PolarDB:Enkripsi Data Transparan (TDE)

Glosarium

Cara kerja

• Key management module

  • Struktur Kunci

    TDE menggunakan struktur kunci dua lapis yang terdiri dari key encryption key (KEK) dan kunci enkripsi data. Kunci enkripsi data mengenkripsi data database, sedangkan KEK mengenkripsi kunci enkripsi data tersebut.

    • Key encryption key (KEK) dan nilai verifikasinya (HMACK): Sistem menjalankan perintah yang ditentukan oleh parameter polar_cluster_passphrase_command dan menghitung hash SHA-512 dari output untuk mendapatkan data sepanjang 64 byte. 32 byte pertama adalah KEK, dan 32 byte terakhir adalah HMACK.

    • Table data encryption key (TDEK) dan WAL data encryption key (WDEK): Kunci-kunci ini dihasilkan oleh penghasil angka acak yang aman dan merupakan kunci aktual yang digunakan untuk enkripsi data dan log WAL. Nilai verifikasi dihasilkan menggunakan algoritma HMAC. Nilai-nilai ini digunakan untuk verifikasi KEK dan disimpan pada penyimpanan bersama.

    KEK dan HMACK diperoleh dari sumber eksternal setiap kali. Misalnya, Anda dapat mengambilnya dari KMS. Untuk tujuan pengujian, Anda dapat menjalankan echo passphrase untuk mendapatkannya. ENCMDEK dan KEK_HMAC harus disimpan pada penyimpanan bersama. Hal ini memastikan bahwa node primary dan read-only dapat membaca file tersebut dan memperoleh kunci enkripsi data aktual saat startup berikutnya. Struktur data adalah sebagai berikut:

    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;

    File ini dihasilkan selama inisialisasi database (initdb), sehingga node standby dapat memperoleh file tersebut menggunakan pg_basebackup.

    Saat kluster sedang berjalan, informasi kontrol terkait TDE disimpan dalam memori proses. Strukturnya adalah sebagai berikut:

    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;

  • Enkripsi Kunci

    Kunci dihasilkan selama inisialisasi database. Prosesnya ditunjukkan pada gambar berikut:

    1. Sistem menjalankan perintah yang ditentukan oleh polar_cluster_passphrase_command untuk memperoleh KEK sepanjang 32 byte dan HMACK sepanjang 32 byte.

    2. Sistem memanggil algoritma penghasil angka acak di OpenSSL untuk menghasilkan MDEK.

    3. Sistem menggunakan MDEK untuk memanggil algoritma HKDF di OpenSSL guna menghasilkan TDEK.

    4. Sistem menggunakan MDEK untuk memanggil algoritma HKDF di OpenSSL guna menghasilkan WDEK.

    5. Sistem menggunakan KEK untuk mengenkripsi MDEK dan menghasilkan ENCMDEK.

    6. Sistem menghasilkan KEK_HMAC dari ENCMDEK dan HMACK menggunakan algoritma HMAC. KEK_HMAC digunakan sebagai informasi verifikasi saat kunci dikembalikan.

    7. Sistem menulis ENCMDEK, KEK_HMAC, dan informasi lain dari struktur KmgrFileData ke file global/kmgr.

  • Dekripsi Kunci

    Saat database crash atau restart, kunci enkripsi data harus dipulihkan dari ciphertext yang tersimpan. Prosesnya adalah sebagai berikut:

    1. Sistem membaca file global/kmgr untuk memperoleh ENCMDEK dan KEK_HMAC.

    2. Sistem menjalankan perintah yang ditentukan oleh polar_cluster_passphrase_command untuk memperoleh KEK dan HMACK.

    3. Sistem menghasilkan KEK_HMAC baru (KEK_HMAC') dari ENCMDEK dan HMACK menggunakan algoritma HMAC. Kemudian, sistem membandingkan KEK_HMAC' dengan KEK_HMAC yang tersimpan. Jika sesuai, proses dilanjutkan. Jika tidak sesuai, kesalahan dikembalikan.

    4. Sistem menggunakan KEK untuk mendekripsi ENCMDEK dan menghasilkan MDEK.

    5. Sistem menggunakan MDEK untuk memanggil algoritma HKDF di OpenSSL guna menghasilkan TDEK. Karena informasi input bersifat deterministik, TDEK yang sama dihasilkan.

    6. Sistem menggunakan MDEK untuk memanggil algoritma HKDF di OpenSSL guna menghasilkan WDEK. Karena informasi input bersifat deterministik, WDEK yang sama dihasilkan.

  • Rotasi kunci

    Rotasi kunci adalah proses mengenkripsi ulang MDEK dengan KEK baru dan menghasilkan file kmgr baru. Ini melibatkan dekripsi MDEK dengan KEK lama, lalu mengenkripsi ulang dengan KEK baru. Prosesnya ditunjukkan pada gambar berikut:

    1. Sistem membaca file global/kmgr untuk memperoleh ENCMDEK dan KEK_HMAC.

    2. polar_cluster_passphrase_command mengembalikan KEK + HMAC sepanjang 64 byte.

    3. Sistem menghasilkan KEK_HMAC baru (KEK_HMAC') dari ENCMDEK dan HMACK menggunakan algoritma HMAC. Kemudian, sistem membandingkan KEK_HMAC' dengan KEK_HMAC yang tersimpan. Jika sesuai, proses dilanjutkan. Jika tidak sesuai, kesalahan dikembalikan.

    4. Sistem menggunakan KEK untuk mendekripsi ENCMDEK dan menghasilkan MDEK.

    5. Sistem menjalankan kembali perintah yang ditentukan oleh polar_cluster_passphrase_command untuk memperoleh KEK baru (new_KEK) dan HMACK baru (new_HMACK).

    6. Sistem menggunakan new_KEK untuk mengenkripsi MDEK dan menghasilkan ENCMDEK baru (new_ENCMDEK).

    7. Sistem menghasilkan KEK_HMAC baru (new_KEK_HMAC) dari new_ENCMDEK dan new_HMACK menggunakan algoritma HMAC. new_KEK_HMAC digunakan sebagai informasi verifikasi untuk pengembalian kunci di masa depan.

    8. Sistem menulis new_ENCMDEK, new_KEK_HMAC, dan informasi lain dari struktur KmgrFileData ke file global/kmgr.

• Encryption module

  Semua data pengguna dienkripsi pada tingkat halaman menggunakan algoritma enkripsi AES-128 atau AES-256. Secara default, AES-256 digunakan. Pasangan (page LSN, page number) digunakan sebagai vektor inisialisasi (IV) untuk enkripsi setiap halaman data. IV memastikan bahwa mengenkripsi teks biasa yang sama berkali-kali menghasilkan ciphertext yang berbeda.

  Struktur data header setiap halaman adalah sebagai berikut:

  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;

  Catatan

  Di mana:

  • Enkripsi tidak didukung untuk pd_lsn karena dekripsi memerlukan vektor inisialisasi (IV).

  • Bidang pd_flags mencakup flag 0x8000 untuk menunjukkan apakah halaman dienkripsi. Flag ini tidak dienkripsi, sehingga memberikan kompatibilitas mundur untuk membaca halaman teks biasa dan memungkinkan Anda mengaktifkan TDE pada kluster yang sudah ada.

  • pd_checksum tidak dienkripsi, sehingga checksum halaman dapat diverifikasi terhadap ciphertext.

  • File Terenkripsi

    File yang berisi data pengguna dienkripsi. Misalnya, file dalam subdirektori berikut dari direktori data dienkripsi:

    • base/

    • global/

    • pg_tblspc/

    • pg_replslot/

    • pg_stat/

    • pg_stat_tmp/

  • Kapan Mengenkripsi

    Data diorganisir menjadi halaman dan dienkripsi pada tingkat halaman. Sebelum halaman ditulis ke disk, checksum-nya dihitung. Bahkan jika checksum dinonaktifkan, fungsi terkait checksum seperti PageSetChecksumCopy atau PageSetChecksumInplace tetap dipanggil. Oleh karena itu, proses enkripsi terjadi tepat sebelum checksum dihitung untuk memastikan bahwa semua data pengguna pada media penyimpanan dienkripsi.

• Decryption module

  Saat halaman dibaca dari penyimpanan ke memori, checksum-nya diverifikasi. Bahkan jika checksum dinonaktifkan, fungsi PageIsVerified tetap dipanggil. Oleh karena itu, proses dekripsi terjadi segera setelah checksum diverifikasi untuk memastikan bahwa data di memori berada dalam bentuk teks biasa.