MongoDB 数据加密

传输加密（TLS/SSL）

基本概念

加密原理
- 使用 TLS/SSL 协议加密 MongoDB 客户端和服务器之间的通信
- 防止网络窃听和中间人攻击
- 验证服务器身份，确保客户端连接到正确的服务器
适用场景
- 生产环境中的 MongoDB 部署
- 跨网络的 MongoDB 连接
- 对安全性要求较高的应用场景

配置方法

生成 TLS/SSL 证书

bash

# 生成 CA 私钥
openssl genrsa -out ca.key 4096

# 生成 CA 证书
openssl req -x509 -new -nodes -key ca.key -sha256 -days 365 -out ca.crt

# 生成服务器私钥
openssl genrsa -out mongodb.key 2048

# 生成证书签名请求
openssl req -new -key mongodb.key -out mongodb.csr

# 生成服务器证书
openssl x509 -req -in mongodb.csr -CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial -out mongodb.crt -days 365 -sha256

# 合并证书和私钥
cat mongodb.key mongodb.crt > mongodb.pem

配置 MongoDB 服务器

yaml

# mongod.conf
net:
  port: 27017
  bindIp: 0.0.0.0
  tls:
    mode: requireTLS
    certificateKeyFile: /etc/mongodb/mongodb.pem
    CAFile: /etc/mongodb/ca.crt

security:
  authorization: enabled

配置 MongoDB 客户端

bash

# 使用 TLS 连接 MongoDB
mongo --host mongodb.example.com --port 27017 --tls --tlsCAFile /etc/mongodb/ca.crt --tlsCertificateKeyFile /etc/mongodb/client.pem --username admin --password password --authenticationDatabase admin

最佳实践

证书管理
- 使用有效期较长的证书（建议 1-3 年）
- 定期轮换证书
- 安全存储私钥，设置适当的权限
- 使用受信任的 CA 颁发证书
TLS 版本和加密套件
- 使用 TLS 1.2 或 TLS 1.3
- 配置强加密套件
- 禁用不安全的 TLS 版本（如 TLS 1.0、TLS 1.1）
客户端配置
- 客户端连接时验证服务器证书
- 考虑使用客户端证书认证
- 配置适当的 TLS 选项

静态加密（Encryption at Rest）

基本概念

加密原理
- 对存储在磁盘上的数据进行加密
- 防止物理设备丢失或被盗导致的数据泄露
- 加密发生在存储引擎层面
适用场景
- 生产环境中的 MongoDB 部署
- 云环境中的 MongoDB 部署
- 对数据安全性要求较高的场景

WiredTiger 存储引擎加密

配置方法

yaml

# mongod.conf
storage:
  engine: wiredTiger
  wiredTiger:
    engineConfig:
      encryption:
        keyId: "localKey"
        keyFile: /etc/mongodb/encryption.key

生成加密密钥

bash

# 生成随机加密密钥
openssl rand -base64 32 > /etc/mongodb/encryption.key

# 设置适当的权限
chmod 400 /etc/mongodb/encryption.key

加密范围
- 数据文件
- 索引文件
- 临时文件
- 日志文件
- 诊断数据

文件系统级加密

适用场景
- 无法使用 WiredTiger 加密的旧版本 MongoDB
- 需要加密整个文件系统的场景
- 云环境中的磁盘加密
常用加密方案
- Linux：
  - LUKS (Linux Unified Key Setup)
  - dm-crypt
- Windows：
  - BitLocker
- 云环境：
  - AWS EBS 加密
  - Azure Disk Encryption
  - Google Cloud Persistent Disk Encryption

配置示例（LUKS）

bash

# 创建 LUKS 加密卷
cryptsetup luksFormat /dev/sdb

# 打开 LUKS 加密卷
cryptsetup open /dev/sdb mongodb_data

# 创建文件系统
mkfs.ext4 /dev/mapper/mongodb_data

# 挂载文件系统
mount /dev/mapper/mongodb_data /data/mongodb

云提供商加密

AWS 加密选项
- EBS 加密
- S3 加密（用于备份）
- AWS KMS 集成
Azure 加密选项
- Azure Disk Encryption
- Azure Storage Service Encryption
- Azure Key Vault 集成
Google Cloud 加密选项
- Persistent Disk 加密
- Cloud Storage 加密
- Cloud KMS 集成

客户端字段级加密（Client-Side Field Level Encryption）

基本概念

加密原理
- 在客户端对敏感字段进行加密，然后再发送到服务器
- 服务器只存储加密后的数据，无法查看原始数据
- 支持自动加密和解密
适用场景
- 存储敏感数据，如信用卡号、个人身份信息
- 符合数据隐私法规（如 GDPR、PCI DSS）
- 需要严格控制数据访问权限的场景

配置方法

生成数据加密密钥

javascript

// 使用 mongosh 生成数据加密密钥
use admin
var clientEncryption = db.getMongo().getClientEncryption()
var dataKeyId = clientEncryption.createDataKey("local", { keyAltNames: ["dataKey1"] })
print(dataKeyId)

配置自动加密

javascript

// 客户端加密选项
const autoEncryptionOpts = {
  keyVaultNamespace: "admin.datakeys",
  kmsProviders: {
    local: {
      key: Buffer.from("0123456789abcdef0123456789abcdef", "hex")
    }
  },
  schemaMap: {
    "test.accounts": {
      bsonType: "object",
      properties: {
        creditCardNumber: {
          encrypt: {
            bsonType: "string",
            algorithm: "AEAD_AES_256_CBC_HMAC_SHA_512-Deterministic"
          }
        }
      }
    }
  }
}

使用自动加密连接

javascript

// 使用 Node.js 驱动连接 MongoDB 并启用自动加密
const { MongoClient } = require('mongodb')

async function main() {
  const client = await MongoClient.connect(
    'mongodb://localhost:27017',
    { useNewUrlParser: true, useUnifiedTopology: true, autoEncryption: autoEncryptionOpts }
  )
  
  const db = client.db('test')
  const accounts = db.collection('accounts')
  
  // 插入加密数据
  await accounts.insertOne({
    name: 'John Doe',
    creditCardNumber: '1234-5678-9012-3456'
  })
  
  // 查询加密数据（自动解密）
  const result = await accounts.findOne({ name: 'John Doe' })
  console.log(result)
  
  client.close()
}

main()

加密算法

确定性加密（Deterministic Encryption）
- 相同的明文总是生成相同的密文
- 支持等值查询
- 适用于需要对加密字段进行查询的场景
- 算法：AEAD_AES_256_CBC_HMAC_SHA_512-Deterministic
随机加密（Random Encryption）
- 相同的明文每次生成不同的密文
- 安全性更高
- 不支持等值查询
- 算法：AEAD_AES_256_CBC_HMAC_SHA_512-Random
范围查询加密（Range Query Encryption）
- 支持对加密字段进行范围查询
- 算法：AEAD_AES_256_CBC_HMAC_SHA_512-Range

最佳实践

密钥管理
- 使用专门的密钥管理服务（KMS）
- 定期轮换密钥
- 严格控制密钥访问权限
- 备份密钥，确保密钥不丢失
加密字段选择
- 只加密真正敏感的数据字段
- 考虑加密对查询性能的影响
- 选择合适的加密算法
性能优化
- 对频繁查询的加密字段使用确定性加密
- 避免对大型字段进行加密
- 考虑使用索引优化查询性能

密钥管理

密钥管理服务（KMS）集成

支持的 KMS 提供商
- AWS KMS：使用 AWS Key Management Service
- Azure Key Vault：使用 Azure Key Vault
- Google Cloud KMS：使用 Google Cloud Key Management Service
- HashiCorp Vault：使用 HashiCorp Vault
- 本地 KMS：使用本地生成的密钥

AWS KMS 集成配置

javascript

// 客户端加密选项 - AWS KMS
const autoEncryptionOpts = {
  keyVaultNamespace: "admin.datakeys",
  kmsProviders: {
    aws: {
      accessKeyId: "AWS_ACCESS_KEY_ID",
      secretAccessKey: "AWS_SECRET_ACCESS_KEY",
      sessionToken: "AWS_SESSION_TOKEN" // 可选
    }
  }
}

Azure Key Vault 集成配置

javascript

// 客户端加密选项 - Azure Key Vault
const autoEncryptionOpts = {
  keyVaultNamespace: "admin.datakeys",
  kmsProviders: {
    azure: {
      tenantId: "AZURE_TENANT_ID",
      clientId: "AZURE_CLIENT_ID",
      clientSecret: "AZURE_CLIENT_SECRET"
    }
  }
}

密钥轮换

轮换策略
- 定期轮换数据加密密钥
- 根据合规要求确定轮换频率
- 保留旧密钥用于解密历史数据

轮换方法

javascript

// 使用 mongosh 轮换数据加密密钥
use admin
var clientEncryption = db.getMongo().getClientEncryption()

// 创建新的加密密钥
var newDataKeyId = clientEncryption.createDataKey("aws", {
  keyAltNames: ["dataKey2"],
  masterKey: {
    region: "us-east-1",
    key: "arn:aws:kms:us-east-1:123456789012:key/12345678-1234-1234-1234-123456789012"
  }
})

// 更新集合的加密模式使用新密钥
// 注意：这需要更新客户端的 schemaMap 配置

注意事项
- 密钥轮换不会自动重新加密现有数据
- 考虑使用后台任务重新加密现有数据
- 确保旧密钥在轮换后仍然可用

审计日志加密

基本概念

加密原理
- 对 MongoDB 审计日志进行加密
- 防止审计日志中的敏感信息泄露
- 支持传输加密和静态加密
适用场景
- 存储敏感操作的审计日志
- 符合合规要求
- 需要保护审计日志完整性的场景

配置方法

启用审计日志

yaml

# mongod.conf
systemLog:
  destination: file
  path: /var/log/mongodb/mongod.log
  logAppend: true

auditLog:
  destination: file
  format: BSON
  path: /var/log/mongodb/audit.log

审计日志加密
- 使用文件系统级加密保护审计日志文件
- 对审计日志传输使用 TLS/SSL 加密
- 考虑将审计日志发送到加密的集中日志管理系统

最佳实践

审计日志管理
- 定期备份审计日志
- 限制审计日志访问权限
- 配置适当的审计日志保留期
- 监控审计日志的完整性
性能考虑
- 只审计必要的操作
- 考虑使用异步审计日志
- 监控审计日志对性能的影响

加密性能优化

性能影响因素

加密类型
- 传输加密：影响网络延迟
- 静态加密：影响 I/O 性能
- 客户端字段级加密：影响客户端 CPU 使用率和网络传输
加密算法
- 不同加密算法的性能开销不同
- 密钥长度越长，加密开销越大
- 加密模式（如 CBC、GCM）影响性能
硬件因素
- CPU 支持 AES-NI 指令集可以提高加密性能
- 磁盘 I/O 性能影响静态加密
- 网络带宽影响传输加密

优化策略

硬件优化
- 使用支持 AES-NI 指令集的 CPU
- 对于静态加密，使用高速存储设备
- 确保足够的网络带宽用于传输加密
配置优化
- 选择适当的加密算法
- 配置合理的密钥长度
- 调整 TLS 选项，如使用会话恢复
应用层优化
- 只加密真正需要加密的数据
- 对频繁查询的字段使用确定性加密
- 考虑使用连接池减少 TLS 握手开销
监控和调优
- 监控加密对性能的影响
- 根据实际情况调整加密配置
- 定期测试加密性能

合规性和最佳实践

合规性要求

GDPR（通用数据保护条例）
- 要求适当的数据保护措施
- 支持数据主体权利（访问、删除、导出）
- 数据泄露通知要求
PCI DSS（支付卡行业数据安全标准）
- 要求加密存储和传输信用卡数据
- 定期密钥轮换
- 严格的访问控制
HIPAA（健康保险流通与责任法案）
- 要求保护电子健康记录
- 加密存储和传输敏感健康数据
- 审计日志要求
SOC 2（服务组织控制 2）
- 要求适当的安全控制措施
- 数据加密是常见的安全控制
- 定期审计和测试

加密最佳实践

分层加密策略
- 实施多层次的加密保护
- 传输加密 + 静态加密 + 客户端字段级加密
- 针对不同数据类型使用不同的加密策略
密钥管理最佳实践
- 使用专门的密钥管理服务
- 实现密钥轮换机制
- 严格控制密钥访问权限
- 备份密钥并测试恢复流程
定期安全审计
- 定期审计加密配置
- 测试加密实现的安全性
- 检查密钥管理流程
- 验证合规性要求
员工培训
- 培训员工了解加密最佳实践
- 提高安全意识
- 确保员工正确使用加密功能

常见问题（FAQ）

Q1: MongoDB 社区版支持哪些加密功能？

A1: MongoDB 社区版支持：

传输加密（TLS/SSL）
文件系统级静态加密（通过操作系统实现）
应用层加密（通过客户端库实现）

MongoDB 企业版额外支持：

WiredTiger 存储引擎级静态加密
客户端字段级加密
与 KMS 集成

Q2: 加密会对 MongoDB 性能产生什么影响？

A2: 加密对性能的影响取决于多种因素：

传输加密：增加网络延迟，影响约 5-10%
静态加密：影响 I/O 性能，使用 AES-NI 时影响约 5-15%
客户端字段级加密：增加客户端 CPU 使用率和网络传输，影响约 10-20%

可以通过硬件优化和配置调整减少加密对性能的影响。

Q3: 如何备份加密的 MongoDB 数据？

A3: 备份加密的 MongoDB 数据的方法：

使用 mongodump/mongorestore 备份和恢复（会保留加密状态）
备份加密的文件系统或磁盘
确保备份过程中加密密钥安全
测试加密数据的恢复流程

Q4: 密钥丢失怎么办？

A4: 密钥丢失会导致无法访问加密数据，因此：

定期备份密钥
使用可靠的密钥管理服务
实施密钥轮换机制
考虑使用多密钥策略

Q5: 如何选择合适的加密方式？

A5: 选择加密方式时考虑：

数据敏感性：敏感数据需要更高级别的加密
性能要求：高性能场景选择轻量级加密
合规要求：满足行业合规标准
成本因素：考虑密钥管理成本

Q6: 客户端字段级加密和静态加密有什么区别？

A6: 主要区别：

客户端字段级加密：在客户端加密特定字段，服务器存储密文
静态加密：在存储引擎或文件系统级加密整个数据文件
客户端字段级加密提供更细粒度的加密控制，但性能开销更大

Q7: 如何验证 MongoDB 加密配置是否正确？

A7: 验证加密配置的方法：

使用 db.serverStatus() 检查 TLS 连接状态
尝试不使用 TLS 连接，应该失败
检查加密日志，确保没有错误
测试数据加密和解密功能
进行安全审计，验证加密实现

Q8: 加密会影响 MongoDB 的哪些功能？

A8: 加密可能影响的功能：

性能：加密会增加 CPU 和 I/O 开销
查询：某些查询在加密字段上可能无法使用索引
备份和恢复：需要确保密钥可用
复制集：复制集成员之间的通信需要使用 TLS/SSL

Q9: 如何迁移加密的 MongoDB 数据？

A9: 迁移加密数据的注意事项：

确保迁移过程中加密密钥安全
迁移前后使用相同的加密配置
验证迁移后数据可以正常解密
考虑使用加密的迁移工具

Q10: 如何监控加密相关的性能指标？

A10: 监控加密性能的方法：

使用 db.serverStatus() 查看 TLS 连接统计
监控 CPU 使用率，特别是加密相关的 CPU 开销
监控 I/O 性能，特别是静态加密
监控客户端字段级加密的性能指标
使用 MongoDB Atlas 或 Ops Manager 监控加密性能

MongoDB 数据加密 ​

传输加密（TLS/SSL） ​

基本概念 ​

配置方法 ​

最佳实践 ​

静态加密（Encryption at Rest） ​

基本概念 ​

WiredTiger 存储引擎加密 ​

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云提供商加密 ​

客户端字段级加密（Client-Side Field Level Encryption） ​

基本概念 ​

配置方法 ​

加密算法 ​

最佳实践 ​

密钥管理 ​

密钥管理服务（KMS）集成 ​

密钥轮换 ​

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基本概念 ​

配置方法 ​

最佳实践 ​

加密性能优化 ​

性能影响因素 ​

优化策略 ​

合规性和最佳实践 ​

合规性要求 ​

加密最佳实践 ​

常见问题（FAQ） ​

Q1: MongoDB 社区版支持哪些加密功能？ ​

Q2: 加密会对 MongoDB 性能产生什么影响？ ​

Q3: 如何备份加密的 MongoDB 数据？ ​

Q4: 密钥丢失怎么办？ ​

Q5: 如何选择合适的加密方式？ ​

Q6: 客户端字段级加密和静态加密有什么区别？ ​

Q7: 如何验证 MongoDB 加密配置是否正确？ ​

Q8: 加密会影响 MongoDB 的哪些功能？ ​

Q9: 如何迁移加密的 MongoDB 数据？ ​

Q10: 如何监控加密相关的性能指标？ ​

MongoDB 数据加密

传输加密（TLS/SSL）

基本概念

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最佳实践

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基本概念

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云提供商加密

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基本概念

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最佳实践

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密钥管理服务（KMS）集成

密钥轮换

审计日志加密

基本概念

配置方法

最佳实践

加密性能优化

性能影响因素

优化策略

合规性和最佳实践

合规性要求

加密最佳实践

常见问题（FAQ）

Q1: MongoDB 社区版支持哪些加密功能？

Q2: 加密会对 MongoDB 性能产生什么影响？

Q3: 如何备份加密的 MongoDB 数据？

Q4: 密钥丢失怎么办？

Q5: 如何选择合适的加密方式？

Q6: 客户端字段级加密和静态加密有什么区别？

Q7: 如何验证 MongoDB 加密配置是否正确？

Q8: 加密会影响 MongoDB 的哪些功能？

Q9: 如何迁移加密的 MongoDB 数据？

Q10: 如何监控加密相关的性能指标？