Acerca de la encriptación del cliente

En esta página, se describe cómo implementar la encriptación del cliente en Cloud SQL.

Descripción general

La encriptación del cliente es el acto de encriptar datos antes de escribirlos en Cloud SQL. Puedes encriptar datos de Cloud SQL de una manera que solo tu aplicación pueda desencriptarlos.

Para habilitar la encriptación del cliente, tienes las siguientes opciones:

  1. Mediante una clave de encriptación almacenada en Cloud Key Management Service (Cloud KMS).
  2. Mediante una clave de encriptación almacenada de forma local en tu aplicación.

En este tema, se describe cómo usar la primera opción, que proporciona la opción de administración de claves sin interrupciones. Crearemos una clave de encriptación en Cloud KMS e implementaremos la encriptación de sobre mediante Tink, la biblioteca criptográfica de código abierto de Google.

¿Por qué necesitas la encriptación del cliente?

Necesitas la encriptación del cliente si deseas proteger los datos de Cloud SQL a nivel de las columnas 1. Imagina que tienes una tabla con nombres y números de tarjetas de crédito. Deseas otorgar a un usuario acceso a esta tabla, pero no quieres que vea los números de la tarjeta de crédito. Puedes encriptar los números con la encriptación del cliente. Siempre que el usuario no tenga acceso a la clave de encriptación en Cloud KMS, no podrá leer la información de la tarjeta de crédito.

Crea claves mediante Cloud KMS

Cloud KMS te permite crear y administrar claves en Google Cloud Platform.

Cloud KMS admite muchos tipos de claves diferentes. Para la encriptación del cliente, debes crear una clave simétrica.

Para otorgarle a tu aplicación acceso a la clave en Cloud KMS, debes otorgar a la cuenta de servicio que tu aplicación usa la función cloudkms.cryptoKeyEncrypterDecrypter. En gcloud, usa el siguiente comando para hacer lo siguiente:

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

Si bien puedes usar la clave de KMS para encriptar datos directamente, aquí usamos una solución más flexible llamada encriptación de sobre. Esto nos permite encriptar mensajes de más de 64 KB, que es el tamaño máximo de mensaje que admite la API de Cloud Key Management Service.

Encriptación de sobre de Cloud KMS

En la encriptación de sobre, la clave de KMS actúa como una clave de encriptación de claves (KEK). Es decir, se usa para encriptar las claves de encriptación de datos (DEK) que, a su vez, se usan a fin de encriptar datos reales.

Después de crear una KEK en Cloud KMS, para encriptar cada mensaje, debes hacer lo siguiente:

  • Genera una clave de encriptación de datos (DEK) de manera local.
  • Usa esta DEK de forma local para encriptar el mensaje.
  • Llama a Cloud KMS para encriptar (unir) la DEK con la KEK.
  • Almacena los datos encriptados y la DEK unida.

En este tema usamos Tink en lugar de implementar la encriptación de sobre desde cero.

Tink

Tink es una biblioteca multiplataforma y multilingüe que proporciona API criptográficas de alto nivel. Para encriptar datos con la encriptación de sobre de Tink, debes proporcionar Tink con un URI de clave que apunte a tu KEK en Cloud KMS y credenciales que permitan a Tink usar la KEK. Tink genera la DEK, encripta los datos, une la DEK y muestra un solo texto cifrado con los datos encriptados y la DEK unida.

Tink admite la encriptación de sobre en C++, Java, Go y Python mediante la API de AEAD:

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

Además del argumento normal de mensajes/texto cifrado, los métodos de encriptación y desencriptación admiten datos asociados opcionales. Este argumento se puede usar para vincular el texto cifrado con un dato. Por ejemplo, supongamos que tienes una base de datos con un campo user-id y un campo encrypted-medical-history. En este caso, es probable que el campo user-id se use como datos asociados al momento de encriptar los antecedentes médicos. Esto garantiza que un atacante no pueda mover los antecedentes médicos de un usuario a otro. También se usa para verificar que tienes la fila correcta de datos cuando ejecutas una consulta.

Muestras

En esta sección, revisaremos el código de muestra para una base de datos de información de votantes que usa la encriptación del cliente. En el código de muestra, se indica cómo realizar las siguientes acciones:

  • Crear una tabla de base de datos y un grupo de conexiones
  • Configurar Tink para la encriptación de sobre
  • Encripta y desencripta datos con la encriptación de sobre de Tink con una KEK en Cloud KMS

Antes de comenzar

  1. Crea una instancia de Cloud SQL con estas instrucciones. Ten en cuenta la string de conexión, el usuario de la base de datos y la contraseña de la base de datos que creas.

  2. Sigue estas instrucciones a fin de crear una base de datos para tu aplicación. Toma nota del nombre de la base de datos.

  3. Sigue estas instrucciones a fin de crear una clave de KMS para tu aplicación. Copia el nombre del recurso de la clave creada.

  4. Crea una cuenta de servicio con los permisos de “Cliente de Cloud SQL” según estas instrucciones.

  5. Agrega el permiso de “Encriptador/Desencriptador de CryptoKey de Cloud KMS” de la clave a tu cuenta de servicio mediante estas instrucciones.

Crea un grupo de conexiones y crea una tabla nueva en la base de datos.

Java


import com.zaxxer.hikari.HikariConfig;
import com.zaxxer.hikari.HikariDataSource;
import java.security.GeneralSecurityException;
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) throws GeneralSecurityException {
    HikariConfig config = new HikariConfig();
    config.setJdbcUrl(String.format("jdbc:postgresql:///%s", dbName));
    config.setUsername(dbUser); // e.g. "root", "postgres"
    config.setPassword(dbPass); // e.g. "my-password"
    config.addDataSourceProperty("socketFactory", "com.google.cloud.sql.postgres.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 BYTEA, 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:
        # postgresql+pg8000://<db_user>:<db_pass>@<db_host>:<db_port>/<db_name>
        sqlalchemy.engine.url.URL.create(
            drivername="postgresql+pg8000",
            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. 5432
            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:
        # mpostgresql+pg8000://<db_user>:<db_pass>@/<db_name>?unix_socket=<socket_path>/<cloud_sql_instance_name>
        sqlalchemy.engine.url.URL.create(
            drivername="postgresql+pg8000",
            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_sock": "{}/{}/.s.PGSQL.5432".format(
                    db_socket_dir, instance_connection_name  # e.g. "/cloudsql"
                )  # i.e "<PROJECT-NAME>:<INSTANCE-REGION>:<INSTANCE-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 VARCHAR(6) NOT NULL, voter_email BYTEA, "
            "PRIMARY KEY (vote_id) );"
        )

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

Inicializa una primitiva de sobre AEAD con 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

Encripta datos e insértalos en la base de datos

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", "postgres"
    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", "postgres"
    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}!")

Consulta la base de datos y desencripta los datos almacenados.

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", "postgres"
    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);

          // Postgres pads CHAR fields with spaces. These will need to be removed before
          // decrypting.
          String aad = voteResults.getString(1).trim();

          // 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), aad.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", "postgres"
    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]

            # Postgres pads CHAR fields with spaces. These will need to be removed before
            # decrypting.
            aad = team.rstrip()

            # 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], aad.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. También puedes restringir el acceso a nivel de la instancia o de la base de datos. ↩