KMS 安全

安全：KMS 的那些事

KMS 原理与使用

Posted by pandaychen on July 10, 2021

0x00 前言

密钥管理系统（Key Management Service，KMS）是一款安全管理类服务，可以让您轻松创建和管理密钥，保护密钥的保密性、完整性和可用性，满足用户多应用多业务的密钥管理需求，符合监管和合规要求。

KMS 是基于硬件加密机的云上密钥管理系统，核心服务如下：

  • 密钥的全生命周期管理
  • 加密、解密算法
  • 真随机数
  • 密钥轮换

0x01 KMS 的加解密

敏感数据加密

此场景保护小型敏感数据（小于 4KB），如密钥、证书、配置文件等，此方式直接使用 CMK 加密敏感数据信息。CMK 通过经过第三方认证的硬件密码模块（HSM）加密保护，从而保障敏感数据的安全性。对用户而言，只需要关注 Encrypt/Decrypt 接口即可，由 KMS 提供加密计算。

为何限制是小型数据？由于此加密是非对称加密，加密数据长度受密钥长度限制。

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信封加密

一般非对称加密相对对称加密的性能是较差的，那么如何解决加密性能及大数据量加密的问题？KMS 引入了信封加密机制。

信封加密（Envelope Encryption）是类似数字信封技术的一种加密手段。这种技术将加密数据的数据密钥封入信封中存储 / 传递和使用，不再使用主密钥 CMK 直接加解密数据。是一种应对海量数据的高性能加解密方案。对于较大的文件或者对性能敏感的数据加密，可以调用类似 API 接口，如 GenerateDataKey 接口 生成数据加密密钥 DEK，只需要传输数据加密密钥 DEK 到 KMS 服务端（必须通过 CMK 进行加解密），所有的业务数据都是采用高效的本地对称加密处理，对业务的访问体验影响很小。对用户而言，需要关注通过 GenerateDataKey 创建 DEK，通过 Decrypt 解密 DEK。

在对数据加密性能要求较高，数据加密量大的场景下，可通过本地内存中生成 DEK 来对本地数据进行加解密，保证了业务加密性能的要求，同时也由 KMS 确保了数据密钥的随机性和安全性。

上面两种方式基本一样，差别在于 DEK 的生成方式，是调用云 API 生成，还是在本地内存中生成。

IMG

信封加密的加密流程如下：
1、首先，通过 KMS 创建一个客户主密钥，也就是 CMK
2、CMK（Custom Master Key） 生成后，使用 CMK 生成数据密钥，用户能够得到一个明文数据密钥和一个密文的数据密钥
3、然后使用明文数据密钥加密明文数据，生成密文
4、将密文和密文数据密钥一同存储到持久化存储设备或服务中
5、完成加密后，将明文数据，以及明文数据密钥删除

当完成上述加密操作后，只保留密文密钥和密文文件，这样即使密文密钥和密文文件被窃取，也无法解密获得用户的明文文件。CMK 是授权用户在云密钥管理服务中创建的主密钥（不能够取出，只能使用其加 / 解密获取结果），CMK 主要用于加密保护数据密钥，产生信封，也可直接用于加密少量的数据

kms-Envelope-en.png

信封加密的解密流程如下：
1、首先，从上述持久化存储设备或服务中读取密文数据密钥和密文数据
2、然后，调用 KMS 服务的 Decrypt 接口，使用 CMK 解密数据密钥，取得明文数据密钥
3、最后，使用上一步得到的明文数据密钥解密文件

kms-Envelope-en.png

在上面流程中需要特别注意的是 在加密过程中业务系统对明文密钥的处理，由于信封加密场景中采用的是对称加密，故明文密钥不可落盘，需在业务流程的内存中使用，使用完需要立即销毁，否则一旦明文秘钥泄漏，信封加密的安全性就失效了 。

另外，后台系统中对数据密钥的处理，可根据业务需求复用同一个数据密钥或针对不同用户、不同时间使用不同的数据密钥进行加密，避免 DEK 秘钥重复导致的安全隐患

信封加密的实例

本小节，使用 RSA 和 AES 加密算法描述下 Envelope Encryption 的逻辑：

1、加密过程

  • 用户创建 CMK RSA 秘钥（保存在 KMS 中）
  • 生成 AES 明文密钥
  • 使用 AES 明文密钥加密原始数据，得到加密数据
  • 使用 RSA 公钥加密 AES 明文密钥，得到密文密钥
  • 将密文密钥与加密数据一并存储于信封中

2、解密过程

  • 数据接收者接收到信封，里面包含密文数据与密文秘钥
  • 使用 RSA 私钥解密 AES 密文密钥，得到明文密钥
  • 使用 AES 明文密钥解密密文数据

0x02 KMS 密钥分级体系

KMS 密钥管理采用分级管理体系， 如下图所示：

img

1、HSM Key
即上图中的根密钥，由加密机初始化生成的 HSMKey，无法导出，只能在加密机内部使用，用于加密保护 DomainKey

2、DomainKey
DomainKey 即区域密钥，由加密机创建并存储于加密机内，无法导出，只能在加密机使用，用于加密保护 CMK。每个 region 会有多个不同 DomainKey 进行轮换加密

3、CMK（Customer Muster Key）
即用户主密钥，CMK 对用户来说属于用户的根密钥。 CMK 无法导出明文，只能在加密机内部实现加解密。CMK 用于进行数据加解密和 DEK 的派生

4、DEK（Data Encrypt Key）
即数据密钥，数据密钥由 CMK 加密保护，KMS 对 DEK 不做存储，由应用方 / 用户使用管理，这里 DEK 的安全性需要由用户自己确保。

0x03 一些思考

DEK 的安全性及效率

KMS 的信封加密，需要自己保存管理 DEK。如何处理 DEK 的管理、缓存和容灾等问题？可以使用 hashicorp 的 Vault 来存储 DEK。DEK 使用的基本流程应该按如下步骤：

  1. DEK 初始化通过 KMS Decrypt 解密得到明文密钥
  2. 明文密钥保留在内存中使用（或者存储在 Vault 集群中），避免每次都调用 KMS 接口
  3. 用户通过 DEK 明文本地加解密
  4. 当不再需要 DEK 进行加解密时，清除内存中的密钥，确保密钥明文不落盘

0x04 参考

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