À propos du chiffrement côté client

Cette page explique comment mettre en œuvre le chiffrement côté client sur Cloud SQL.

Présentation

Le chiffrement côté client consiste à chiffrer les données avant de les écrire dans Cloud SQL. Vous pouvez chiffrer les données Cloud SQL de manière à ce que seule votre application puisse les déchiffrer.

Pour activer le chiffrement côté client, vous disposez des options suivantes :

  1. Utiliser une clé de chiffrement stockée dans Cloud Key Management Service (Cloud KMS).
  2. Utiliser une clé de chiffrement stockée localement dans votre application.

Dans cette rubrique, nous expliquons comment utiliser la première option, qui constitue l'option la plus fluide pour gérer les clés. Nous allons créer une clé de chiffrement dans Cloud KMS et mettre en œuvre le chiffrement encapsulé à l'aide de Tink, la bibliothèque de cryptographie Open Source de Google.

Pourquoi avez-vous besoin d'un chiffrement côté client ?

Vous avez besoin d'un chiffrement côté client pour protéger les données Cloud SQL au niveau de la colonne 1. Imaginons que vous avez une table de noms et de numéros de carte de crédit. Vous souhaitez autoriser un utilisateur à accéder à cette table, mais vous ne voulez pas qu'il puisse consulter les numéros de carte de crédit. Vous pouvez chiffrer les numéros de carte à l'aide du chiffrement côté client. Tant que l'utilisateur n'est pas autorisé à accéder à la clé de chiffrement dans Cloud KMS, il ne peut pas consulter les informations de carte de paiement.

Créer des clés à l'aide de Cloud KMS

Cloud KMS vous permet de créer et gérer des clés sur Google Cloud Platform.

Cloud KMS est compatible avec de nombreux types de clés différents. Pour le chiffrement côté client, vous devez créer une clé symétrique.

Pour permettre à votre application d'accéder à la clé dans Cloud KMS, vous devez attribuer le rôle cloudkms.cryptoKeyEncrypterDecrypter au compte de service utilisé par votre application. Pour ce faire, dans gcloud, vous exécutez la commande suivante :

gcloud kms keys add-iam-policy-binding key \
--keyring=key-ring \
--location=location \
--member=serviceAccount:service-account-name@example.domain.com \
--role=roles/cloudkms.cryptoKeyEncrypterDecrypter

Même si vous pouvez utiliser la clé KMS pour chiffrer directement des données, nous utilisons ici une solution plus flexible appelée chiffrement encapsulé. Cela nous permet de chiffrer les messages de plus de 64 Ko, ce qui est la taille de message maximale acceptée par l'API Cloud Key Management Service.

Chiffrement encapsulé Cloud KMS

Dans le chiffrement encapsulé, la clé KMS agit en tant que clé de chiffrement de clé (KEK, Key Encryption Key). En d'autres termes, elle sert à chiffrer les clés de chiffrement des données (DEK, Data Encryption Key), qui elles-mêmes sont utilisées pour chiffrer les données proprement dites.

Après avoir créé une KEK dans Cloud KMS, pour chiffrer chaque message, vous devez effectuer les opérations suivantes :

  • Générez une clé de chiffrement de données (DEK) en local.
  • Utilisez cette DEK localement pour chiffrer le message.
  • Appelez Cloud KMS pour chiffrer (encapsuler) la DEK avec la KEK.
  • Stockez les données chiffrées et la DEK encapsulée.

Plutôt que de mettre en œuvre le chiffrement encapsulé en partant de zéro, dans cet article, nous utilisons Tink.

Tink

Tink est une bibliothèque multiplate-forme et compatible avec plusieurs langages, qui fournit des API de chiffrement de haut niveau. Pour chiffrer des données avec le chiffrement encapsulé de Tink, vous devez fournir à Tink un URI de clé pointant vers votre KEK dans Cloud KMS, ainsi que des identifiants qui permettent à Tink d'utiliser la KEK. Tink génère la DEK, chiffre les données, encapsule la DEK et renvoie un texte chiffré unique représentant les données chiffrées et la DEK encapsulée.

Tink permet de réaliser le chiffrement encapsulé en C++, Java, Go et Python à l'aide de l'API AEAD :

public interface Aead{
  byte[] encrypt(final byte[] plaintext, final byte[] associatedData)
  throws…
  byte[] decrypt(final byte[] ciphertext, final byte[] associatedData)
  throws…
}

Outre l'argument standard du message/texte chiffré, les méthodes de chiffrement et de déchiffrement permettent de traiter des données associées facultatives. Cet argument peut être utilisé pour lier le texte chiffré à un élément de données. Par exemple, supposons que vous avez une base de données comportant un champ user-id et un champ encrypted-medical-history. Dans ce cas, le champ user-id doit probablement être utilisé en tant que données associées lors du chiffrement de l'historique médical. Cela permet de s'assurer qu'un pirate informatique ne peut pas transférer l'historique médical d'un utilisateur à un autre. Cela permet également de vérifier que vous disposez de la bonne ligne de données lorsque vous exécutez une requête.

Exemples

Dans cette section, nous allons parcourir un exemple de code pour une base de données d'informations sur les électeurs utilisant le chiffrement côté client. L'exemple de code montre comment :

  • créer une table de base de données et un pool de connexions ;
  • configurer Tink pour le chiffrement encapsulé ;
  • chiffrer et déchiffrer des données à l'aide du chiffrement encapsulé de Tink avec une KEK hébergée dans Cloud KMS.

Avant de commencer

  1. Créez une instance Cloud SQL en suivant ces instructions. Notez la chaîne de connexion, l'utilisateur de base de données et le mot de passe de base de données que vous créez.

  2. Créez une base de données pour votre application en suivant ces instructions. Notez le nom de la base de données.

  3. Créez une clé KMS pour votre application en suivant ces instructions. Copiez le nom de ressource de la clé créée.

  4. Créez un compte de service avec les autorisations "Client Cloud SQL" en suivant ces instructions.

  5. Ajoutez à votre compte de service l'autorisation "Chiffreur/Déchiffreur de CryptoKeys Cloud KMS" pour la clé en suivant ces instructions.

Créer un pool de connexions et créer une table dans la base de données.

Java


import com.zaxxer.hikari.HikariConfig;
import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import java.sql.Connection;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.SQLException;
import javax.sql.DataSource;

public class CloudSqlConnectionPool {

  public static DataSource createConnectionPool(String dbUser, String dbPass, String dbName,
      String instanceConnectionName) {
    HikariConfig config = new HikariConfig();
    config.setJdbcUrl(String.format("jdbc:mysql:///%s", dbName));
    config.setUsername(dbUser);
    config.setPassword(dbPass);
    config.addDataSourceProperty("socketFactory", "com.google.cloud.sql.mysql.SocketFactory");
    config.addDataSourceProperty("cloudSqlInstance", instanceConnectionName);
    DataSource pool = new HikariDataSource(config);
    return pool;
  }

  public static void createTable(DataSource pool, String tableName) throws SQLException {
    // Safely attempt to create the table schema.
    try (Connection conn = pool.getConnection()) {
      String stmt = String.format("CREATE TABLE IF NOT EXISTS %s ( "
          + "vote_id SERIAL NOT NULL, time_cast timestamp NOT NULL, team CHAR(6) NOT NULL,"
          + "voter_email VARBINARY(255), PRIMARY KEY (vote_id) );", tableName);
      try (PreparedStatement createTableStatement = conn.prepareStatement(stmt);) {
        createTableStatement.execute();
      }
    }
  }
}

Python

import sqlalchemy


def init_tcp_connection_engine(
    db_user: str, db_pass: str, db_name: str, db_host: str
) -> sqlalchemy.engine.base.Engine:
    """
    Creates a connection to the database using tcp socket.
    """
    # Remember - storing secrets in plaintext is potentially unsafe. Consider using
    # something like https://cloud.google.com/secret-manager/docs/overview to help keep
    # secrets secret.

    # Extract host and port from db_host
    host_args = db_host.split(":")
    db_hostname, db_port = host_args[0], int(host_args[1])

    pool = sqlalchemy.create_engine(
        # Equivalent URL:
        # mysql+pymysql://<db_user>:<db_pass>@<db_host>:<db_port>/<db_name>
        sqlalchemy.engine.url.URL.create(
            drivername="mysql+pymysql",
            username=db_user,  # e.g. "my-database-user"
            password=db_pass,  # e.g. "my-database-password"
            host=db_hostname,  # e.g. "127.0.0.1"
            port=db_port,  # e.g. 3306
            database=db_name,  # e.g. "my-database-name"
        ),
    )
    print("Created TCP connection pool")
    return pool


def init_unix_connection_engine(
    db_user: str,
    db_pass: str,
    db_name: str,
    instance_connection_name: str,
    db_socket_dir: str,
) -> sqlalchemy.engine.base.Engine:
    """
    Creates a connection to the database using unix socket.
    """
    # Remember - storing secrets in plaintext is potentially unsafe. Consider using
    # something like https://cloud.google.com/secret-manager/docs/overview to help keep
    # secrets secret.

    pool = sqlalchemy.create_engine(
        # Equivalent URL:
        # mysql+pymysql://<db_user>:<db_pass>@/<db_name>?unix_socket=<socket_path>/<cloud_sql_instance_name>
        sqlalchemy.engine.url.URL.create(
            drivername="mysql+pymysql",
            username=db_user,  # e.g. "my-database-user"
            password=db_pass,  # e.g. "my-database-password"
            database=db_name,  # e.g. "my-database-name"
            query={"unix_socket": f"{db_socket_dir}/{instance_connection_name}"},
        ),
    )
    print("Created Unix socket connection pool")
    return pool


def init_db(
    db_user: str,
    db_pass: str,
    db_name: str,
    table_name: str,
    instance_connection_name: str = None,
    db_socket_dir: str = None,
    db_host: str = None,
) -> sqlalchemy.engine.base.Engine:
    """Starts a connection to the database and creates voting table if it doesn't exist."""
    if db_host:
        db = init_tcp_connection_engine(db_user, db_pass, db_name, db_host)
    else:
        db = init_unix_connection_engine(
            db_user, db_pass, db_name, instance_connection_name, db_socket_dir
        )

    # Create tables (if they don't already exist)
    with db.connect() as conn:
        conn.execute(
            f"CREATE TABLE IF NOT EXISTS {table_name} "
            "( vote_id SERIAL NOT NULL, time_cast timestamp NOT NULL, "
            "team CHAR(6) NOT NULL, voter_email VARBINARY(255), "
            "PRIMARY KEY (vote_id) );"
        )

    print(f"Created table {table_name} in db {db_name}")
    return db

Initialiser une primitive d'encapsulation AEAD avec Tink.

Java


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.AeadKeyTemplates;
import com.google.crypto.tink.aead.KmsEnvelopeAead;
import com.google.crypto.tink.integration.gcpkms.GcpKmsClient;
import java.security.GeneralSecurityException;

public class CloudKmsEnvelopeAead {

  public static Aead get(String kmsUri) throws GeneralSecurityException {
    AeadConfig.register();

    // Create a new KMS Client
    KmsClient client = new GcpKmsClient().withDefaultCredentials();

    // Create an AEAD primitive using the Cloud KMS key
    Aead gcpAead = client.getAead(kmsUri);

    // Create an envelope AEAD primitive.
    // This key should only be used for client-side encryption to ensure authenticity and integrity
    // of data.
    return new KmsEnvelopeAead(AeadKeyTemplates.AES128_GCM, gcpAead);
  }
}

Python

import logging

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

logger = logging.getLogger(__name__)


def init_tink_env_aead(key_uri: str, credentials: str) -> tink.aead.KmsEnvelopeAead:
    """
    Initiates the Envelope AEAD object using the KMS credentials.
    """
    aead.register()

    try:
        gcp_client = gcpkms.GcpKmsClient(key_uri, credentials)
        gcp_aead = gcp_client.get_aead(key_uri)
    except tink.TinkError as e:
        logger.error("Error initializing GCP client: %s", e)
        raise e

    # Create envelope AEAD primitive using AES256 GCM for encrypting the data
    # This key should only be used for client-side encryption to ensure authenticity and integrity
    # of data.
    key_template = aead.aead_key_templates.AES256_GCM
    env_aead = aead.KmsEnvelopeAead(key_template, gcp_aead)

    print(f"Created envelope AEAD Primitive using KMS URI: {key_uri}")

    return env_aead

Chiffrer les données et les insérer dans la base de données.

Java


import com.google.crypto.tink.Aead;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.sql.Connection;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Timestamp;
import java.util.Date;
import javax.sql.DataSource;

public class EncryptAndInsertData {

  public static void main(String[] args) throws GeneralSecurityException, SQLException {
    // Saving credentials in environment variables is convenient, but not secure - consider a more
    // secure solution such as Cloud Secret Manager to help keep secrets safe.
    String dbUser = System.getenv("DB_USER"); // e.g. "root", "mysql"
    String dbPass = System.getenv("DB_PASS"); // e.g. "mysupersecretpassword"
    String dbName = System.getenv("DB_NAME"); // e.g. "votes_db"
    String instanceConnectionName =
        System.getenv("INSTANCE_CONNECTION_NAME"); // e.g. "project-name:region:instance-name"
    String kmsUri = System.getenv("CLOUD_KMS_URI"); // e.g. "gcp-kms://projects/...path/to/key
    // Tink uses the "gcp-kms://" prefix for paths to keys stored in Google Cloud KMS. For more
    // info on creating a KMS key and getting its path, see
    // https://cloud.google.com/kms/docs/quickstart

    String team = "TABS";
    String tableName = "votes";
    String email = "hello@example.com";

    // Initialize database connection pool and create table if it does not exist
    // See CloudSqlConnectionPool.java for setup details
    DataSource pool =
        CloudSqlConnectionPool.createConnectionPool(dbUser, dbPass, dbName, instanceConnectionName);
    CloudSqlConnectionPool.createTable(pool, tableName);

    // Initialize envelope AEAD
    // See CloudKmsEnvelopeAead.java for setup details
    Aead envAead = CloudKmsEnvelopeAead.get(kmsUri);

    encryptAndInsertData(pool, envAead, tableName, team, email);
  }

  public static void encryptAndInsertData(
      DataSource pool, Aead envAead, String tableName, String team, String email)
      throws GeneralSecurityException, SQLException {

    try (Connection conn = pool.getConnection()) {
      String stmt =
          String.format(
              "INSERT INTO %s (team, time_cast, voter_email) VALUES (?, ?, ?);", tableName);
      try (PreparedStatement voteStmt = conn.prepareStatement(stmt); ) {
        voteStmt.setString(1, team);
        voteStmt.setTimestamp(2, new Timestamp(new Date().getTime()));

        // Use the envelope AEAD primitive to encrypt the email, using the team name as
        // associated data. This binds the encryption of the email to the team name, preventing
        // associating an encrypted email in one row with a team name in another row.
        byte[] encryptedEmail = envAead.encrypt(email.getBytes(), team.getBytes());
        voteStmt.setBytes(3, encryptedEmail);

        // Finally, execute the statement. If it fails, an error will be thrown.
        voteStmt.execute();
        System.out.println(String.format("Successfully inserted row into table %s", tableName));
      }
    }
  }
}

Python

import datetime
import logging
import os

import sqlalchemy
import tink

from .cloud_kms_env_aead import init_tink_env_aead
from .cloud_sql_connection_pool import init_db

logger = logging.getLogger(__name__)


def main() -> None:
    """
    Connects to the database, encrypts and inserts some data.
    """
    db_user = os.environ["DB_USER"]  # e.g. "root", "mysql"
    db_pass = os.environ["DB_PASS"]  # e.g. "mysupersecretpassword"
    db_name = os.environ["DB_NAME"]  # e.g. "votes_db"

    # Set if connecting using TCP:
    db_host = os.environ["DB_HOST"]  # e.g. "127.0.0.1"

    # Set if connecting using Unix sockets:
    db_socket_dir = os.environ.get("DB_SOCKET_DIR", "/cloudsql")

    instance_connection_name = os.environ["INSTANCE_CONNECTION_NAME"]
    # e.g. "project-name:region:instance-name"

    credentials = os.environ.get("GOOGLE_APPLICATION_CREDENTIALS", "")
    key_uri = "gcp-kms://" + os.environ["GCP_KMS_URI"]
    # e.g. "gcp-kms://projects/...path/to/key
    # Tink uses the "gcp-kms://" prefix for paths to keys stored in Google
    # Cloud KMS. For more info on creating a KMS key and getting its path, see
    # https://cloud.google.com/kms/docs/quickstart

    table_name = "votes"
    team = "TABS"
    email = "hello@example.com"

    env_aead = init_tink_env_aead(key_uri, credentials)
    db = init_db(
        db_user,
        db_pass,
        db_name,
        table_name,
        instance_connection_name,
        db_socket_dir,
        db_host,
    )

    encrypt_and_insert_data(db, env_aead, table_name, team, email)


def encrypt_and_insert_data(
    db: sqlalchemy.engine.base.Engine,
    env_aead: tink.aead.KmsEnvelopeAead,
    table_name: str,
    team: str,
    email: str,
) -> None:
    """
    Inserts a vote into the database with email address previously encrypted using
    a KmsEnvelopeAead object.
    """
    time_cast = datetime.datetime.now(tz=datetime.timezone.utc)
    # Use the envelope AEAD primitive to encrypt the email, using the team name as
    # associated data. Encryption with associated data ensures authenticity
    # (who the sender is) and integrity (the data has not been tampered with) of that
    # data, but not its secrecy. (see RFC 5116 for more info)
    encrypted_email = env_aead.encrypt(email.encode(), team.encode())
    # Verify that the team is one of the allowed options
    if team != "TABS" and team != "SPACES":
        logger.error(f"Invalid team specified: {team}")
        return

    # Preparing a statement before hand can help protect against injections.
    stmt = sqlalchemy.text(
        f"INSERT INTO {table_name} (time_cast, team, voter_email)"
        " VALUES (:time_cast, :team, :voter_email)"
    )

    # Using a with statement ensures that the connection is always released
    # back into the pool at the end of statement (even if an error occurs)
    with db.connect() as conn:
        conn.execute(stmt, time_cast=time_cast, team=team, voter_email=encrypted_email)
    print(f"Vote successfully cast for '{team}' at time {time_cast}!")

Interroger la base de données et déchiffrer les données stockées.

Java


import com.google.crypto.tink.Aead;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.sql.Connection;
import java.sql.PreparedStatement;
import java.sql.ResultSet;
import java.sql.SQLException;
import java.sql.Timestamp;
import javax.sql.DataSource;

public class QueryAndDecryptData {

  public static void main(String[] args) throws GeneralSecurityException, SQLException {
    // Saving credentials in environment variables is convenient, but not secure - consider a more
    // secure solution such as Cloud Secret Manager to help keep secrets safe.
    String dbUser = System.getenv("DB_USER"); // e.g. "root", "mysql"
    String dbPass = System.getenv("DB_PASS"); // e.g. "mysupersecretpassword"
    String dbName = System.getenv("DB_NAME"); // e.g. "votes_db"
    String instanceConnectionName =
        System.getenv("INSTANCE_CONNECTION_NAME"); // e.g. "project-name:region:instance-name"
    String kmsUri = System.getenv("CLOUD_KMS_URI"); // e.g. "gcp-kms://projects/...path/to/key
    // Tink uses the "gcp-kms://" prefix for paths to keys stored in Google Cloud KMS. For more
    // info on creating a KMS key and getting its path, see
    // https://cloud.google.com/kms/docs/quickstart

    String tableName = "votes123";

    // Initialize database connection pool and create table if it does not exist
    // See CloudSqlConnectionPool.java for setup details
    DataSource pool =
        CloudSqlConnectionPool.createConnectionPool(dbUser, dbPass, dbName, instanceConnectionName);
    CloudSqlConnectionPool.createTable(pool, tableName);

    // Initialize envelope AEAD
    // See CloudKmsEnvelopeAead.java for setup details
    Aead envAead = CloudKmsEnvelopeAead.get(kmsUri);

    // Insert row into table to test
    // See EncryptAndInsert.java for setup details
    EncryptAndInsertData.encryptAndInsertData(
        pool, envAead, tableName, "SPACES", "hello@example.com");

    queryAndDecryptData(pool, envAead, tableName);
  }

  public static void queryAndDecryptData(DataSource pool, Aead envAead, String tableName)
      throws GeneralSecurityException, SQLException {

    try (Connection conn = pool.getConnection()) {
      String stmt =
          String.format(
              "SELECT team, time_cast, voter_email FROM %s ORDER BY time_cast DESC LIMIT 5",
              tableName);
      try (PreparedStatement voteStmt = conn.prepareStatement(stmt); ) {
        ResultSet voteResults = voteStmt.executeQuery();

        System.out.println("Team\tTime Cast\tEmail");
        while (voteResults.next()) {
          String team = voteResults.getString(1);
          Timestamp timeCast = voteResults.getTimestamp(2);

          // Use the envelope AEAD primitive to encrypt the email, using the team name as
          // associated data. This binds the encryption of the email to the team name, preventing
          // associating an encrypted email in one row with a team name in another row.
          String email = new String(envAead.decrypt(voteResults.getBytes(3), team.getBytes()));

          System.out.println(String.format("%s\t%s\t%s", team, timeCast, email));
        }
      }
    }
  }
}

Python

import os

import sqlalchemy
import tink

from .cloud_kms_env_aead import init_tink_env_aead
from .cloud_sql_connection_pool import init_db
from .encrypt_and_insert_data import encrypt_and_insert_data


def main() -> None:
    """
    Connects to the database, inserts encrypted data and retrieves encrypted data.
    """
    db_user = os.environ["DB_USER"]  # e.g. "root", "mysql"
    db_pass = os.environ["DB_PASS"]  # e.g. "mysupersecretpassword"
    db_name = os.environ["DB_NAME"]  # e.g. "votes_db"

    # Set if connecting using TCP:
    db_host = os.environ["DB_HOST"]  # e.g. "127.0.0.1"

    # Set if connecting using Unix sockets:
    db_socket_dir = os.environ.get("DB_SOCKET_DIR", "/cloudsql")

    instance_connection_name = os.environ["INSTANCE_CONNECTION_NAME"]
    # e.g. "project-name:region:instance-name"

    credentials = os.environ.get("GOOGLE_APPLICATION_CREDENTIALS", "")
    key_uri = "gcp-kms://" + os.environ["GCP_KMS_URI"]
    # e.g. "gcp-kms://projects/...path/to/key
    # Tink uses the "gcp-kms://" prefix for paths to keys stored in Google
    # Cloud KMS. For more info on creating a KMS key and getting its path, see
    # https://cloud.google.com/kms/docs/quickstart

    table_name = "votes"
    team = "TABS"
    email = "hello@example.com"

    env_aead = init_tink_env_aead(key_uri, credentials)
    db = init_db(
        db_user,
        db_pass,
        db_name,
        table_name,
        instance_connection_name,
        db_socket_dir,
        db_host,
    )

    encrypt_and_insert_data(db, env_aead, table_name, team, email)
    query_and_decrypt_data(db, env_aead, table_name)


def query_and_decrypt_data(
    db: sqlalchemy.engine.base.Engine,
    env_aead: tink.aead.KmsEnvelopeAead,
    table_name: str,
) -> list[tuple[str]]:
    """
    Retrieves data from the database and decrypts it using the KmsEnvelopeAead object.
    """
    with db.connect() as conn:
        # Execute the query and fetch all results
        recent_votes = conn.execute(
            f"SELECT team, time_cast, voter_email FROM {table_name} "
            "ORDER BY time_cast DESC LIMIT 5"
        ).fetchall()

        print("Team\tEmail\tTime Cast")
        output = []

        for row in recent_votes:
            team = row[0]
            # Use the envelope AEAD primitive to decrypt the email, using the team name as
            # associated data. Encryption with associated data ensures authenticity
            # (who the sender is) and integrity (the data has not been tampered with) of that
            # data, but not its secrecy. (see RFC 5116 for more info)
            email = env_aead.decrypt(row[2], team.encode()).decode()
            time_cast = row[1]

            # Print recent votes
            print(f"{team}\t{email}\t{time_cast}")
            output.append((team, email, time_cast))
    return output

  1. Vous pouvez également restreindre l'accès au niveau de l'instance ou de la base de données. ↩