SpringBoot+ShardingSphere彻底解决生产环境数据库字段加解密问题

前言

  互联网行业公司，对于数据库的敏感字段是一定要进行加密的，方案有很多，最直接的比如写个加解密的工具类，然后在每个业务逻辑中手动处理，在稍微有点规模的项目中这种方式显然是不现实的，不仅工作量大而且后期很难维护。

  目前mybatis-plus已经提供了非常好的加解密方案，居士也试过效果很好，但很多互联网公司不一定会引入mybatis-plus作为数据层工具，反而就喜欢使用mybatis，甚至有不少使用SpringDataJPA，那么就没有必要为了加解密专门引入mybatis-plus。

  那有什么更合适的方案呢？答案是肯定的，shardingsphere就提供了方案，为什么选择它呢，因为互联网公司大概率会考虑分库分表，目前最佳的分库分表方案实际上也就是shardingsphere了，既然如此，直接用它的数据库加解密方案就不需要再额外引入第三方工具了。

使用

1、案例准备

技术体系如下，其中引入MybatisPlus是为了方便案例更快成型，ShardingSphere不建议使用5.x版本，因为版本差异较大一直都是大家对其诟病的原因，甚至小版本都有不少差异，4.x版本相较来说资料更多。

技术	版本
SpringBoot	2.6.3
MybatisPlus	3.5.1
ShardingSphere	4.1.1

2、引入依赖

<dependencies>
    <!-- spring web -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
    <!-- sharding-jdbc -->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
        <artifactId>sharding-jdbc-spring-boot-starter</artifactId>
        <version>4.1.1</version>
    </dependency>
    <!-- mysql -->
    <dependency>
        <groupId>mysql</groupId>
        <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
        <scope>runtime</scope>
    </dependency>
    <!-- mybatis-plus -->
    <dependency>
        <groupId>com.baomidou</groupId>
        <artifactId>mybatis-plus-boot-starter</artifactId>
        <version>3.5.1</version>
    </dependency>
    <!-- 代码生成器 mybatisPlus自带的生成器 -->
    <dependency>
        <groupId>com.baomidou</groupId>
        <artifactId>mybatis-plus-generator</artifactId>
        <version>3.5.1</version>
    </dependency>
    <!-- freemarker模板生成器 引入代码生成器需要 -->
    <dependency>
        <groupId>org.freemarker</groupId>
        <artifactId>freemarker</artifactId>
        <version>2.3.31</version>
    </dependency>
    <!-- swagger 因为mybatisPlus代码生成器会自带swagger的注解 -->
    <dependency>
        <groupId>io.springfox</groupId>
        <artifactId>springfox-swagger2</artifactId>
        <version>2.7.0</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>io.springfox</groupId>
        <artifactId>springfox-swagger-ui</artifactId>
        <version>2.7.0</version>
    </dependency>
    <!-- 启动后加载配置文件 -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-configuration-processor</artifactId>
        <optional>true</optional>
    </dependency>
    <!-- lombok 简化实体类管理工具-->
    <dependency>
        <groupId>org.projectlombok</groupId>
        <artifactId>lombok</artifactId>
        <optional>true</optional>
    </dependency>
    <!-- fastjson 解析json用到，也可以换成自己喜欢用的 -->
    <dependency>
        <groupId>com.alibaba</groupId>
        <artifactId>fastjson</artifactId>
        <version>1.2.79</version>
    </dependency>
    <!-- 测试 -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
        <scope>test</scope>
    </dependency>
</dependencies>

3、yml配置

server:
  port: 8888

# 数据源
spring:
  # shardingsphere配置
  shardingsphere:
    props:
      sql:
        show: false
      query:
        with:
          cipher:
            column: true # 查询是否使用密文列
    datasource:
      name: master
      master:
        type: com.zaxxer.hikari.HikariDataSource
        driver-class-name: com.mysql.cj.jdbc.Driver
        jdbc-url: jdbc:mysql://localhost:3306/encrypt_demo?serverTimezone=GMT%2B8&useUnicode=true&characterEncoding=utf8&useSSL=false
        username: root
        password: 123456
        initial-size: 20
        max-active: 200
        min-idle: 10
        max-wait: 60000
        pool-prepared-statements: true
        max-pool-prepared-statement-per-connection-size: 20
        time-between-eviction-runs-millis: 60000
        min-evictable-idle-time-millis: 300000
        validation-query: SELECT 1
        test-while-idle: true
        test-on-borrow: false
        test-on-return: false
        filter:
          stat:
            log-slow-sql: true
            slow-sql-millis: 1000
            merge-sql: true
          wall:
            config:
              multi-statement-allow: true
    # 加密配置
    encrypt:
      encryptors:
        my_encryptor:
          type: mySharding # 声明加密处理器的类型，自定义。
          props:
            aes.key.value: fly13579@# # 加密处理器创建密钥会用到，10个数字英文字母组合，自定义。
      # 需要加密哪张表中的哪些字段，每个字段使用哪个加密处理器，这里的my_encryptor就是上面配置的处理器名称。
      tables:
        tb_order:
          columns:
            id_card:
              cipherColumn: id_card
              encryptor: my_encryptor
            name:
              cipherColumn: name
              encryptor: my_encryptor

4、自定义加解密处理器

ShardingSphere有自己的加解密处理器，可以直接使用，生产环境中还是偏向于自定义处理器，因为更安全，不容易被暴力破解。

1）、增加SPI指向

在resources目录下新建META-INF/services目录，编写文件指向自定义的处理器。

文件名称：org.apache.shardingsphere.encrypt.strategy.spi.Encryptor

PS：4.1.1版本和4.0.0版本的名称不同，因为许多类名和包名都更改了。

2）、编写自定义加解密处理器

package com.example.encrypt.config;

import com.google.common.base.Preconditions;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
import org.apache.commons.codec.binary.StringUtils;
import org.apache.commons.codec.digest.DigestUtils;
import org.apache.shardingsphere.encrypt.strategy.impl.AESEncryptor;
import org.apache.shardingsphere.encrypt.strategy.spi.Encryptor;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.Properties;

/**
 * <p>
 *  Shardingsphere加密处理器
 * </p>
 *
 * @author 福隆苑居士，公众号：【Java分享客栈】
 * @since 2022-02-20
 */
@Configuration
public class MyShardingEncryptor implements Encryptor {

    private final Logger log = LoggerFactory.getLogger(MyShardingEncryptor.class);

    // AES KEY
    private static final String AES_KEY = "aes.key.value";

    private Properties properties = new Properties();

    public MyShardingEncryptor(){

    }

    @Override
    public void init() {

    }

    @Override
    public String encrypt(Object plaintext) {
        try {
            byte[] result = this.getCipher(1).doFinal(StringUtils.getBytesUtf8(String.valueOf(plaintext)));
            log.debug("[MyShardingEncryptor]>>>> 加密: {}", Base64.encodeBase64String(result));
            return Base64.encodeBase64String(result);
        } catch (Exception ex) {
            log.error("[MyShardingEncryptor]>>>> 加密异常：", ex);
        }
        return null;

    }

    @Override
    public Object decrypt(String ciphertext) {
        try {
            if (null == ciphertext) {
                return null;
            } else {
                byte[] result = this.getCipher(2).doFinal(Base64.decodeBase64(ciphertext));
                log.debug("[MyShardingEncryptor]>>>> 解密: {}", new String(result));
                return new String(result);
            }
        } catch (Exception ex) {
            log.error("[MyShardingEncryptor]>>>> 解密异常：", ex);
        }
        return null;
    }

    @Override
    public String getType() {
        return "mySharding"; // 和yml配置一致
    }

    @Override
    public Properties getProperties() {
        return this.properties;
    }

    @Override
    public void setProperties(Properties properties) {
        this.properties = properties;
    }

   /**
    * 加解密算法
    * @param decryptMode 1-加密，2-解密，还有其他类型可以点进去看源码。
    */
    private Cipher getCipher(int decryptMode) throws NoSuchPaddingException, NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
        Preconditions.checkArgument(this.properties.containsKey("aes.key.value"), "No available secret key for `%s`.",
            AESEncryptor.class.getName());
        Cipher result = Cipher.getInstance("AES");
        result.init(decryptMode, new SecretKeySpec(this.createSecretKey(), "AES"));
        return result;
    }

   /**
    * 创建密钥，规则根据自己需要定义。
    * -- PS: 生产环境规范要求不能打印出密钥相关日志，以免发生意外泄露情况。
    */
   private byte[] createSecretKey() {
      // yml中配置的原始密钥
        String oldKey = this.properties.get("aes.key.value").toString();
        Preconditions.checkArgument(null != oldKey, String.format("%s can not be null.", "aes.key.value"));
        /*
         * 将原始密钥和自定义的盐一起再次加密生成新的密钥返回.
         * 注意，因为我们用的AES加解密方式最终密钥必须16位，否则AES会报错，
         * 而application.yml中配置的aes.key.value是10位字符组合，所以这里才substring(0,5)，否则最终没有返回16位会抛AES异常，可以自己试验下。
         */
      String secretKey = DigestUtils.sha1Hex(oldKey + AES_KEY).toUpperCase().substring(0, 5) + "!" + oldKey;
      // 密钥打印在上线前一定要删掉，避免泄露引起安全事故。
      log.debug("[MyShardingEncryptor]>>>> 密钥: {}", secretKey);
        return secretKey.getBytes();
    }

}

5、编写测试接口

package com.example.encrypt.controller;


import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import com.example.encrypt.entity.Order;
import com.example.encrypt.enums.ResponseCodeEnum;
import com.example.encrypt.service.IOrderService;
import com.example.encrypt.util.ResultEntity;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.http.ResponseEntity;
import org.springframework.stereotype.Controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.*;

import java.time.LocalDateTime;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Date;
import java.util.List;

/**
 * <p>
 *  前端控制器
 * </p>
 *
 * @author 福隆苑居士，公众号：【Java分享客栈】
 * @since 2022-02-21
 */
@RestController
@RequestMapping("/api/order")
@Slf4j
public class OrderController {

   private final IOrderService orderService;

   public OrderController(IOrderService orderService) {
      this.orderService = orderService;
   }

   /**
    * 查询订单
    */
   @GetMapping("/list")
   public ResponseEntity<List<Order>> list() {
      return ResponseEntity.ok().body(orderService.list());
   }

   /**
    * 插入订单
    */
   @PostMapping("/save")
   public ResponseEntity<List<Order>> save(@RequestBody Order order) {
      // 这里只是简单的演示，正式代码记得不要直接传实体对象，要传递VO对象进行转换，并且要做参数校验。
      log.debug("[插入订单]>>>> order={}", JSONObject.toJSONString(order));
      order.setCreatedAt(new Date());
      order.setUpdatedAt(new Date());
      boolean ret = orderService.save(order);
      return ret ? ResponseEntity.ok().body(orderService.list())
            : ResponseEntity.badRequest().body(new ArrayList<>());
   }
}

6、效果

插入订单

---

我们yml中配置的对姓名和身份证号加密，看下数据库这笔订单记录，发现已经自动加密了。

---

再试下查询订单，看是否会对数据库加密字段进行解密后返回结果，发现解密也没问题。

---

7、密钥在数据库的用法

这里专门给大家说明一下密钥如何在数据库中通过SQL直接对字段值加解密，因为有很多公司会使用堡垒机或云桌面来访问生产环境数据库，这个时候排查线上问题时，往往要知道加密字段是什么。

1）、拿到密钥

PS：切记，这个密钥在上线前保留一次即可，打印密钥的日志一定要删掉，可以避免生产环境泄露密钥引起的事故，一般正规点的公司都会有要求。
密钥打印的地方在自定义的加解密处理器中，可以debug打印出来。

2）、数据库中使用

语句如下，保存下来，以后使用时复制出来即可。

# 加密 
SELECT to_base64(AES_ENCRYPT('要加密的值','密钥')) 
# 解密 
SELECT AES_DECRYPT(FROM_BASE64('要解密的值'),'密钥') 
# 中文解密，防乱码。 
select CAST(AES_DECRYPT(FROM_BASE64('要解密的中文值'),'密钥') as char)

总结

  ShardingSphere的加解密本身步骤简单，但这个工具其实不熟悉或者没用过的人会踩很多坑，包括版本差异、未解决的缺陷等等，可是它的优势远大于弊端，所以才会被非常多的公司所接受，也是学习分库分表的必修课。

  居士给大家提供了可以直接运行起来的源码以及个人踩坑的小手记，有需要的小伙伴可以下载下来跑起来做做试验。

  源码链接会在评论中分享出来哦~

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