根密钥保护的困境与思考
原创
引言
根密钥保护，是一个重要且复杂的议题，因为根密钥是整个加密体系中最核心的部分。
这里所说的根密钥，其背后往往涉及的是一个密钥保护链，这个密钥保护链最终服务的就是业务系统中的敏感数据。
密钥与数据
隐藏明文数据
加密数据
对于意识到敏感数据不能直接明文暴露的开发者或产品团队来说，往往会直接选择对称加密算法来对数据做加密，以达到隐藏明文数据的效果。
这里最常见的对称加密算法包括 AES-CBC、AES-GCM、SM4 等，这些算法同时兼顾了运算性能和安全性，对业务的运行带来的影响可以降到最低。
比如使用易加密工具进行 AES-CBC 模式加密数据：
# 安装工具
❯ pip install easy-encryption-tool
# 使用工具
❯ easy_encryption_tool aes -m cbc -a encrypt -i "张三 13211092209 421097199809232342"
------ df05f9767a73cfe7 begin@2024-05-18_10:21:07.701 ------
plain size:37
key:kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk
iv:vvvvvvvvvvvvvvvv
cipher size:48
cipher:+m+O07MYtdafbFXtpIJYc0B5K1SXMbC/z+4yTUeNG1C9dTMJfcwVZnNSQbUPRKz7
auth_tag_size:0
auth_tag:
------ df05f9767a73cfe7 took 1.841 milli-seconds to execute ------上述代码片段中，模拟对敏感数据 张三 13211092209 421097199809232342 （假设这里的数据代表的含义是：用户名、电话号码、身份证）进行了加密；
最终得到了密文：
+m+O07MYtdafbFXtpIJYc0B5K1SXMbC/z+4yTUeNG1C9dTMJfcwVZnNSQbUPRKz7；
对数据加密使用的密钥是：kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk；
对数据加密使用的 IV 是：vvvvvvvvvvvvvvvv。
解密数据
当然，使用同样的密钥和 IV，可以将密文还原为明文。
❯ easy_encryption_tool aes -m cbc -a decrypt -i "+m+O07MYtdafbFXtpIJYc0B5K1SXMbC/z+4yTUeNG1C9dTMJfcwVZnNSQbUPRKz7" -e -k "kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk" -v "vvvvvvvvvvvvvvvv"
------ cd5710a1a54718e1 begin@2024-05-18_10:29:04.131 ------
cipher size:48
plain size:37
str plain:张三 13211092209 421097199809232342
------ cd5710a1a54718e1 took 1.824 milli-seconds to execute ------但是如果使用错误的密钥或者 IV，那么将无法得到明文数据或得到错误的明文数据：
❯ easy_encryption_tool aes -m cbc -a decrypt -i "+m+O07MYtdafbFXtpIJYc0B5K1SXMbC/z+4yTUeNG1C9dTMJfcwVZnNSQbUPRKz7" -e -k "xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx" -v "vvvvvvvvvvvvvvvv"
------ 03b05e83d7782242 begin@2024-05-18_10:31:31.223 ------
decrypt +m+O07MYtdafbFXtpIJYc0B5K1SXMbC/z+4yTUeNG1C9dTMJfcwVZnNSQbUPRKz7 failed:Invalid padding bytes.
------ 03b05e83d7782242 took 1.921 milli-seconds to execute ------更多关于如何正确使用 AES 对称加密算法的内容，可以参考我以前的文章：
《30分钟搞定AES系列（中）：PaddingOracle填充攻击分析与启示》
保留数据特征以方便查找或比对
使用哈希算法
对于一些业务系统来说，在成功的隐藏数据之后，也需要能够依据某些数据特征，对数据进行比对。
比如对于明文数据：张三 13211092209 421097199809232342，再通过对称加密将其变为密文数据后，在一些关键的查找逻辑上，我需要知道此时的明文数据究竟是不是可以匹配上，但是明文又不能直接暴露或存储，因此此时会有业务系统考虑使用 hash 算法对明文做特征提取，比如使用 sha256：
❯ echo "张三 13211092209 421097199809232342" > test_data.bin
❯ cat test_data.bin
张三 13211092209 421097199809232342
❯ sha256sum test_data.bin
278dfdadc035c68bc6709c2efd0eb63035dfbf15a5e5c852020e63d78bf95a4f test_data.bin使用高强的哈希算法是一种不错的选择，但是对于某些固定的数据，如手机号码、身份证号号码等，由于 hash 算法本身的一些特性，对于已经掌握了部分敏感数据的人来说，还是容易对数据做出碰撞，比如假设某些黑客已经有了大量的明文手机号码库或身份证号码库，那么对这些数据算出其固定的 hash 值是很简单的，使用这些计算出来的值再去对业务系统的数据做碰撞比对，难度会降低很多。
使用HMAC
使用 HMAC 可能是比哈希算法更安全的做法。
❯ easy_encryption_tool hmac -i "张三 13211092209 421097199809232342" -k "my_hmac_key_for_data"
------ 84bcb95eb9a698a8 begin@2024-05-18_10:46:58.079 ------
data size:37Bytes
key:my_hmac_key_for_data
hmac:af66a2dd2fcc5d89b1d6ea019a169222bcf098ab177da672d4b8115054b7543e
------ 84bcb95eb9a698a8 took 0.028 milli-seconds to execute ------使用 HMAC 时，可以引入 HMAC 的密钥：my_hmac_key_for_data，以此增加复杂度，降低数据被碰撞的概率。
当然这里讲的碰撞并不是指在算法层面做碰撞，而是如前面所提到的，是指在掌握了一部分明文数据后，基于明文数据直接算出其 HASH 值，然后使用 HASH 值做比对的碰撞。
更多关于哈希算法和 HMAC 算法使用的内容可以参考我以前的文章：
密钥的安全性成为了关键
从上面的代码示例其实不难得出，对数据的保护，其实就是对密钥的保护。
无论是对称加密的密钥：kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk 还是数据 HMAC 密钥：my_hmac_key_for_data，二者的泄露，尤其是对称密钥的泄露，将会对数据的安全性造成极大的隐患。
密钥的链式保护
密钥本身也是一种数据，因此，数据的保护依赖于数据密钥，而数据密钥的保护，又依赖于保护数据密钥的密钥，这里我们统一称其为根密钥。
基于根密钥的密钥保护链，构成了数据保护的一种范式。
根密钥的重要性
根密钥是整个链式保护体系的信任基础，根密钥的泄露将会导致整个信息体系的崩塌。
- 信任的起点：根密钥是构建信任的起点，所有的加密操作和数据保护措施都建立在根密钥的安全性之上。
- 数据保护的核心：根密钥是数据保护的核心，它直接影响到数据的机密性、完整性和可用性。
- 安全策略的支撑：根密钥支撑着整个组织的安全策略，包括访问控制、数据加密、身份验证等。
- 合规性的基础：根密钥的安全管理是满足法律、法规和合规性要求的基础。
- 灾难恢复的关键：在灾难恢复计划中，根密钥的安全性和可恢复性是重建加密体系的关键。
- 风险管理的重点：根密钥是风险管理的重点，需要通过各种安全措施来降低其风险。
- 业务连续性的保障：根密钥的安全性直接关系到业务连续性，一旦根密钥受到威胁，可能会对业务运营产生严重影响。
静态的根密钥带来的问题
常见的密钥保护体系有以下几种：
从图中不能发现，静态的根密钥具有单点风险，大致可以描述为：
- 固定的攻击目标：静态的根密钥为攻击者提供了一个固定的攻击目标。如果攻击者能够破解或获取这把密钥，他们就能够访问所有使用该根密钥派生出的密钥所保护的数据。
- 长期风险：随着时间的推移，密钥的安全性可能会因为技术进步（如量子计算的发展）或安全漏洞的发现而降低。固化的根密钥无法适应这些变化，增加了长期安全风险。
- 密钥泄露：如果根密钥在任何时候被泄露，由于它是静态的，攻击者可以持续利用这个密钥来解密数据，即使数据是在密钥泄露之前加密的。
- 缺乏灵活性：静态根密钥限制了密钥管理策略的灵活性。例如，在需要快速响应安全事件或政策变更时，固化的根密钥可能无法及时更新或替换。
- 技术演进的挑战：随着加密技术的发展，可能需要更安全或不同类型的根密钥来适应新的加密算法或标准。静态根密钥无法灵活适应这些技术演进。
- 合规性问题：某些法规或标准可能要求定期更换密钥以保持数据的安全性。静态根密钥可能无法满足这些合规性要求。
- 单点依赖性问题：系统和应用程序可能过度依赖单一的根密钥，这增加了因根密钥问题导致的系统性风险。
根密钥的动态化
根密钥的动态化是链式密钥保护体系中比较好的一种落地方式。
有助于提高整个加密体系的安全性和灵活性。
根密钥的池化
池化的根密钥，可以有以下好处：
- 分散风险：通过使用根密钥池，风险不再集中在单一的密钥上。即使某个密钥受到威胁，也不会导致整个系统的安全受到破坏。
- 提高可用性：在某些密钥不可用或需要维护时，根密钥池可以提供备用密钥，保证服务的连续性和可用性。
- 适应性强：根密钥池可以根据安全需求的变化快速调整，比如增加密钥数量或更新密钥算法。
- 合规性支持：某些法规或标准可能要求对密钥进行更严格的管理，根密钥池可以更好地满足这些要求。
- 负载均衡：在密钥使用频率较高的情况下，根密钥池可以分散密钥生成和加密解密的工作负载，提高系统的整体性能。
根密钥的定期轮换
自动轮转的根密钥可以带来以下显而易见的好处：
- 降低泄露风险：自动轮转减少了密钥被泄露后所带来的长期风险，因为密钥的有效时间被限制在一定范围内。
- 提高安全性：定期更换密钥可以确保加密强度与最新的安全标准保持一致，有助于防止老旧或已被破解的算法被继续使用。
- 减少攻击窗口：即使攻击者发现了某种破解方法，由于密钥会定期更换，这种方法的有效性也会受到限制。
- 简化密钥管理人为干预：自动化的轮转流程简化了密钥管理，减少了人为错误和操作复杂性。
- 提高安全响应速度：在安全事件发生时，自动轮转可以迅速切断旧密钥的使用，减少潜在损失。
- 提升安全弹性：在密钥被泄露的情况下，自动轮转可以快速恢复系统的安全性，减少对业务的影响。
- 适应技术演进：随着加密技术的不断演进，自动轮转机制可以确保根密钥及时更新，以适应新的加密技术。
根密钥访问管理
人的身份认证问题
物理访问控制
对于物理密码设备的访问，严格遵守多因素访问控制流程是一种推荐的做法。
理论上，我们可以从以下几方面来验证人的身份：
- 知识因素：用户必须需要输入密码或口令，这是他们所知道的信息。
- 拥有因素：用户必须插入一个物理令牌或智能卡，这是他们所拥有的身份标识。
- 生物因素：在允许的情况下，用户有必要进行生物识别，如指纹扫描或面部识别。
远程访问控制
对于基于网络远程访问的路径，其多因素认证流程大致如下：
- 密码或口令：户必须需要输入密码或口令，这是他们所知道的信息。
- 一次性密码（OTP）：系统发送一个一次性密码到用户的手机或邮箱上，用户需要输入这个OTP。
- 二次验证：如果可能的话，还需要要求用户回答一个安全问题或进行其他形式的身份验证。
程序的身份认证问题
程序的身份认证始终都是一个难题，尤其在涉及到程序访问根密钥时，很容易陷入无限依赖的情况。
比如通过为程序颁发数字证书，只有数字证书校验通过才允许程序访问根密钥，但是如果数字证书被泄露或被中间人窃听，那么最后还是会陷入到对身份根证书的无限依赖中。
程序的身份认证最终的问题是要解决好在安全性、可用性、性能和成本之间平衡的问题。、
如果对于程序的身份验证也引入类似于多因素认证的逻辑步骤，难么对于常规的分布式、多集群的业务，将会带来巨量的运维和维护成本，并且会对业务系统自身的可扩展性带来巨大的伤害。
当然，除开技术手段的原因外，内部人员带来的威胁也是一个巨大的隐患。内部人员很可能由于疏忽或恶意行为，绕过身份认证机制，导致安全策略失效。
对于运维场景下的低频运行的程序，可以适当引入多因素的身份认证，以解决身份泄露导致的根密钥泄露问题。而对于常规的分布式、集群化的业务程序，则更需要配合事前、事中、事后的监测手段，来收敛爆炸面积，降低风险带来的损伤。
职业道德与安全意识的培养
无法通过技术手段闭环的安全问题，最终几乎都是人的问题。
职业道德的培养有助于建立一个信任的环境，员工会主动保护根密钥和身份认证信息，避免内部威胁的发生。
职业道德还涉及到对员工进行道德和法律后果的教育，使他们意识到违反安全规定可能带来的严重后果。
安全意识的提高有助于员工在日常工作中采取正确的行为，比如警惕钓鱼邮件、使用强密码、及时报告可疑行为等。
安全意识还体现在编码和运维场景中，比如：
- 遵循安全编码的最佳实践，如输入验证、错误处理、数据加密、安全配置等，以减少安全漏洞
- 定期进行代码审查，以发现和修复潜在的安全问题。这可以通过自动化工具或人工审查来实现
- 谨慎管理第三方库和依赖，确保它们是安全的，并且及时更新以修复已知的安全漏洞
- 在开发过程中集成安全测试，包括静态代码分析、动态代码分析和渗透测试，以识别和修复安全缺陷
- 在设计系统时，确保应用程序和服务运行在最低必要的权限下，以减少潜在的安全风险
- 及时应用安全补丁和更新，以保护系统免受已知漏洞的攻击
- 制定和实施数据备份和灾难恢复计划，确保在安全事件发生时能够快速恢复服务
- 使用配置管理工具来跟踪和控制系统配置，防止配置被拷贝造成数据泄露
总的来说，职业道德和安全意识培养是根密钥保护和身份认证保护的基石，它们是主动安全防护中的关键一环。
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