KMS のエンベロープ暗号化でデータをデータベースに保存する方法 ── 暗号化したデータキーを一緒に持つ

前提条件

1. リージョン: ap-northeast-1（東京）
2. 以下のリソースが作成済みであること

まだ用意していない場合は、「作り方の参考」の記事の手順で作れます。リソース名は、この記事の名前に読み替えてください。

作成するリソース一覧

手順 1: KMS キーを確かめる

AWS マネジメントコンソールにログインし、リージョンが ap-northeast-1（東京）であることを確認します。上部の検索バーに KMS と入力し、「Key Management Service」を選択します。左側ナビゲーションの「カスタマー管理型のキー」で、エイリアスが dva-envelope-lab のキーを開きます。「暗号化設定」タブで、キーのタイプが「対称」、キーの用途が「暗号化および復号化」であることを確認します。

手順 2: スクリプトを用意する

コンソール上部の CloudShell のアイコンから CloudShell を開き、使うライブラリを入れます。

pip3 install --user boto3 cryptography

次の内容で envelope.py を作ります（cat > envelope.py <<'EOF' で貼り付け、最後に EOF と入力します）。

import os
import sys

import boto3
from cryptography.hazmat.primitives.ciphers.aead import AESGCM

kms = boto3.client("kms", region_name="ap-northeast-1")
table = boto3.resource("dynamodb", region_name="ap-northeast-1").Table("dva-secure-records")
KEY_ID = "alias/dva-envelope-lab"


def put(record_id, plaintext):
    # 1. データキーをもらう（平文と、KMS キーで暗号化したものの 2 つが返る）
    dk = kms.generate_data_key(KeyId=KEY_ID, KeySpec="AES_256")
    # 2. 平文のデータキーで、手元でデータを暗号化する
    nonce = os.urandom(12)
    ciphertext = AESGCM(dk["Plaintext"]).encrypt(nonce, plaintext.encode("utf-8"), None)
    # 3. 暗号文と「暗号化したデータキー」を一緒に保存する。平文のデータキーは保存しない
    table.put_item(Item={
        "record_id": record_id,
        "ciphertext": ciphertext,
        "nonce": nonce,
        "encrypted_data_key": dk["CiphertextBlob"],
    })
    print(f"saved {record_id}: ciphertext {len(ciphertext)} bytes, encrypted data key {len(dk['CiphertextBlob'])} bytes")


def get(record_id):
    item = table.get_item(Key={"record_id": record_id})["Item"]
    # 4. 暗号化したデータキーを KMS で復号し、手元でデータを復号する
    data_key = kms.decrypt(CiphertextBlob=item["encrypted_data_key"].value)["Plaintext"]
    plaintext = AESGCM(data_key).decrypt(item["nonce"].value, item["ciphertext"].value, None)
    print(f"{record_id}: {plaintext.decode('utf-8')}")


if __name__ == "__main__":
    if sys.argv[1] == "put":
        put(sys.argv[2], sys.argv[3])
    else:
        get(sys.argv[2])

手順 3: 暗号化して保存する

次のコマンドで、レコードを暗号化して保存します。

python3 envelope.py put customer-001 "name=Banana Taro, card=4111-1111-1111-1111"

暗号文と暗号化したデータキーのバイト数が表示されます。

DynamoDB のコンソールの左側ナビゲーションで「項目を探索」を選択し、テーブルの一覧から dva-secure-records を選んで、customer-001 のリンクを開きます。ciphertext・nonce・encrypted_data_key はバイナリ（Base64 で表示）で、どこにも元の文字列やデータキーの平文は入っていません。

手順 4: 保存したものだけで復号する

次のコマンドで、テーブルから読み出したものだけを使って復号します。

python3 envelope.py get customer-001

customer-001: name=Banana Taro, card=4111-1111-1111-1111 と、元のレコードが表示されます（画像ではカード番号の部分を伏せています）。スクリプトは KMS キーの ID を Decrypt に渡していませんが、暗号化したデータキーにどの KMS キーで暗号化したかが含まれているので、復号できます。

手順 5: KMS の使用状況を確かめる

KMS キーへのリクエストは CloudTrail に記録されます。CloudTrail のコンソールの「イベント履歴」で、イベントソース kms.amazonaws.com に絞ると、GenerateDataKey と Decrypt のイベントが記録されていることを確認できます（反映まで数分かかることがあります）。データの暗号化そのものは手元で行ったので、KMS に記録されるのはデータキーのやり取りだけです。