是，對(duì)于輔存中備份的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以采取這種加密粒度。(2)表級(jí)加密的對(duì)象是數(shù)據(jù)庫(kù)中的表。通常來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)庫(kù)包含多個(gè)表，只需要對(duì)其中一些包含敏感信息的表進(jìn)行加密，以保護(hù)它們的安全性。與數(shù)據(jù)庫(kù)級(jí)加密比較，采用表級(jí)加密粒度，系統(tǒng)的查詢性能會(huì)有所改善，因?yàn)閷?duì)于未加密表的查詢，與傳統(tǒng)查詢方法一樣，系統(tǒng)性能不會(huì)受到影響，對(duì)于加密表的查詢，只需要解密對(duì)應(yīng)的加密表，而不要解密整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)行表級(jí)加密時(shí)，可以采用對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁盤(pán)塊(頁(yè)面)進(jìn)行加密。但是，這種方法與DBMS集成時(shí)，需要對(duì)DBMS內(nèi)部一些核心模塊進(jìn)行修改，包括對(duì)語(yǔ)法分析器、解釋器和查詢執(zhí)行器的修改，而目前一些主流的商用DBMS都不開(kāi)放源代碼，很難把這種方法與它們集成起來(lái)。
(3)記錄級(jí)加密的對(duì)象是數(shù)據(jù)表中的記錄，記錄中各字段值連接一起進(jìn)行加密處理，加密后輸出一列字符串。在實(shí)現(xiàn)記錄級(jí)加密時(shí)，通過(guò)調(diào)用專(zhuān)門(mén)的加密函數(shù)，對(duì)頁(yè)面中記錄進(jìn)行加密。與數(shù)據(jù)庫(kù)和表級(jí)加密相比，這種加密的粒度更細(xì)，可選擇的靈活性更好。比如說(shuō)，一個(gè)公司的人事資料，要求對(duì)部門(mén)經(jīng)理職位以上的人員采取加密措施進(jìn)行保密，那么可以只選擇這些記錄加密，而不必要對(duì)所有記錄進(jìn)行加密。但是，和表級(jí)加密一樣，這種方法也需要對(duì)DBMS內(nèi)核進(jìn)行修改。(4)字段級(jí)加密的對(duì)象是關(guān)系中的某個(gè)字段。字段級(jí)加密是一個(gè)很好的選擇， 因?yàn)樵趯?shí)際生活中，一些重要和敏感的信息往往出現(xiàn)在關(guān)系中的某些列，如信用卡號(hào)、身份證號(hào)、銀行賬號(hào)等，只需要對(duì)這些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行加密保護(hù)，而沒(méi)有必要對(duì)普通數(shù)據(jù)也進(jìn)行加密。例如，有一個(gè)客戶表，它包含客戶ID、姓名、地址和信用卡號(hào)。在這個(gè)表中，沒(méi)有必要去加密客戶ID，我們最想加密的字段是信用卡號(hào)。在實(shí)現(xiàn)字段級(jí)加密時(shí)，可以采取多種方式， 既可以在DBMS外部(比如，應(yīng)用程序)完成，也可以在DBMS內(nèi)部(比如，內(nèi)模式)完成。(5)數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)加密的對(duì)象是記錄中的某個(gè)字段值，它是數(shù)據(jù)庫(kù)加密的最小粒度。 數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)加密的方法更為靈活，它的實(shí)現(xiàn)方式與字段級(jí)加密相似，但其密鑰管理將會(huì)更加復(fù)雜。數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)的加密具有很好的適用性，在某些這類(lèi)系統(tǒng)中，采用單一的密鑰加密，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)密鑰泄露，整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)泄露的問(wèn)題。有些這類(lèi)的系統(tǒng)采用單獨(dú)的文件來(lái)存儲(chǔ)這些獨(dú)立的密鑰。防止密文分析和密文替代的攻擊，需要對(duì)不同的數(shù)據(jù)項(xiàng)采用不同的密鑰。但是如果數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)項(xiàng)太多，一一為這些數(shù)據(jù)項(xiàng)存儲(chǔ)一個(gè)密鑰，不僅需要大量的空間，而且管理起來(lái)也很麻煩。本發(fā)明針對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)的加密，通過(guò)采用hash函數(shù)來(lái)派生諸多不同的密鑰，加密數(shù)據(jù)庫(kù)中每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的信息。在具體加密實(shí)現(xiàn)上，使用數(shù)據(jù)庫(kù)安全保密中間件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行加密是最簡(jiǎn)便直接的方法。主要是通過(guò)系統(tǒng)中加密、DBMS內(nèi)核層(服務(wù)器端)加密和DBMS外層(客戶端) 加密。在系統(tǒng)中加密，在系統(tǒng)中無(wú)法辨認(rèn)數(shù)據(jù)庫(kù)文件中的數(shù)據(jù)關(guān)系，將數(shù)據(jù)先在內(nèi)存中進(jìn)行加密，然后文件系統(tǒng)把每次加密后的內(nèi)存數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)文件中去，讀入時(shí)再逆方面進(jìn)行解密就，這種加密方法相對(duì)簡(jiǎn)單，只要妥善管理密鑰就可以了。缺點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)都比較麻煩，每次都要進(jìn)行加解密的工作，對(duì)程序的編寫(xiě)和讀寫(xiě)數(shù)據(jù)庫(kù)的速度都會(huì)有影響； 在DBMS內(nèi)核層實(shí)現(xiàn)加密需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)本身進(jìn)行操作。這種加密是指數(shù)據(jù)在物理存取之前完成加解密工作。這種加密方式的優(yōu)點(diǎn)是加密功能強(qiáng)，并且加密功能幾乎不會(huì)影響DBMS的功能，可以實(shí)現(xiàn)加密功能與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之間的無(wú)縫耦合。其缺點(diǎn)是加密運(yùn)算在服務(wù)器端進(jìn)行，加重了服務(wù)器的負(fù)載，而且DBMS和加密器之間的接口需要DBMS開(kāi)發(fā)商的支持；在DBMS外層實(shí)現(xiàn)加密的好處是不會(huì)加重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的負(fù)載，并且可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上的傳輸，加密比較實(shí)際的做法是將數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)做成DBMS的一個(gè)外層工具，根據(jù)加密要求自動(dòng)完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的加解密處理。采用這種加密方式進(jìn)行加密，加解密運(yùn)算可在客戶端進(jìn)行，它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)加重?cái)?shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的負(fù)載并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上傳輸?shù)募用?，缺點(diǎn)是加密功能會(huì)受到一些限制，與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)之間的耦合性稍差。按以上方式實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)首先，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的最終用戶是完全透明的，管理員可以根據(jù)需要進(jìn)行明文和密文的轉(zhuǎn)換工作；其次，加密系統(tǒng)完全獨(dú)立于數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)，無(wú)須改動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密功能；第三，加解密處理在客戶端進(jìn)行，不會(huì)影響數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有大粒度加密的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的不靈活的缺點(diǎn)，以及現(xiàn)有的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)加密的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)密鑰的生成、存儲(chǔ)和管理等各方面的問(wèn)題，提供一種非常容易生成、 存儲(chǔ)和管理密鑰的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)化密鑰的管理，減少密鑰量，同時(shí)又防止密鑰之間泄露信息，或者是通過(guò)單個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰反推主密鑰，帶來(lái)安全隱患，本系統(tǒng)采用單向函數(shù)，比如hash函數(shù)來(lái)派生密鑰，其派生方法為利用一個(gè)派生密鑰加上這個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)唯一的定位信息，產(chǎn)生hash值，截取有效位作為這個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的對(duì)應(yīng)密鑰。這樣數(shù)據(jù)庫(kù)中每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都有自己的密鑰，而且由于采用不可逆函數(shù)，所以，密碼分析者無(wú)法通過(guò)某一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰去推測(cè)另外數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰和派生密鑰，從而可以保證各種特殊環(huán)境下的安全性，各個(gè)密鑰之間似乎具有獨(dú)立性，但是卻無(wú)需采用復(fù)雜的方法來(lái)一一生成，由于這些密鑰均是由派生密鑰派生而來(lái)，所以，只需要存儲(chǔ)好派生密鑰即可。為了便于不同的用戶向數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)加密的數(shù)據(jù)，而其他的非最高權(quán)限用戶無(wú)法解密，利用了公鑰算法來(lái)加密派生密鑰。數(shù)據(jù)庫(kù)附帶一個(gè)或者多個(gè)加密屬性表，這個(gè)表中存放各種信息和屬性，包括數(shù)據(jù)項(xiàng)是否被加密(這樣保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的靈活性，無(wú)需加密的信息可以以明文形式存在，減少系統(tǒng)的負(fù)擔(dān))，加密的字段或者數(shù)據(jù)項(xiàng)是什么樣的編碼等?；诎踩缘目紤]，數(shù)據(jù)庫(kù)采用多級(jí)的密鑰管理措施將數(shù)據(jù)庫(kù)加密用的私鑰用數(shù)據(jù)庫(kù)的管理員的用戶名和密碼的hash獲得對(duì)稱(chēng)的密鑰，采用對(duì)稱(chēng)加密算法加以保存，將派生密鑰用數(shù)據(jù)庫(kù)公鑰加密保存，派生密鑰利用公鑰加密保護(hù)，使用時(shí)先解密私鑰，再用私鑰解密加密的派生密鑰，利用派生密鑰獲得數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的密鑰，采用流密碼算法加密或者解密數(shù)據(jù)項(xiàng)。以上是最少級(jí)別的密鑰管理方式，實(shí)際上為了進(jìn)一步的安全性，可以在中間增加多級(jí)的密鑰，但是這會(huì)影響系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)加密(901)數(shù)據(jù)的加密過(guò)程如下1)用戶登錄。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)附帶有雙重身份認(rèn)證功能，第一重為任何一般級(jí)別的用戶，可以進(jìn)行一般的不涉及到需要加解密的安全數(shù)據(jù)的訪問(wèn)；第二重為有特別身份的、可以訪問(wèn)安全數(shù)據(jù)的用戶的訪問(wèn)，需要輸入用戶名和密碼，需要進(jìn)行解密的時(shí)候，先需要進(jìn)入第二重的身份認(rèn)證，而第二重的身份認(rèn)證中的用戶名和密碼都正確的時(shí)候，此時(shí)自動(dòng)用兩者的hash信息來(lái)解密被加密的數(shù)據(jù)庫(kù)私鑰。一般加密的時(shí)候只需要第一重登錄就可以。2)無(wú)需保密的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)。首先根據(jù)數(shù)據(jù)所在位置判斷數(shù)據(jù)是否需要加密，如果無(wú)需加密，直接存入數(shù)據(jù)庫(kù)；如果需要加密轉(zhuǎn)入下面的加密流程。3)加密數(shù)據(jù)項(xiàng)。加密數(shù)據(jù)項(xiàng)采用對(duì)稱(chēng)加密算法中的流密碼算法，采用對(duì)稱(chēng)密碼算法可以提供速度和性能，而采用其中的流密碼算法，則無(wú)需對(duì)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行填充處理，而且在進(jìn)行一些不完整的檢索的時(shí)候也不受到其他信息的影響，其密鑰由數(shù)據(jù)項(xiàng)的唯一定位信息和派生密鑰的不可逆函數(shù)產(chǎn)生。首先隨機(jī)產(chǎn)生派生密鑰K，用派生密鑰K+數(shù)據(jù)項(xiàng)所在的表名N+數(shù)據(jù)項(xiàng)所在行的主鍵M+數(shù)據(jù)項(xiàng)所在列的列值C的Hash值，即HASH(K|N|M|C)值，截取加密數(shù)據(jù)項(xiàng)所采用對(duì)稱(chēng)加密算法的密鑰長(zhǎng)度相應(yīng)的位(注意，如果密鑰的長(zhǎng)度大于hash 函數(shù)的輸出長(zhǎng)度，可以將以上信息分別輸入多個(gè)hash)，作為所定位的數(shù)據(jù)項(xiàng)的加密密鑰。 注意，本系統(tǒng)中主鍵是不能加密的，如果需要加密，需要采用新的唯一鍵代替或者專(zhuān)門(mén)增加一個(gè)序號(hào)類(lèi)的主鍵。4)加密派生密鑰。用公鑰加密后的派生密鑰，在處理加密屬性表的時(shí)候?qū)⑵浯娣旁趯傩员碇?。用公鑰加密派生密鑰的好處在于，對(duì)于不同用戶加密的數(shù)據(jù)可以采用不同的派生密鑰，并且將派生密鑰及其加密的對(duì)于的數(shù)據(jù)的信息存放在屬性表中。在這樣的情況下任何人都能加密，但是解密卻需要有最高的權(quán)限。5)存儲(chǔ)加密屬性信息。一般級(jí)別的用戶都可以加密數(shù)據(jù)，被加密的數(shù)據(jù)的相關(guān)信息存放在加密屬性表中，其主要任務(wù)是描述(或定義)密文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中各類(lèi)對(duì)象所采用的加密算法，對(duì)應(yīng)的用公鑰加密后的派生密鑰，哪些表、字段、記錄、數(shù)據(jù)項(xiàng)被加密了，明文數(shù)據(jù)的編碼類(lèi)型等等，類(lèi)似于加密字典，被加密后也存放在屬性表中。數(shù)據(jù)解密(902)數(shù)據(jù)解密是一個(gè)相反的過(guò)程，但是它需要有最高的權(quán)限，以獲取私鑰，然后逐次解密派生密鑰，得到數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰。密鑰管理(9O3)為了保證安全性和方便性，本發(fā)明中設(shè)置了多級(jí)密鑰。這些密鑰分別存放在不同的區(qū)域私鑰經(jīng)過(guò)最高權(quán)限的管理員用戶的用戶名和密碼加密后存放在安全存儲(chǔ)區(qū)，另外提供公鑰私鑰的備份功能，管理員可以將公鑰私鑰導(dǎo)出，加密后存放在自己的卡上。派生密鑰經(jīng)過(guò)公鑰加密后存放在加密屬性表中。密鑰更新派生密鑰是非常重要的信息，但是可能存在過(guò)期、泄漏等情況，所以在密鑰過(guò)期和密鑰泄露后，需要更換密鑰，更新時(shí)先解密所有的該密鑰涉及到的數(shù)據(jù)，然后用更新的密鑰加密，再將更新的密鑰加密存放起來(lái)。公鑰私鑰對(duì)的更新也同樣先解密所有的該密鑰對(duì)所加密過(guò)的數(shù)據(jù)，然后用更新的密鑰加密。派生密鑰統(tǒng)一由于不同用戶隨機(jī)選擇派生密鑰，這些密鑰都以密文形式存放在加密屬性表中，有時(shí)候?yàn)榱藴p少密鑰量或者更新密鑰，可以進(jìn)行密鑰統(tǒng)一。數(shù)據(jù)備份(904) 數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)一般針對(duì)重要的數(shù)據(jù)，顯然其備份顯得非常重要。出于安全性、防災(zāi)的考慮，對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的備份需要采用加密、簽名的方法，加密方法為，采用隨機(jī)產(chǎn)生的對(duì)稱(chēng)密鑰加密整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)附加時(shí)間戳和數(shù)字簽名，既保證保密性，又防止數(shù)據(jù)被篡改。 同時(shí)密鑰也需要進(jìn)行同樣的加密備份和基于秘密共享的備份。通信安全(9O5)如果用戶在本機(jī)進(jìn)行操作，則無(wú)需考慮通信的安全性。如果用戶是通過(guò)客戶端和服務(wù)端的通信來(lái)訪問(wèn)，則需要采用安全套接字加密對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，采用安全套接字還可以校驗(yàn)通信的完整性，防重放。訪問(wèn)控制(906)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)中強(qiáng)制訪問(wèn)控制依賴(lài)于系統(tǒng)的安全等級(jí)標(biāo)志和主體的授權(quán)許可訪問(wèn)級(jí)別來(lái)進(jìn)行控制。這種強(qiáng)制訪問(wèn)控制機(jī)制嚴(yán)格控制信息非授權(quán)地從高安全級(jí)流向低安全級(jí)，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。
數(shù)據(jù)索引(907)索引是用來(lái)快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容查詢的技術(shù)。一般索引的創(chuàng)建和應(yīng)用必須是明文狀態(tài)，以提高數(shù)據(jù)庫(kù)操作性能。否則，索引將會(huì)失去作用。而當(dāng)今一些主流數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品均不支持對(duì)索引字段的加密。在加密的數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)現(xiàn)索引也比較困難。在本發(fā)明中，將未加密字段的索引和加密字段的索引分開(kāi)，未加密索引采用已有的方法。加密字段如果需要索引，則另外建立相應(yīng)的表，將對(duì)應(yīng)的字段進(jìn)行加密，加密依然采用派生密鑰來(lái)派生列的密鑰，加密對(duì)應(yīng)的列，每一個(gè)列采用相同的密鑰，其密鑰的派生方法與數(shù)據(jù)項(xiàng)加密密鑰派生方法類(lèi)似， 就是不再有主鍵名，即加密密鑰為HASH(派生密鑰I索引文件名I字段名)，加密得到的表再根據(jù)密文進(jìn)行排序索弓I，最后再對(duì)索弓I文件進(jìn)行加密保存，需要檢索的時(shí)候再解密。檢索時(shí)，先根據(jù)派生密鑰、索引文件名、字段名得到加密密鑰，對(duì)需要檢索的明文進(jìn)行加密，得到密文后，再解密索引文件，在文件中查找對(duì)應(yīng)的密文即可。加密采用流密碼算法，有利于針對(duì)密文進(jìn)行檢索，特別是針對(duì)不完整的密文檢索。為了提高加密數(shù)據(jù)項(xiàng)的檢索速度，對(duì)于不同類(lèi)型的檢索采用不同的文件，比如完整的檢索則采用密文文件排序后得到的文件，而需要解密的檢索，則對(duì)應(yīng)的表中的數(shù)據(jù)是以明文排序得到的文件。秘密共享(卯8)本系統(tǒng)采用秘密共享作為最高權(quán)限管理員的權(quán)限獲得的一種補(bǔ)充途徑，除了最高級(jí)管理員可以在輸入自己的用戶名和密碼的時(shí)候，可以自動(dòng)解密私鑰外，系統(tǒng)還利用密鑰共享給m個(gè)用戶分配私鑰的份額，必要的時(shí)候，用戶可以聯(lián)合起來(lái)解密私鑰，獲得最高的權(quán)限，同時(shí)也提供了一種額外的私鑰備份。
具體實(shí)施例方式系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上有許多的選擇，以下為一個(gè)參考實(shí)例本實(shí)例中采用C/S模式，通過(guò)DBMS外層(客戶端)加密來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密，遠(yuǎn)程客戶端和服務(wù)器端采用安全套接字協(xié)議進(jìn)行連接，保證通信的保密和完整性。數(shù)據(jù)的加密過(guò)程實(shí)現(xiàn)1)用戶遠(yuǎn)程登錄?？蛻舳撕头?wù)端建立起SSL連接，用戶登錄。2)系統(tǒng)驗(yàn)證用戶身份和權(quán)限，當(dāng)用戶有權(quán)限進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的時(shí)候，進(jìn)行授權(quán)，用戶請(qǐng)求輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)，如果根據(jù)加密屬性表，屬于需要加密的類(lèi)型，或者用戶初次輸入的時(shí)候，設(shè)置某些字段需要加密，則需要對(duì)加密屬性表做需要的寫(xiě)入，同時(shí)，客戶端提示用戶隨意移動(dòng)鼠標(biāo)，根據(jù)鼠標(biāo)移動(dòng)的位移性質(zhì)記錄一個(gè)隨機(jī)數(shù)，與系統(tǒng)中以前的隨機(jī)種子，一起輸入一個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生128bit的隨機(jī)數(shù)K作為派生密鑰。若無(wú)需保密的數(shù)據(jù)則直接存儲(chǔ)，否則進(jìn)行加密處理，轉(zhuǎn)入下一步；3)加密數(shù)據(jù)項(xiàng)。若需要加密數(shù)據(jù)項(xiàng)采用RC4簇流密碼算法，該算法密鑰可以設(shè)置不同長(zhǎng)度，USbit下已經(jīng)具有很好的安全性，故選用128比特，對(duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰， 由數(shù)據(jù)項(xiàng)的唯一定位信息和派生密鑰的MD5值產(chǎn)生。具體地，用派生密鑰K+數(shù)據(jù)項(xiàng)所在的表名N+數(shù)據(jù)項(xiàng)所在行的主鍵M+數(shù)據(jù)項(xiàng)所在列的列值C的MD5值，即MD5 (K | N | M | C)，剛好為 128比特，符合密鑰長(zhǎng)度，用這一密鑰加密對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)。4)加密派生密鑰。獲取服務(wù)器的管理員公鑰，派生密鑰用公鑰加密后存入加密屬性表。
5)存儲(chǔ)加密屬性信息。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)附帶一個(gè)或者多個(gè)加密屬性表，這個(gè)表中存放各種信息和屬性，包括數(shù)據(jù)項(xiàng)是否被加密(這樣保證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的靈活性，無(wú)需加密的信息可以以明文形式存在，減少系統(tǒng)的負(fù)擔(dān))，加密的字段或者數(shù)據(jù)項(xiàng)是什么樣的編碼或者數(shù)據(jù)類(lèi)型、加密采用的流密碼算法、用私鑰加密的派生密鑰、派生密鑰的加密范圍。派生密鑰的加密范圍由數(shù)據(jù)庫(kù)名、表名、字段名、主鍵組成，一般如果某個(gè)項(xiàng)為空，則默認(rèn)為是對(duì)所有的使用該密鑰加密，如主鍵為空，則對(duì)前面注明的表中的相應(yīng)字段的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)均加密。在少數(shù)情況下，可能前面一個(gè)用戶是針對(duì)大范圍的數(shù)據(jù)采用他的派生密鑰進(jìn)行加密，而后面一個(gè)新用戶要追加數(shù)據(jù)，此時(shí)，如果此用戶是最高權(quán)限的管理員，可以解密該派生密鑰后， 繼續(xù)用該密鑰派生密鑰加密數(shù)據(jù)，如果不是最高權(quán)限管理員，則采用新派生密鑰加密，該派生密鑰對(duì)應(yīng)的加密范圍應(yīng)該做詳細(xì)的說(shuō)明，包括覆蓋的數(shù)據(jù)，其對(duì)應(yīng)范圍要修改，前一個(gè)派生密鑰覆蓋的范圍，需要指定相應(yīng)的表名、字段名、主鍵范圍，以便從前一個(gè)密鑰的默認(rèn)覆蓋范圍中剔除。在查找派生密鑰的時(shí)候，如果存在密鑰沖突，優(yōu)先選用對(duì)應(yīng)的加密范圍最詳細(xì)的密鑰，比如兩個(gè)派生密鑰的加密范圍均覆蓋相同的數(shù)據(jù)項(xiàng)，此時(shí)一個(gè)派生密鑰的覆蓋范圍較大，主鍵為默認(rèn)的空值，而另外一個(gè)主鍵是給定的，則認(rèn)定后者是真實(shí)的加密密鑰。 系統(tǒng)在密鑰統(tǒng)一的時(shí)候，會(huì)消除這種沖突。數(shù)據(jù)解密過(guò)程實(shí)現(xiàn)如下1)讀取加密屬性表，判斷數(shù)據(jù)是否經(jīng)過(guò)加密。如果數(shù)據(jù)未經(jīng)加密，直接就可以讀??；如果數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)加密的，則用戶必須用最高權(quán)限的身份登錄。2)解密私鑰。登錄得到認(rèn)證后，可以具有解密權(quán)限，此時(shí)系統(tǒng)也根據(jù)用戶名和密碼相應(yīng)的hash值得到密鑰，解密被加密的私鑰。3)解密派生密鑰。根據(jù)屬性表，查到對(duì)應(yīng)的被加密的派生密鑰，用私鑰解密就可以得到派生密鑰。4)計(jì)算數(shù)據(jù)項(xiàng)密鑰。根據(jù)屬性表，獲得加密所采用的算法，然后根據(jù)加密的時(shí)候相同的方法計(jì)算HASH值，根據(jù)算法的密鑰長(zhǎng)度截取相應(yīng)的密鑰，即得到加密數(shù)據(jù)項(xiàng)密鑰。幻解密數(shù)據(jù)項(xiàng)。讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)項(xiàng)的密文，采用加密數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰進(jìn)行解密， 根據(jù)屬性表中明文數(shù)據(jù)的編碼類(lèi)型還原數(shù)據(jù)項(xiàng)明文。密鑰管理和秘密共享實(shí)現(xiàn)如下安全數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)采用三級(jí)的密鑰管理措施首先要生成RSA算法的公鑰私鑰對(duì)，將數(shù)據(jù)庫(kù)加密用的管理員私鑰用數(shù)據(jù)庫(kù)的管理員的用戶名和密碼的MD5值作為密鑰， 采用密鑰長(zhǎng)度為128bjt AES算法加密私鑰，加以保存在安全存儲(chǔ)區(qū)，對(duì)應(yīng)的公鑰用于加密派生密鑰，將主密鑰和主密鑰變量用數(shù)據(jù)庫(kù)公鑰加密保存，二級(jí)密鑰受主密鑰及其變量加密保護(hù)，派生密鑰利用二級(jí)密鑰加密保護(hù)，使用時(shí)先解密私鑰，再用私鑰解密加密的主密鑰，然后解密二級(jí)密鑰，最后得到派生密鑰，利用派生密鑰獲得數(shù)據(jù)項(xiàng)對(duì)應(yīng)的密鑰，采用對(duì)稱(chēng)算法加密或者解密數(shù)據(jù)項(xiàng)。私鑰經(jīng)過(guò)最高權(quán)限的管理員用戶的用戶名和密碼加密后存放在安全存儲(chǔ)區(qū)，系統(tǒng)具有公鑰私鑰的導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除功能，便于備份和轉(zhuǎn)移安全數(shù)據(jù)，私鑰可以用Pfx證書(shū)文件格式加密后存放在自己的卡上。系統(tǒng)采用(3，8)門(mén)限方案，將私鑰分為8個(gè)份額，分配給8個(gè)重要的用戶，而必要的時(shí)候他們其中3個(gè)在一起，都輸入他們的份額，就可以聯(lián)合起來(lái)解密私鑰。這種秘密共享可以用于恢復(fù)密鑰和最高管理員權(quán)限的獲得， 系統(tǒng)提供了對(duì)于這種秘密共享的審計(jì)日志功能，防止用戶惡意勾結(jié)非法獲得權(quán)限。
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密鑰更新派生密鑰使用期限規(guī)定為最長(zhǎng)1年，公鑰私鑰對(duì)的使用期限為最長(zhǎng)5 年，過(guò)期將會(huì)強(qiáng)制進(jìn)行更換，系統(tǒng)通過(guò)密鑰的審計(jì)日志來(lái)記錄密鑰的產(chǎn)生日期等信息，過(guò)期的時(shí)候?qū)?huì)給予提醒。除了到期外，如果管理員認(rèn)為有必要，或者出現(xiàn)密鑰泄露，也需要更新密鑰。更新時(shí)，對(duì)于所有的派生密鑰會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一，系統(tǒng)訪問(wèn)加密屬性表，解密所有的加密過(guò)的數(shù)據(jù)，然后用更新的密鑰進(jìn)行統(tǒng)一加密，同時(shí)更新加密屬性表。派生密鑰統(tǒng)一當(dāng)需要減少派生密鑰，保證派生密鑰的一致性的時(shí)候，可以啟用派生密鑰統(tǒng)一功能，即先解密所有的被加密的數(shù)據(jù)項(xiàng)，然后利用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生128bit的派生密鑰，再用該密鑰派生所有的數(shù)據(jù)項(xiàng)的加密密鑰，加密對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，最后將派生密鑰加密后存儲(chǔ)在加密屬性表中，同時(shí)也更新加密屬性表的其他的信息，包括派生密鑰對(duì)應(yīng)的加密范圍等。數(shù)據(jù)備份實(shí)現(xiàn)如下系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)的安全備份功能，將數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密備份，并且附加數(shù)字簽名和時(shí)間戳，并且備份選擇在異地備份。備份時(shí)，先導(dǎo)出所有的數(shù)據(jù)、還有一些加密屬性表等文件，將所有的文件進(jìn)行壓縮打包，在文件后附加時(shí)間戳，時(shí)間戳采用固定長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)， 最后附加一個(gè)對(duì)打包文件和時(shí)間戳的數(shù)字簽名，然后對(duì)以上數(shù)據(jù)采用流密碼算法進(jìn)行加密，得到備份的密文數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)應(yīng)的密鑰則采用公鑰進(jìn)行加密。訪問(wèn)控制實(shí)現(xiàn)如下數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)中強(qiáng)制訪問(wèn)控制依賴(lài)于系統(tǒng)的安全等級(jí)標(biāo)志和主體的授權(quán)許可訪問(wèn)級(jí)別來(lái)進(jìn)行控制。安全等級(jí)標(biāo)志和訪問(wèn)級(jí)別采用數(shù)字簽名實(shí)現(xiàn)，以防止這些重要的權(quán)限信息被篡改后，非法用戶突破授權(quán)許可。這些數(shù)據(jù)存放在一個(gè)訪問(wèn)控制權(quán)限的文件中。 在進(jìn)行訪問(wèn)控制時(shí)，首先對(duì)用戶進(jìn)行身份認(rèn)證，用戶認(rèn)證一般一開(kāi)始采用用戶名密碼的形式驗(yàn)證，高級(jí)別的用戶要進(jìn)行多重身份認(rèn)證，比如采用指紋和語(yǔ)音識(shí)別。在通過(guò)認(rèn)證以后， 根據(jù)用戶的身份，查詢并且驗(yàn)證授權(quán)表中的數(shù)字簽名，并且驗(yàn)證數(shù)字簽名的真實(shí)性，均通過(guò)后，即進(jìn)行授權(quán)，用戶訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)于有安全等級(jí)標(biāo)志的數(shù)據(jù)驗(yàn)證其安全等級(jí)標(biāo)志，然后對(duì)比用戶是否有權(quán)進(jìn)行相應(yīng)的訪問(wèn)。訪問(wèn)一些加密的數(shù)據(jù)，在解密的時(shí)候，需要得到授權(quán)許可，方提供對(duì)私鑰的解密功能，依次解密私鑰、派生密鑰，計(jì)算出數(shù)據(jù)項(xiàng)的密鑰，然后采用算法進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的解密，得到數(shù)據(jù)項(xiàng)的明文。數(shù)據(jù)索引實(shí)現(xiàn)如下加密字段如果需要索引，則另外建立相應(yīng)的表，將對(duì)應(yīng)的字段進(jìn)行加密，加密依然采用派生密鑰來(lái)派生列的密鑰，加密對(duì)應(yīng)的列，每一個(gè)列采用相同的密鑰，其密鑰的派生方法與數(shù)據(jù)項(xiàng)加密密鑰派生方法類(lèi)似，就是不再有主鍵名，即加密密鑰為HASH (派生密鑰I索引文件名I字段名)，加密得到的表再根據(jù)密文進(jìn)行排序索引，最后再對(duì)索引文件進(jìn)行加密保存，需要檢索的時(shí)候再解密。檢索完全的、精確的數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，先根據(jù)派生密鑰、索引文件名、字段名得到加密密鑰，對(duì)需要檢索的明文進(jìn)行加密，得到密文后，再解密索引文件，在文件中查找對(duì)應(yīng)的密文即可，由于采用流密碼算法，所以如果進(jìn)行的是不完整的檢索，比如， 數(shù)據(jù)項(xiàng)為“ java程序設(shè)計(jì)”，檢索的時(shí)候只關(guān)注是否包含java，也可以同樣采用流密碼加密前面的java，然后只對(duì)這一部分進(jìn)行匹配就可以，即使java不是在數(shù)據(jù)項(xiàng)之首，只要知道 java所在的序列位置，也可以用流密碼產(chǎn)生的密鑰流的相應(yīng)位置的密鑰來(lái)進(jìn)行加密，也能夠得到對(duì)于的密文段，從而在密文中的對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行檢索。如果是檢索復(fù)雜的條件(比如大于、小于、模糊的數(shù)據(jù)項(xiàng))，則需要對(duì)對(duì)應(yīng)字段進(jìn)行解密。
權(quán)利要求
1.一種安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于1)對(duì)機(jī)密數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)粒度的加密，它采用hash函數(shù)根據(jù)一個(gè)派生密鑰和數(shù)據(jù)項(xiàng)的唯一定位信息來(lái)派生各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的加密密鑰；2)派生密鑰采用公鑰進(jìn)行加密，不同用戶可以采用不同派生密鑰，可以保證不同的用戶均可以向數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)機(jī)密數(shù)據(jù)；3)系統(tǒng)提供密鑰統(tǒng)一功能，可以將不同的派生密鑰加密的區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)一為單個(gè)派生密鑰加密數(shù)據(jù)；4)當(dāng)派生密鑰的覆蓋范圍發(fā)生沖突時(shí)，可根據(jù)最細(xì)致的覆蓋區(qū)域?qū)?yīng)的派生密鑰為正確密鑰的原則來(lái)找到真正派生密鑰； 5)加密算法采用流密碼算法。
2.如權(quán)利要求1所述的安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于對(duì)于明文和密文數(shù)據(jù)分別采用不同的索引方法1)對(duì)于明文數(shù)據(jù)索引采用普通的方法；幻對(duì)于密文數(shù)據(jù)檢索，專(zhuān)門(mén)建立相應(yīng)的檢索文件，對(duì)于相同的字段采用相同的列密鑰加密，加密算法采用流密碼算法，不同的列采用的密鑰不同，該密鑰同樣采用hash函數(shù)派生，采用相同的密鑰派生方法加密原明文數(shù)據(jù)列，用hash函數(shù)根據(jù)一個(gè)派生密鑰和索引文件名、列名這類(lèi)信息來(lái)派生各個(gè)列的加密密鑰，A)若是進(jìn)行完整精確檢索的時(shí)候，計(jì)算列密鑰，加密檢索的數(shù)據(jù)項(xiàng)， 然后進(jìn)行檢索對(duì)比，B)若是進(jìn)行不完全精確匹配的檢索，可以根據(jù)不同的位置，依照流密碼算法的密鑰流分別得出對(duì)應(yīng)位置的密文段進(jìn)行匹配，C)若是其他的模糊檢索，則需要對(duì)列進(jìn)行解密以檢索。
3.如權(quán)利要求1所述的安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于采用秘密共享方法將管理員的私鑰分為若干份額，可以采用秘密共享方式進(jìn)行最高權(quán)限的授權(quán)，同時(shí)可利用秘密共享備份和恢復(fù)私鑰。
4.如權(quán)利要求2所述的安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于對(duì)于各種訪問(wèn)采用強(qiáng)制訪問(wèn)控制，強(qiáng)制訪問(wèn)控制采用安全標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行，其安全標(biāo)簽附加數(shù)字簽名以防止篡改?？蛻舳伺c數(shù)據(jù)庫(kù)的通信采用安全協(xié)議進(jìn)行連接，提供保密性和認(rèn)證。
5.如權(quán)利要求4所述的安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于提供對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)和密鑰的安全備份，備份需要采用加密，并且附加時(shí)間戳和數(shù)字簽名。
6.如權(quán)利要求5所述的安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于提供密鑰管理功能1)定期更換密鑰，并且可以對(duì)派生密鑰進(jìn)行統(tǒng)一，對(duì)于密鑰管理進(jìn)行強(qiáng)制訪問(wèn)控制，并且進(jìn)行安全審計(jì)日志記錄。2)設(shè)置了多級(jí)密鑰。這些密鑰分別存放在不同的區(qū)域私鑰經(jīng)過(guò)最高權(quán)限的管理員用戶的用戶名和密碼加密后存放在安全存儲(chǔ)區(qū)，派生密鑰經(jīng)過(guò)公鑰加密后存放在加密屬性表中。
7.如權(quán)利要求1所述的安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，其特征在于包含一個(gè)加密屬性表，用于存儲(chǔ)加密相關(guān)信息，包括描述(或定義)密文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)中各類(lèi)對(duì)象所采用的加密算法，對(duì)應(yīng)的用公鑰加密后的派生密鑰(或者派生密鑰加密的覆蓋范圍)，哪些表、字段、 記錄、數(shù)據(jù)項(xiàng)被加密了，明文數(shù)據(jù)的編碼或數(shù)據(jù)類(lèi)型等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種安全的數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)加密系統(tǒng)，對(duì)機(jī)密數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)項(xiàng)級(jí)粒度的加密，它采用hash函數(shù)根據(jù)一個(gè)派生密鑰和數(shù)據(jù)項(xiàng)的唯一定位信息來(lái)派生各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)的加密密鑰，甚至于可以用一個(gè)密鑰派生所有的整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)加密用的數(shù)據(jù)項(xiàng)加密密鑰，以減少密鑰使用量，并且方便密鑰管理，采用流密碼算法進(jìn)行數(shù)據(jù)項(xiàng)的加密以避免填充。針對(duì)密文索引，也采用流密碼算法進(jìn)行加密，對(duì)于每一個(gè)字段(列)采用相同的密鑰進(jìn)行加密，這樣無(wú)論是進(jìn)行精確的完整或者不完整的檢索，均可以對(duì)檢索關(guān)鍵詞進(jìn)行加密后，對(duì)相應(yīng)字段的密文進(jìn)行匹配。本系統(tǒng)還提供密鑰管理、秘密共享、安全備份、強(qiáng)制訪問(wèn)控制、安全連接等完善的安全功能。
文檔編號(hào)G06F21/24GK102236766SQ201110125639
公開(kāi)日2011年11月9日 申請(qǐng)日期2011年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月10日
發(fā)明者汪華登, 王勇 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)