对象存储OSS数据加密整体解决方案介绍

2022-04-23 15:05:54

一、简介

数据保护是指数据传输（上传数据至OSS、从OSS下载数据）和处于静止状态（数据存储在OSS数据中心磁盘）期间保护数据。可以使用SSL或者客户端加密保护传输中的数据。也可以采用以下方式保护静态数据：

使用服务器端加密 (SSE) --OSS将数据保存到数据中心的磁盘之前进行加密，并且在下载对象时自动进行解密；
使用客户端加密(CSE) --可以使用客户端加密SDK，在本地进行数据加密，并将加密后的数据上传到OSS。在这种场景下，用户需要管理加密过程以及加密密钥。

二、使用服务器端（SSE）加密保护数据

使用服务器端加密方式保护静态数据，即OSS将用户数据写入数据中心内的磁盘时，会在对象级别加密数据，并且在访问这些数据时自动解密。用户只需要验证请求是否拥有访问权限。当前OSS支持如下两种服务端加密方式（注意：不能对同一对象同时应用两种不同类型的服务器端加密方式）：

使用由OSS完全托管的服务端加密功能(SSE-OSS)：数据加密密钥的生成和管理，由OSS负责，并采用高强度、多因素的安全措施进行保护。数据加密的算法采用使用行业标准的强加密算法AES-256（即256位高级加密标准）。
使用由KMS托管密钥的服务端加密功能(SSE-KMS)：除了采用AES-256加密算法外，KMS负责保管用户主密钥CMK（对数据密钥进行加密的密钥），以及生成数据加密的密钥，通过信封加密机制，进一步防止未经授权的数据访问。其中，会涉及少量额外的KMS密钥API调用费用（参考：KMS计费标准）。

2.1使用由KMS托管密钥的服务器端加密(SSE-KMS)

阿里云KMS（Key Management Service）是一项安全、高度可靠的密钥管理系统。当用户上传Object时，在请求中携带x-oss-server-side-encryption 的HTTP Header，并指定其值为KMS，KMS将使用系统默认创建的CMK加密该对象，若用户在请求中指定了X-OSS-server-side-encrpytion-key-id，那么OSS将使用指定的CMK进行加解密。使用用户自主指定的CMK能够提供更大的灵活性，包括创建、轮转、禁用和自定义访问控制，以及审核用于保护数据的加密密钥能力。

如上是SSE-KMS服务端加密的逻辑示意图。关于Customer Master Key的生成方式有多种，如下一一介绍：

使用OSS默认托管的KMS密钥：当用户上传object时，在请求中携带X-OSS-server-side-encrpytion并指定其值为KMS。OSS将使用默认托管的CMK加密每个对象，并且在下载时自定解密；
使用用户指定的CMK :当用户上传object时，在请求中指定X-oss-server-side-encrpytion-key-id为具体的CMK ID。OSS将使用指定的CMK（密钥材料来源于阿里云KMS）来加密每个对象。并且加密object的CMK ID记录到对象的元数据中，因此具有解密权限的用户下载对象时自动进行解密。
使用用户BYOK材料进行加密：目前阿里云KMS服务支持导入用户自己的BYOK密钥材料。如下图所示，用户创建1个不带密钥材料的CMK，并按照提示导入外部密钥材料。当用户上传object时，在请求中指定X-oss-server-side-encrpytion-key-id为使用外部密钥材料的CMK ID。

注意：

•    当首次向某区域中的bucket上传对象时，系统自动为您创建1个默认的CMK。用户可以在KMS控制台查看该密钥信息；
•    可以选择自行创建和管理的加密密钥（CMK），也可以选择使用由OSS服务按照Region级别为客户生成的默认服务密钥；
•    响应中的ETAG不是对象数据的MD5；
•    可以在控制台创建、轮换或者禁用主密钥；
•    用户需要实现开通KMS服务；
•    使用“服务端加密-KMS托管主密钥”加解密对象时，会产生一定的KMS请求调用费用；
•    用于加密数据的数据密钥也会被加密，并且作为Object的元数据信息一并存储；
•    KMS托管密钥的服务器端加密方式仅加密对象数据，不会加密任何对象的元数据；

目前以下操作，支持在请求中携带x-oss-server-side-encryption 以及X-oss-server-side-encrpytion-key-idHeader头：

•    Put Object: 简单上传
•    Copy Object: 复制Object
•    Initiate Multipart Upload:

通过服务器端加密存储的object时，以下API请求中OSS会返回x-oss-server-side-encryption头以及X-oss-server-side-encrpytion-key-id：

•    Put Object
•    Post Object
•    Copy Object
•    Initiate Multipart Upload
•    Upload Part
•    Complete Multipart Upload
•    Get Object
•    Head Object

2.2使用由OSS完全托管加密密钥的服务器端加密（SSE-OSS）

服务器端加密是为了保护静态数据，使用OSS完全托管加密密钥的服务器端加密，采用了诸多强安全措施进行加密。当用户创建对象时（即上传新对象或者复制现有对象），只需要在请求中携带x-oss-server-side-encryption标头，并且指定其值为AES256。即可实现OSS完全托管加密密钥的服务器端加密。OSS使用AES256加密方式加密客户的数据，作为额外的保护，系统采用CMK主密钥加密密钥本身。
以下操作,支持在请求中携带这些HTTP Header:

•    Put Object: 简单上传
•    Copy Object: 复制Object
•    Initiate Multipart Upload:

使用multipart upload上传大型对象时，可以通过为每个分段上传请求添加x-oss-server-side-encryption标头来指定服务器端加密。调用copy object时，无论原对象是否已经加密，都不会加密目标对象，除非显示的在拷贝操作中指定了x-oss-server-side-encryption请求头。

3.使用客户端(CSE)加密保护数据

客户端加密是指将数据发送到OSS之前在用户本地进行加密，对于数据加密密钥的使用，目前支持如下两种方式：

使用KMS托管用户主密钥（CSE-KMS）
使用用户自主管理密钥（CSE-C）

3.1使用KMS托管用户主密钥（CSE-KMS）

当使用KMS托管用户主密钥用于客户端数据加密时，无需向OSS加密客户端提供任何加密密钥。只需要在上传对象时指定KMS用户主密钥ID（也就是CMK ID）。其具体工作原理如下：

上传对象：--通过使用CMK ID，客户端首先会向KMS发送一个请求，申请1个用于加密对象的数据密钥（Data key）。作为响应，KMS会返回一个随机生成的数据明文密钥（Data key），以及数据密文密钥（Encrypted data key）；
- 本地加密数据：--本地客户端接收到KMS返回的数据明文密钥(Data key)以及数据密文密钥(Encrypted data key）后，将使用数据明文密钥(**Data key)进行本地加密，并且将加密后的对象以及数据密文密钥(Encrypted data key）上传至OSS；
下载对象：--客户端首先会从OSS服务端下载加密的对象以及作为对象元数据存储的数据密文密钥(Encrypted data key）。
- 解密数据：客户端将数据密文密钥(Encrypted data key）以及CMK ID发送至KMS服务器。作为响应，KMS将使用指定的CMK解密，并且将数据明文密钥(Data key)返回给本地加密客户端；

注意：
•    本地加密客户端为每一个上传的对象获取一个唯一的数据加密密钥；
•    为了保证数据的安全性，建议CMK定期轮换或者更新；
•    客户需要维护CMK ID与对象之间的映射关系；

3.2使用用户自主管理密钥（CSE-C）

使用用户自主管理密钥，需要用户自主生成、保管加密密钥。当用户本地客户端加密时，由用户自主上传加密密钥（对称加密密钥或者非对称加密密钥）至本地加密客户端。其具体加密过程如下：

上传对象：--用户首先向本地加密客户端提供1个用户主密钥（对称密钥或者非对称密钥）。客户端只使用此主密钥加密其随机生成的数据密钥。该过程如下：
- OSS本地加密客户端会在本地生成一个一次性的对称密钥（Data Key）。它将用于加密单个对象（针对每个对象，客户端都会随生成1个数据密钥）；
- 客户端使用“数据密钥(Data key)”加密对象；
- 客户端使用用户提供的主密钥来加密“数据密钥(Data key)”；
- 客户端会将加密的数据密钥（Encrypted Data Key）作为对象元数据的一部分上传至OSS。
下载对象：--下载对象时，客户端首先从OSS下载加密的对象以及元数据。通过使用元数据中的材料，客户端将授权会确定使用哪个主密钥来解密加密的数据密钥（Encrypted Data Key）。客户端解密后的数据密钥（Data Key）来解密对象。

注意：
•OSS本地加密客户端不会将用户主密钥以及未加密的数据发送至OSS。所以，请务必妥善保管加密密钥，如果密钥丢失，将无法解密数据；
•    数据密钥（Data Key）由本地加密客户端随机生成；

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