Enkripsi sisi klien dengan Tink dan Cloud KMS

Topik ini menjelaskan cara mengenkripsi data secara lokal dan menguploadnya ke Cloud Storage dengan Tink dan Cloud Key Management Service (Cloud KMS). Tink adalah library kriptografi open source yang ditulis oleh kriptografer dan engineer keamanan di Google.

Ringkasan

Enkripsi sisi klien adalah enkripsi apa pun yang dilakukan sebelum mengirim data Anda ke cloud. Saat menggunakan enkripsi sisi klien, Anda bertanggung jawab untuk membuat dan mengelola kunci enkripsi serta mengenkripsi data sebelum mengirimkannya ke cloud.

Dalam topik ini, Anda akan menerapkan enkripsi amplop sisi klien dengan Tink menggunakan kunci enkripsi di Cloud KMS.

Anda dapat menemukan versi blueprint berbasis Terraform dari tutorial ini di repositori GitHub kms-solutions.

Sebelum memulai

  1. Buat kunci enkripsi Cloud KMS simetris untuk enkripsi. Perhatikan URI kunci. Anda akan membutuhkannya nanti.
  2. Instal Tink untuk digunakan dengan Cloud KMS.
  3. Buat bucket di Cloud Storage untuk mengupload data terenkripsi Anda.

Peran yang diperlukan

Untuk memastikan akun layanan Anda memiliki izin yang diperlukan untuk menggunakan kunci Cloud KMS dengan Tink, minta administrator untuk memberikan peran IAM Cloud KMS CryptoKey Encrypter/Decrypter (roles/cloudkms.cryptoKeyEncrypterDecrypter) ke kunci Anda. Untuk mengetahui informasi selengkapnya tentang cara memberikan peran, lihat Mengelola akses ke project, folder, dan organisasi.

Administrator Anda mungkin juga dapat memberikan izin yang diperlukan kepada akun layanan Anda melalui peran khusus atau peran bawaan lainnya.

Enkripsi amplop dengan Tink

Dalam enkripsi amplop, kunci Cloud KMS bertindak sebagai kunci enkripsi kunci (KEK). Artinya, kunci ini digunakan untuk mengenkripsi kunci enkripsi data (DEK) yang kemudian digunakan untuk mengenkripsi data sebenarnya.

Setelah membuat KEK di Cloud KMS, untuk mengenkripsi setiap pesan, Anda harus:

  1. Membuat kunci enkripsi data (DEK) secara lokal.
  2. Gunakan DEK secara lokal untuk mengenkripsi pesan.
  3. Gunakan Cloud KMS untuk mengenkripsi (menggabungkan) DEK dengan KEK.
  4. Menyimpan data terenkripsi dan DEK yang digabungkan.

Anda tidak perlu menerapkan proses enkripsi amplop ini dari awal saat menggunakan Tink.

Untuk menggunakan Tink untuk enkripsi menyeluruh, Anda perlu menyediakan URI kunci dan kredensial ke Tink. URI kunci mengarah ke KEK Anda di Cloud KMS, dan kredensial memungkinkan Tink menggunakan KEK. Tink menghasilkan DEK, mengenkripsi data, menggabungkan DEK, lalu menampilkan satu ciphertext dengan data terenkripsi dan DEK yang digabungkan.

Tink mendukung enkripsi amplop di Python, Java, C++, dan Go menggunakan primitive Authenticated Encryption with Associated Data (AEAD).

Menghubungkan Tink dan Cloud KMS

Untuk mengenkripsi DEK yang dihasilkan oleh Tink dengan KEK Anda di Cloud KMS, Anda perlu mendapatkan URI KEK. Di Cloud KMS, URI KEK memiliki format berikut:

gcp-kms://projects/PROJECT_ID/locations/LOCATION/keyRings/KEY_RING/cryptoKeys/KEY_NAME/cryptoKeyVersions/KEY_VERSION

Lihat Mendapatkan ID resource Cloud KMS untuk mengetahui detail tentang cara mendapatkan jalur ke kunci Anda.

Melakukan inisialisasi Tink dan mengenkripsi data

Tink menggunakan primitif—blok penyusun kriptografis yang mengelola detail algoritma dasarnya—sehingga Anda dapat melakukan tugas dengan aman. Setiap primitif menawarkan API yang menangani tugas tertentu. Di sini, kita menggunakan AEAD, jadi kita menggunakan primitif AEAD Tink.

Python

Python

Untuk mempelajari cara menginstal dan menggunakan library klien untuk Cloud KMS, lihat library klien Cloud KMS.

Untuk melakukan autentikasi ke Cloud KMS, siapkan Kredensial Default Aplikasi. Untuk mengetahui informasi selengkapnya, lihat Menyiapkan autentikasi untuk lingkungan pengembangan lokal. 

"""A command-line utility for performing file encryption using GCS.

It is inteded for use with small files, utilizes envelope encryption and
facilitates ciphertexts stored in GCS.
"""

from absl import app
from absl import flags
from absl import logging
from google.cloud import storage

import tink
from tink import aead
from tink.integration import gcpkms


FLAGS = flags.FLAGS

flags.DEFINE_enum('mode', None, ['encrypt', 'decrypt'],
                  'The operation to perform.')
flags.DEFINE_string('kek_uri', None,
                    'The Cloud KMS URI of the key encryption key.')
flags.DEFINE_string('gcp_credential_path', None,
                    'Path to the GCP credentials JSON file.')
flags.DEFINE_string('gcp_project_id', None,
                    'The ID of the GCP project hosting the GCS blobs.')
flags.DEFINE_string('local_path', None, 'Path to the local file.')
flags.DEFINE_string('gcs_blob_path', None, 'Path to the GCS blob.')


_GCS_PATH_PREFIX = 'gs://'


def main(argv):
  del argv  # Unused.

  # Initialise Tink
  aead.register()

  try:
    # Read the GCP credentials and setup client
    client = gcpkms.GcpKmsClient(FLAGS.kek_uri, FLAGS.gcp_credential_path)
  except tink.TinkError as e:
    logging.exception('Error creating GCP KMS client: %s', e)
    return 1

  # Create envelope AEAD primitive using AES256 GCM for encrypting the data
  try:
    remote_aead = client.get_aead(FLAGS.kek_uri)
    env_aead = aead.KmsEnvelopeAead(
        aead.aead_key_templates.AES256_GCM, remote_aead
    )
  except tink.TinkError as e:
    logging.exception('Error creating primitive: %s', e)
    return 1

  storage_client = storage.Client.from_service_account_json(
      FLAGS.gcp_credential_path)

  try:
    bucket_name, object_name = _get_bucket_and_object(FLAGS.gcs_blob_path)
  except ValueError as e:
    logging.exception('Error parsing GCS blob path: %s', e)
    return 1
  bucket = storage_client.bucket(bucket_name)
  blob = bucket.blob(object_name)
  associated_data = FLAGS.gcs_blob_path.encode('utf-8')

  if FLAGS.mode == 'encrypt':
    with open(FLAGS.local_path, 'rb') as input_file:
      output_data = env_aead.encrypt(input_file.read(), associated_data)
    blob.upload_from_string(output_data)

  elif FLAGS.mode == 'decrypt':
    ciphertext = blob.download_as_bytes()
    with open(FLAGS.local_path, 'wb') as output_file:
      output_file.write(env_aead.decrypt(ciphertext, associated_data))

  else:
    logging.error(
        'Unsupported mode %s. Please choose "encrypt" or "decrypt".',
        FLAGS.mode,
    )
    return 1


def _get_bucket_and_object(gcs_blob_path):
  """Extract bucket and object name from a GCS blob path.

  Args:
    gcs_blob_path: path to a GCS blob

  Returns:
    The bucket and object name of the GCS blob

  Raises:
    ValueError: If gcs_blob_path parsing fails.
  """
  if not gcs_blob_path.startswith(_GCS_PATH_PREFIX):
    raise ValueError(
        f'GCS blob paths must start with gs://, got {gcs_blob_path}')
  path = gcs_blob_path[len(_GCS_PATH_PREFIX):]
  parts = path.split('/', 1)
  if len(parts) < 2:
    raise ValueError(
        'GCS blob paths must be in format gs://bucket-name/object-name, '
        f'got {gcs_blob_path}')
  return parts[0], parts[1]

if __name__ == '__main__':
  flags.mark_flags_as_required([
      'mode', 'kek_uri', 'gcp_credential_path', 'gcp_project_id', 'local_path',
      'gcs_blob_path'])
  app.run(main)

Java

Java

Untuk mempelajari cara menginstal dan menggunakan library klien untuk Cloud KMS, lihat library klien Cloud KMS.

Untuk melakukan autentikasi ke Cloud KMS, siapkan Kredensial Default Aplikasi. Untuk mengetahui informasi selengkapnya, lihat Menyiapkan autentikasi untuk lingkungan pengembangan lokal. 

package gcs;

import static java.nio.charset.StandardCharsets.UTF_8;

import com.google.auth.oauth2.GoogleCredentials;
import com.google.cloud.storage.BlobId;
import com.google.cloud.storage.BlobInfo;
import com.google.cloud.storage.Storage;
import com.google.cloud.storage.StorageOptions;
import com.google.crypto.tink.Aead;
import com.google.crypto.tink.KmsClient;
import com.google.crypto.tink.aead.AeadConfig;
import com.google.crypto.tink.aead.KmsEnvelopeAead;
import com.google.crypto.tink.aead.PredefinedAeadParameters;
import com.google.crypto.tink.integration.gcpkms.GcpKmsClient;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.util.Arrays;

/**
 * A command-line utility for encrypting small files with envelope encryption and uploading the
 * results to GCS.
 *
 * <p>The CLI takes the following required arguments:
 *
 * <ul>
 *   <li>mode: "encrypt" or "decrypt" to indicate if you want to encrypt or decrypt.
 *   <li>kek-uri: The URI for the Cloud KMS key to be used for envelope encryption.
 *   <li>gcp-credential-file: Name of the file with the GCP credentials (in JSON format) that can
 *       access the Cloud KMS key and the GCS input/output blobs.
 *   <li>gcp-project-id: The ID of the GCP project hosting the GCS blobs that you want to encrypt or
 *       decrypt.
 * </ul>
 *
 * <p>When mode is "encrypt", it takes the following additional arguments:
 *
 * <ul>
 *   <li>local-input-file: Read the plaintext from this local file.
 *   <li>gcs-output-blob: Write the encryption result to this blob in GCS. The encryption result is
 *       bound to the location of this blob. That is, if you rename or move it to a different
 *       bucket, decryption will fail.
 * </ul>
 *
 * <p>When mode is "decrypt", it takes the following additional arguments:
 *
 * <ul>
 *   <li>gcs-input-blob: Read the ciphertext from this blob in GCS.
 *   <li>local-output-file: Write the decryption result to this local file.
 */
public final class GcsEnvelopeAeadExample {
  private static final String MODE_ENCRYPT = "encrypt";
  private static final String MODE_DECRYPT = "decrypt";
  private static final String GCS_PATH_PREFIX = "gs://";

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    if (args.length != 6) {
      System.err.printf("Expected 6 parameters, got %d\n", args.length);
      System.err.println(
          "Usage: java GcsEnvelopeAeadExample encrypt/decrypt kek-uri gcp-credential-file"
              + " gcp-project-id input-file output-file");
      System.exit(1);
    }
    String mode = args[0];
    String kekUri = args[1];
    String gcpCredentialFilename = args[2];
    String gcpProjectId = args[3];

    // Initialise Tink: register all AEAD key types with the Tink runtime
    AeadConfig.register();

    // Read the GCP credentials and create a remote AEAD object.
    Aead remoteAead = null;
    try {
      KmsClient kmsClient = new GcpKmsClient().withCredentials(gcpCredentialFilename);
      remoteAead = kmsClient.getAead(kekUri);
    } catch (GeneralSecurityException ex) {
      System.err.println("Error initializing GCP client: " + ex);
      System.exit(1);
    }

    // Create envelope AEAD primitive using AES256 GCM for encrypting the data
    Aead aead = KmsEnvelopeAead.create(PredefinedAeadParameters.AES256_GCM, remoteAead);

    GoogleCredentials credentials =
        GoogleCredentials.fromStream(new FileInputStream(gcpCredentialFilename))
            .createScoped(Arrays.asList("https://www.googleapis.com/auth/cloud-platform"));
    Storage storage =
        StorageOptions.newBuilder()
            .setProjectId(gcpProjectId)
            .setCredentials(credentials)
            .build()
            .getService();

    // Use the primitive to encrypt/decrypt files.
    if (MODE_ENCRYPT.equals(mode)) {
      // Encrypt the local file
      byte[] input = Files.readAllBytes(Paths.get(args[4]));
      String gcsBlobPath = args[5];
      // This will bind the encryption to the location of the GCS blob. That if, if you rename or
      // move the blob to a different bucket, decryption will fail.
      // See https://developers.google.com/tink/aead#associated_data.
      byte[] associatedData = gcsBlobPath.getBytes(UTF_8);
      byte[] ciphertext = aead.encrypt(input, associatedData);

      // Upload to GCS
      String bucketName = getBucketName(gcsBlobPath);
      String objectName = getObjectName(gcsBlobPath);
      BlobId blobId = BlobId.of(bucketName, objectName);
      BlobInfo blobInfo = BlobInfo.newBuilder(blobId).build();
      storage.create(blobInfo, ciphertext);
    } else if (MODE_DECRYPT.equals(mode)) {
      // Download the GCS blob
      String gcsBlobPath = args[4];
      String bucketName = getBucketName(gcsBlobPath);
      String objectName = getObjectName(gcsBlobPath);
      byte[] input = storage.readAllBytes(bucketName, objectName);

      // Decrypt to a local file
      byte[] associatedData = gcsBlobPath.getBytes(UTF_8);
      byte[] plaintext = aead.decrypt(input, associatedData);
      File outputFile = new File(args[5]);
      try (FileOutputStream stream = new FileOutputStream(outputFile)) {
        stream.write(plaintext);
      }
    } else {
      System.err.println("The first argument must be either encrypt or decrypt, got: " + mode);
      System.exit(1);
    }

    System.exit(0);
  }

  private static String getBucketName(String gcsBlobPath) {
    if (!gcsBlobPath.startsWith(GCS_PATH_PREFIX)) {
      throw new IllegalArgumentException(
          "GCS blob paths must start with gs://, got " + gcsBlobPath);
    }

    String bucketAndObjectName = gcsBlobPath.substring(GCS_PATH_PREFIX.length());
    int firstSlash = bucketAndObjectName.indexOf("/");
    if (firstSlash == -1) {
      throw new IllegalArgumentException(
          "GCS blob paths must have format gs://my-bucket-name/my-object-name, got " + gcsBlobPath);
    }
    return bucketAndObjectName.substring(0, firstSlash);
  }

  private static String getObjectName(String gcsBlobPath) {
    if (!gcsBlobPath.startsWith(GCS_PATH_PREFIX)) {
      throw new IllegalArgumentException(
          "GCS blob paths must start with gs://, got " + gcsBlobPath);
    }

    String bucketAndObjectName = gcsBlobPath.substring(GCS_PATH_PREFIX.length());
    int firstSlash = bucketAndObjectName.indexOf("/");
    if (firstSlash == -1) {
      throw new IllegalArgumentException(
          "GCS blob paths must have format gs://my-bucket-name/my-object-name, got " + gcsBlobPath);
    }
    return bucketAndObjectName.substring(firstSlash + 1);
  }

  private GcsEnvelopeAeadExample() {}
}

Untuk informasi selengkapnya tentang primitive dan antarmuka yang didukung oleh Tink, lihat halaman Memulai untuk Tink.

Apa langkah selanjutnya?