PolarDB:透明なデータ暗号化

用語

TDEのしくみ

• キー管理モジュール

  • キー構造

    TDEは、KEKとTDEKで構成される2層のキー構造を使用します。 TDEKはデータベースデータを暗号化するために使用され、KEKはTDEKを暗号化するために使用される。 2層キー構造の詳細な説明は次のとおりです。

    • KEKおよびHMACK: 最初の32バイトをKEKとし、最後の32バイトをHMACKとする64バイトのデータ。 これは、polar_cluster_passphrase_commandパラメーターで指定されたコマンドを実行した出力にSHA-512アルゴリズムを適用することによって生成されます。

    • TDEKおよびWDEK: データおよびWALログ暗号化のための鍵であり、暗号的に安全な乱数発生器を使用して生成される。 2つの鍵を使用して暗号化された暗号文は、RDEK_HMACおよびWEDK_HMACを生成するために、HMACKおよびHMACアルゴリズムでさらに暗号化される。 RDEK_HMACとWEDK_HMACはKEK検証に使用され、共有ストレージに保存されます。

    KEKおよびHMACKは、鍵管理サービス (KMS) などの外部システムから常に取得される。 テスト中に、echo passphraseコマンドを実行して2つのキーを取得できます。 ENCMDEKとKEK_HMACは共有ストレージに保存して、プライマリノードと読み取り専用ノードが次回の起動時にキーファイルを読み取り、データ暗号化キーを取得できるようにする必要があります。 データ構造は次のとおりです。

    typedef struct KmgrFileData
    {
        /* version for kmgr file */
        uint32      kmgr_version_no;
    
        /* Are data pages encrypted? Zero if encryption is disabled */
        uint32      data_encryption_cipher;
    
        /*
         * Wrapped Key information for data encryption.
         */
        WrappedEncKeyWithHmac tde_rdek;
        WrappedEncKeyWithHmac tde_wdek;
    
        /* CRC of all above ... MUST BE LAST! */
        pg_crc32c   crc;
    } KmgrFileData;

    このファイルは, initdbコマンドの実行中に生成されます。 これにより、スタンバイとして機能する読み取り専用ノードがpg_basebackupを使用してファイルを取得できるようになります。

    クラスターの実行中、TDE関連の制御情報はプロセスメモリに次の構造で保存されます。

    static keydata_t keyEncKey[TDE_KEK_SIZE];
    static keydata_t relEncKey[TDE_MAX_DEK_SIZE];
    static keydata_t walEncKey[TDE_MAX_DEK_SIZE];
    char *polar_cluster_passphrase_command = NULL;
    extern int data_encryption_cipher;

  • キー暗号化

    データベースの初期化中にキーを生成する必要があります。 次の図は、プロセスを示しています。

    1. polar_cluster_passphrase_commandパラメーターで指定されたコマンドを実行し、32バイトのKEKと32バイトのHMACKを取得します。

    2. OpenSSLの乱数生成アルゴリズムを使用してMDEKを生成します。

    3. OpenSSLのHKDFアルゴリズムを使用して、MDEKからTDEKを生成します。

    4. OpenSSLのHKDFアルゴリズムを使用して、MDEKからWDEKを生成します。

    5. KEKでMDEKを暗号化してENCMDEKを生成します。

    6. HMACアルゴリズムを使用して、ENCMDEKとHMACKからKEK_HMACを生成します。 KEK_HMACは、鍵復号中の検証に使用される。

    7. KmgrFileData構造体のENCMDEK、KEK_HMAC、およびその他の補足情報をglobal/kmgrファイルに書き込みます。

  • キーの解読

    データベースのクラッシュまたは再起動の場合は、限られた暗号文情報に基づいて対応するキーを復号化する必要があります。 次の図は、プロセスを示しています。

    1. global/kmgrファイルを読み取り、ENCMDEKおよびKEK_HMACを取得します。

    2. polar_cluster_passphrase_commandパラメーターで指定されたコマンドを32バイトのKEKと32バイトのHMACKに実行します。

    3. HMACアルゴリズムを使用して、ENCMDEKとHMACKからKEK_HMAC 'を生成します。 KEK_HMACとKEK_HMAC 'が同じかどうかを確認します。 そうであれば、次のステップに進む。 そうでない場合は、エラーを返します。

    4. KEKを使用してENCMDEKを復号し、MDEKを生成します。

    5. OpenSSLのHKDFアルゴリズムを使用して、MDEKからTDEKを生成します。 情報が変化しないので、同じTDEKを生成することができる。

    6. OpenSSLのHKDFアルゴリズムを使用して、MDEKからWDEKを生成します。 情報が変更されないので、同じWDEKを生成することができる。

  • キーの交換

    キー置換は、古いKEKでキーを解読し、新しいKEKで新しいグローバル /kmgrファイルを生成するプロセスです。 次の図は、プロセスを示しています。

    1. 古いglobal/kmgrファイルを読み取り、ENCMDEKおよびKEK_HMACを取得します。

    2. polar_cluster_passphrase_commandパラメーターで指定されたコマンドを実行して、32バイトのKEKと32バイトのHMACKを生成します。

    3. HMACアルゴリズムを使用して、ENCMDEKとHMACKからKEK_HMAC 'を生成します。 KEK_HMACとKEK_HMAC 'が同じかどうかを確認します。 そうであれば、次のステップに進む。 そうでない場合、エラーが返される。

    4. 古いKEKを使用してENCMDEKを復号し、MDEKを生成します。

    5. polar_cluster_passphrase_commandパラメーターで指定されたコマンドを実行して、新しいKEKと新しいHMACKを取得します。

    6. 新しいKEKを使用してMDEKを暗号化し、新しいENCMDEKを生成します。

    7. HMACアルゴリズムを使用して、新しいENCMDEKと新しいHMACKから新しいKEK_HMACを生成します。 新しいKEK_HMACは、鍵復号中の検証に使用される。

    8. 新しいENCMDEK、新しいKEK_HMAC、およびKmgrFileData構造のその他の補足情報をglobal/kmgrファイルに書き込みます。

• 暗号化モジュール

  すべてのユーザーデータは、ページレベルでAES-128またはAES-256暗号化アルゴリズムを使用して暗号化されることが期待されます。 AES-256はデフォルトで使用されます。 (ページLSN、ページ番号) は、各データページの暗号化のための初期ベクトル (IV) として使用される。 IVは、同じコンテンツから異なる暗号化結果を生成できることを保証する。

  次のコードは、各ページのヘッダーデータ構造を示しています。

  typedef struct PageHeaderData
  {
      /* XXX LSN is member of *any* block, not only page-organized ones */
      PageXLogRecPtr pd_lsn;      /* LSN: next byte after last byte of xlog
                                   * record for last change to this page */
      uint16      pd_checksum;    /* checksum */
      uint16      pd_flags;       /* flag bits, see below */
      LocationIndex pd_lower;     /* offset to start of free space */
      LocationIndex pd_upper;     /* offset to end of free space */
      LocationIndex pd_special;   /* offset to start of special space */
      uint16      pd_pagesize_version;
      TransactionId pd_prune_xid; /* oldest prunable XID, or zero if none */
      ItemIdData  pd_linp[FLEXIBLE_ARRAY_MEMBER]; /* line pointer array */
  } PageHeaderData;

  説明

  • pd_lsnは、IVがその解読に必要であるため、暗号化されない。

  • pd_flagsは、ページが暗号化されているかどうかを示す0x800 0フラグを追加します。 pd_flagsは暗号化されません。 このアプローチは、平文ページとの互換性を維持し、増分クラスタのためのTDEの導入を可能にする。

  • pd_checksumは暗号化されません。 このようにして、ページチェックサムを暗号文でチェックできます。

  • 暗号化ファイル

    ユーザーデータを含むファイルは暗号化されます。 たとえば、データディレクトリの次のサブディレクトリ内のファイルは暗号化されます。

    • base/

    • global/

    • pg_tblspc/

    • pg_replslot/

    • pg_stat/

    • pg_stat_tmp/

  • 暗号化する場合

    データページごとに整理されるデータは、ページごとに暗号化されます。 ページデータをディスクに書き込む前に、PageSetChecksumCopyやパラメーターが無効の場合はPageSetChecksumInplaceなどのチェックサム関連パラメーターまたは関数を使用して、チェックサムを計算する必要があります。 チェックサムを計算する前に、ページデータを暗号化する必要があります。 これにより、ストレージ内のユーザーデータが暗号化されます。

• 解読モジュール

  記憶されたページデータは、メモリに読み込まれる前に、チェックサムを用いて検証されなければならない。 検証パラメータが無効になっている場合、検証関数PageIsVerifiedが呼び出されます。 したがって、チェックサム検証後にデータの復号化が行われる限り、メモリ内のデータは復号化される。