使用KMS信封加密在本地加密和解密数据 - 密钥管理服务

阿里云用户在云上部署IT资产，需要对敏感数据进行加密保护。如果被加密的数据对象较大，则可以通过KMS的密码运算API在线生成数据密钥，用离线数据密钥在本地加密大量数据。这类加密模式叫作信封加密。

背景信息

典型的场景包括（但不限于）：

对业务数据文件的加密
对全磁盘数据加密

本文以加密本地文件为例，介绍如何使用KMS实现对数据的信封加密，以及如何解密被信封加密的数据。

加密和解密的原理

使用KMS创建一个主密钥，使用主密钥生成一个数据密钥，再使用数据密钥在本地加解密数据。这种场景适用于大量数据的加解密。具体架构如下所示：

信封加密操作流程如下：
1. 通过KMS控制台，或者调用CreateKey，创建一个用户主密钥。
2. 调用GenerateDataKey创建一个数据密钥。KMS会返回一个明文的数据密钥和一个密文的数据密钥。
3. 使用明文的数据密钥加密文件，产生密文文件，然后销毁内存中的明文密钥。
4. 用户将密文数据密钥和密文文件一同存储到持久化存储设备或服务中。
信封解密操作流程如下：
1. 从本地文件中读取密文数据密钥。
2. 调用KMS服务的Decrypt，将加密过的密钥解密为明文密钥。
3. 用明文密钥为本地数据解密，再销毁内存中的明文密钥。

加密和解密的API

您可以调用以下KMS API，在本地对数据进行加解密。

API名称	说明
CreateKey	创建用户主密钥（CMK）。
CreateAlias	为指定用户主密钥创建一个别名。
GenerateDataKey	在线生成数据密钥，用指定CMK加密数据密钥后，返回数据密钥的密文和明文。
Decrypt	解密KMS直接加密的数据（包括GenerateDataKey产生的数据密钥的密文），不需要指定CMK。

加密和解密本地文件

说明

阿里云账号AccessKey拥有所有OpenAPI的访问权限，建议您使用RAM用户进行API访问或日常运维。强烈建议不要把AccessKey ID和AccessKey Secret保存到工程代码里，否则可能导致AccessKey泄露，威胁您账号下所有资源的安全。

本示例以将AccessKey配置在环境变量ALIBABA_CLOUD_ACCESS_KEY_ID和ALIBABA_CLOUD_ACCESS_KEY_SECRET的方式来实现身份验证为例。

更多认证信息配置方式，请参见客户端与凭证。
不同操作系统的环境变量配置方法不同，具体操作，请参见在Linux、macOS和Windows系统配置环境变量。

您可以通过阿里云CLI创建用户主密钥，加密和解密本地文件。

调用CreateKey，创建用户主密钥。

aliyun kms CreateKey

预期输出：

{
  "KeyMetadata": {
    "CreationDate": "2019-04-08T07:45:54Z",
    "Description": "",
    "KeyId": "1234abcd-12ab-34cd-56ef-12345678****",
    "KeyState": "Enabled",
    "KeyUsage": "ENCRYPT/DECRYPT",
    "DeleteDate": "",
    "Creator": "151266687691****",
    "Arn": "acs:kms:cn-hangzhou:151266687691****:key/1234abcd-12ab-34cd-56ef-12345678****",
    "Origin": "Aliyun_KMS",
    "MaterialExpireTime": ""
  },
  "RequestId": "2a37b168-9fa0-4d71-aba4-2077dd9e80df"
}

（可选）给主密钥添加别名。
别名是用户主密钥的可选标识。如果用户不创建别名，也可以直接使用密钥的ID。
```
aliyun kms CreateAlias --AliasName alias/Apollo/WorkKey --KeyId 1234abcd-12ab-34cd-56ef-12345678****
```
说明
其中，Apollo/WorkKey表示Apollo项目中的工作密钥（当前被用于加密的密钥）。您可以在后续示例代码中使用别名（alias/Apollo/WorkKey）调用加密API。

加密本地文件。

示例代码中：

用户主密钥：别名为alias/Apollo/WorkKey。
明文数据文件：./data/sales.csv。
输出的密文数据文件：./data/sales.csv.cipher。

#!/usr/bin/env python
#coding=utf-8

import json
import base64

from Crypto.Cipher import AES

from aliyunsdkcore import client
from aliyunsdkkms.request.v20160120 import GenerateDataKeyRequest

def KmsGenerateDataKey(client, key_alias):
    request = GenerateDataKeyRequest.GenerateDataKeyRequest()
    request.set_accept_format('JSON')
    request.set_KeyId(key_alias)
    request.set_NumberOfBytes(32)
    response = json.loads(client.do_action(request))

    datakey_encrypted = response["CiphertextBlob"]
    datakey_plaintext = response["Plaintext"]
    return (datakey_plaintext, datakey_encrypted)

def ReadTextFile(in_file):
  file = open(in_file, 'r')
  content = file.read()
  file.close()
  return content

def WriteTextFile(out_file, lines):
  file = open(out_file, 'w')
  for ln in lines:
    file.write(ln)
    file.write('\n')
  file.close()

# Out file format (text)
# Line 1: b64 encoded data key
# Line 2: b64 encoded IV
# Line 3: b64 encoded ciphertext
# Line 4: b64 encoded authentication tag
def LocalEncrypt(datakey_plaintext, datakey_encrypted, in_file, out_file):
  data_key_binary = base64.b64decode(datakey_plaintext)
  cipher = AES.new(data_key_binary, AES.MODE_EAX)

  in_content = ReadTextFile(in_file)
  ciphertext, tag = cipher.encrypt_and_digest(in_content)

  lines = [datakey_encrypted, base64.b64encode(cipher.nonce), base64.b64encode(ciphertext), base64.b64encode(tag)];
  WriteTextFile(out_file, lines)

clt = client.AcsClient(os.getenv("ALIBABA_CLOUD_ACCESS_KEY_ID"),os.getenv("ALIBABA_CLOUD_ACCESS_KEY_SECRET"),'Region-Id')

key_alias = 'alias/Apollo/WorkKey'

in_file = './data/sales.csv'
out_file = './data/sales.csv.cipher'

# Generate Data Key
datakey = KmsGenerateDataKey(clt, key_alias)

# Locally Encrypt the sales record
LocalEncrypt(datakey[0], datakey[1], in_file, out_file)

解密本地文件。

示例代码中：

密文数据文件：./data/sales.csv.cipher。
输出的明文数据文件：./data/decrypted_sales.csv。

#!/usr/bin/env python
#coding=utf-8

import json
import base64

from Crypto.Cipher import AES

from aliyunsdkcore import client
from aliyunsdkkms.request.v20160120 import DecryptRequest

def KmsDecrypt(client, ciphertext):
  request = DecryptRequest.DecryptRequest()
  request.set_accept_format('JSON')
  request.set_CiphertextBlob(ciphertext)
  response = json.loads(client.do_action(request))
  return response.get("Plaintext")

def ReadTextFile(in_file):
  file = open(in_file, 'r')
  lines = []
  for ln in file:
    lines.append(ln)
  file.close()
  return lines

def WriteTextFile(out_file, content):
  file = open(out_file, 'w')
  file.write(content)
  file.close()

def LocalDecrypt(datakey, iv, ciphertext, tag, out_file):
  cipher = AES.new(datakey, AES.MODE_EAX, iv)
  data = cipher.decrypt_and_verify(ciphertext, tag).decode('utf-8')
  WriteTextFile(out_file, data)

clt = client.AcsClient(os.getenv("ALIBABA_CLOUD_ACCESS_KEY_ID"),os.getenv("ALIBABA_CLOUD_ACCESS_KEY_SECRET"),'Region-Id')

in_file = './data/sales.csv.cipher'
out_file = './data/decrypted_sales.csv'

# Read encrypted file
in_lines = ReadTextFile(in_file)

# Decrypt data key
datakey = KmsDecrypt(clt, in_lines[0])

# Locally decrypt the sales record
LocalDecrypt(
  base64.b64decode(datakey),
  base64.b64decode(in_lines[1]), # IV
  base64.b64decode(in_lines[2]), # Ciphertext
  base64.b64decode(in_lines[3]), # Authentication tag
  out_file
  )