面试题：MongoDB分片集群安全性配置下数据加密与密钥管理

Question

在MongoDB分片集群进行安全性配置时，数据加密是重要一环。请详细讲述在分片集群中实现数据加密的过程，包括使用的加密算法、密钥生成和管理机制，以及如何保证加密密钥在整个集群环境中的安全分发和存储，同时分析加密对集群性能的影响及应对策略。

Answer 1

1. 数据加密过程

在MongoDB分片集群中实现数据加密，主要使用WiredTiger存储引擎提供的加密功能。

1. 启用加密：在启动MongoDB实例时，通过配置文件或命令行选项启用加密。例如，在配置文件中添加 storage.wiredTiger.engineConfig.encryptionKeyFile 选项指定密钥文件路径。
2. 数据写入加密：当数据写入数据库时，WiredTiger引擎会自动使用指定的加密算法对数据进行加密后存储到磁盘。读取数据时则进行反向操作，先解密再返回给用户。

2. 加密算法

MongoDB使用AES - 256 - CBC（高级加密标准，256位密钥，密码块链模式）作为默认的加密算法。这是一种广泛使用且安全的对称加密算法，能够有效保护数据的机密性。

3. 密钥生成和管理机制

1. 密钥生成：可以使用 openssl 等工具生成加密密钥。例如，使用 openssl rand -base64 96 > encryption.key 命令生成一个96字节的Base64编码密钥文件。
2. 密钥管理：密钥文件需要妥善保管，确保只有授权的MongoDB进程可以访问。密钥文件的权限应设置为只有文件所有者可读写（例如 chmod 400 encryption.key）。

4. 密钥安全分发和存储

1. 分发：密钥文件需要分发给每个MongoDB实例（包括分片、配置服务器和mongos路由进程）。这个过程应该通过安全的渠道进行，例如使用安全拷贝（scp）并确保传输过程的加密。
2. 存储：密钥文件应存储在操作系统层面受保护的位置，只有运行MongoDB的用户有访问权限。此外，定期备份密钥文件，并将备份存储在安全的地方，以防数据丢失。

5. 加密对集群性能的影响及应对策略

1. 性能影响：加密会带来一定的性能开销，因为加密和解密操作需要消耗CPU资源。在高负载的写入和读取场景下，可能会导致集群性能下降。
2. 应对策略：
   • 硬件升级：增加CPU资源，使用更强大的服务器来应对加密带来的额外计算需求。
   • 优化配置：合理调整MongoDB的配置参数，如增加缓存大小（wiredTiger.cacheSizeGB），以减少磁盘I/O，因为加密和解密操作主要在内存中进行时性能更好。
   • 负载均衡：通过负载均衡器合理分配读写请求，避免单个节点负载过高。
   • 异步处理：对于一些非关键的写入操作，可以考虑使用异步方式，减少对实时性能的影响。