摘要：信封加密机制是一种结合了对称加密和非对称加密技术的加密方案，其核心思想是使用两个密钥：一个用于加密数据（称为数据密钥，DEK），另一个用于保护数据密钥（称为主密钥，CMK）。这种机制通过将数据密钥加密后再与数据一起存储或传输，从而提高了数据的安全性。
信封加密机制是一种结合了对称加密和非对称加密技术的加密方案，其核心思想是使用两个密钥：一个用于加密数据（称为数据密钥，DEK），另一个用于保护数据密钥（称为主密钥，CMK）。这种机制通过将数据密钥加密后再与数据一起存储或传输，从而提高了数据的安全性。
在信封加密过程中，首先使用数据密钥（DEK）对原始数据进行对称加密，生成密文数据。然后，使用主密钥（CMK）对数据密钥进行非对称加密，生成密文数据密钥。最后，将密文数据和密文数据密钥一起存储或传输。
信封加密机制的一个关键优势在于其安全性。由于数据密钥在加密后被封入“信封”中，只有在需要使用该数据密钥时，才将其解密出来。这样可以有效防止数据密钥在传输或存储过程中被窃取。此外，由于主密钥通常存储在安全的密钥管理系统（KMS）中，只有授权用户才能访问，因此进一步增强了安全性。
在实际应用中，例如阿里云提供的信封加密机制，仅将密文数据密钥存储在数据库中，而明文数据密钥则在内存中使用并立即销毁，以确保其不被泄露。这种设计不仅提高了数据的安全性，还提升了本地数据加解密的性能。
信封加密机制通过结合对称加密和非对称加密的优势，提供了一种高效且安全的数据保护方案。它广泛应用于需要高安全性的数据存储和传输场景中，如云服务中的数据保护、视频加密播放等。
性能开销：信封加密结合了对称加密和非对称加密，虽然对称加密的速度较快，但整体上仍比单一的非对称加密慢。在大量数据的加密和解密过程中，这种双重加密方式会带来一定的计算和存储资源开销。数据传输成本：如果由云服务直接为用户加解密数据，大量数据需要通过安全信道传递到服务端，再返回给用户，这一过程不仅影响用户服务的性能，还会带来较高的成本。硬件性能影响：例如，Windows系统的BitLocker加密功能在启用后，会显著降低硬盘的随机读写性能，最大降幅可达45%。这意味着即使使用了高性能的PCIe 4.0 SSD，其性能也可能降至PCIe 3.0水平，对用户体验产生负面影响。安全性与性能的平衡：尽管信封加密提高了数据安全性，但其对系统性能的影响也不容忽视。在一些高配置PC上，尤其是在进行大量数据读写操作时，用户可能会感受到明显的性能下降。信封加密机制在实际应用中虽然提供了更高的安全性，但也带来了显著的性能开销和成本问题。
为了确保主密钥（CMK）的安全性和防止其被未授权访问，可以采取以下措施：
使用硬件安全模块（HSM） ：将CMK存储在经过认证的硬件安全模块中，以提供高水平的物理和逻辑安全性。HSM能够防止未经授权的个人或实体获取存储在其中的密钥。实施严格的访问控制：只有具有适当权限的授权人员才能访问CMK。通常基于角色的访问控制确保只有特定角色（如管理员或密钥保管人）能够管理和访问CMK。多因素认证（MFA） ：在访问密钥管理系统或执行与密钥相关的操作时，要求用户提供多种身份验证方式，增加额外的安全层。密钥隔离：将用于加密的密钥与客户数据隔离，减少通过数据泄露未经授权访问密钥的风险。定期审计和监控：提供强大的审计和监控功能，跟踪和记录密钥访问活动，包括管理操作和访问尝试。审计日志有助于检测和调查任何可疑或未经授权的密钥访问。加密主密钥：使用另一个密钥加密主密钥，仅授权者能解密。这可以进一步保护主密钥的安全性。独立用户密钥：为每个用户生成独立密钥，即使一个密钥泄露，也不会影响其他用户的数据。定期更改密钥：设置策略定期更改密钥，如每月一次，以避免长期使用同一密钥带来的安全风险。使用KMS服务：利用云服务提供商的密钥管理服务（如AWS KMS、Azure KMS等），这些服务通常提供强大的安全性和合规性支持，并且可以满足GDPR、APRA、MAS和NIST4等安全标准。权限管理：确保在数据保护和访问管理方面遵循最少权限原则，仅授予主体所需权限，并尽可能在资源级别上进行权限分配。结合对称加密和非对称加密的优点：数字信封技术通过结合对称加密和非对称加密的优点，既能够处理大批量数据，又简化了密钥的分发与管理。具体来说，发送方使用对称密钥加密信息，并用接收方的公钥加密对称密钥，从而确保信息在传输过程中的安全性。提高效率和安全性：
数字信封技术不需要分发和管理对称密钥，而是随机生成对称密钥，采用对称密钥算法对大批量数据进行加密，并采用非对称密码算法对该对称密钥进行加密。这种机制不仅提高了效率，还增强了安全性。易于存储和管理：
使用数字信封技术时，加密数据密钥可以与加密数据一起存储，不需要额外保护数据密钥。中间人攻击的风险：
如果攻击者拦截了信息，他们可以使用自己的对称密钥加密伪造的信息，并用接收方的公钥加密自己的对称密钥，然后发送给接收方。接收方在解密后会得到伪造的明文，并且认为信息来自发送方。密钥管理复杂性：
尽管数字信封技术简化了部分密钥管理问题，但仍然存在一定的密钥管理复杂性。例如，如果攻击者获取了对称密钥或公钥，可能会导致数据泄露。计算和存储开销大：
全同态加密算法通常需要大量的计算资源和存储空间，这使得其在实际应用中难以高效实现。例如，Gentry的早期方案过于复杂且难以实现实际级别的安全。性能问题：
尽管全同态加密提供了强大的安全保障，但其计算和存储开销较大，距离高效工程应用还有待突破。
信封加密机制通过结合对称和非对称加密的优点，提高了数据传输的安全性和效率，但存在中间人攻击的风险和密钥管理的复杂性。而全同态加密则提供了在密文状态下进行计算的能力和高度的安全性，但面临计算和存储开销大的问题。
在信封加密机制中，数据密钥（DEK）的管理和销毁策略主要通过以下步骤实现：
生成DEK：首先，通过KMS（密钥管理系统）控制台或接口创建主密钥（CMK）。然后，生成DEK，其中包含明文数据密钥和由CMK加密的密文数据密钥。使用DEK加密数据：使用明文DEK对本地文件进行加密，生成密文文件，并在加密完成后销毁内存中的明文密钥。存储密文数据密钥和密文文件：将生成的密文数据密钥和密文文件存储到持久化设备或服务中。这样，即使在本地环境中，数据也得到了保护。销毁DEK：在不再需要数据时，可以通过更改DEK来实现数据销毁。具体方法是直接下发更改DEK命令，使盘上的旧数据无法解密，从而达到秒级数据销毁的目的。这种方法避免了反复耗时的擦写硬盘操作，提高了数据销毁的效率。密钥生命周期管理：整个过程中，密钥管理遵循密钥生命周期管理的原则，包括生成、分发、存储、使用、更新、撤销和销毁等阶段。在销毁需彻阶段，底销毁所有副本和备份，确保数据的安全性和完整性。创建主密钥（CMK）：用户首先需要在阿里云KMS（密钥管理服务）中创建一个用户主密钥（CMK）。这个主密钥用于生成数据密钥。生成数据密钥：
使用KMS的GenerateDataKey接口请求数据密钥。KMS会返回两个密钥：明文数据密钥和密文数据密钥。明文数据密钥用于本地加密数据，而密文数据密钥则用于后续的安全传输和存储。本地加密数据：
应用程序使用明文数据密钥对本地文件进行加密，生成密文文件，并销毁内存中的明文密钥以确保安全性。存储加密数据：
将密文数据密钥和密文文件一起存储到持久化存储设备或服务中。这样可以确保即使数据在传输过程中被截获，没有相应的密钥也无法解密数据。解密数据：
当需要访问数据时，应用程序从本地读取密文数据密钥，调用KMS的Decrypt接口将密文数据密钥解密为明文数据密钥。然后，使用明文数据密钥解密本地的密文文件，得到原始数据。
信封加密适用于多个业务数据文件的加密，每个文件使用不同的数据密钥，以提高安全性；适用于单次加密大量数据的情况，如全磁盘数据，避免网络传输带来的成本和延时。
来源：科学新学生