使用 Envelope Encryption 保护敏感数据

发布: 1周前 (2025年12月30日 GMT+8 21:39)

8 min read

原文: Dev.to

Source: Dev.to

Envelope encryption 是一种使用两层加密来保护敏感数据的技术。

第一层： 使用对称加密算法和随机生成的 数据加密密钥 (DEK) 对数据进行加密，以保护实际的明文。
第二层： 使用 密钥加密密钥 (KEK) 对 DEK 进行加密（或包装）。KEK 通常是存放在 KMS 或 HSM 中并受到保护的长期密钥，且可以是对称的也可以是非对称的，具体取决于系统。

这种两级方案确保了 DEK 和已加密数据的安全性。Envelope encryption 被广泛用于主要云平台提供的集中式密钥管理系统（KMS）中。

在本文中，我们将通过一个简单的示例实现来探讨该技术的工作原理。

什么是信封加密的好处？

更强的安全性
在大多数生产环境中，KEK 存储并受托管在由 HSM 支持的 KMS 中，确保它永远不会离开安全硬件边界。由于解封 DEK 需要 KEK，攻击者即使获取了加密数据也无法解密密文——没有 KEK 无法恢复 DEK 本身。
简化的密钥管理
信封加密允许组织在一个或多个 KEK 下管理大量 DEK，显著降低运营复杂性。KEK 可以在不重新加密所有数据的情况下进行轮换，因为已有的加密 DEK 仍可使用旧的 KEK 版本。这使得大规模密钥轮换成为可能，并将对底层数据存储的影响降至最低。

加密流程

现在我们已经介绍了信封加密的基础概念，下面通过一个简单的实现来演示如何使用该技术加密敏感数据——例如信用卡号。

// Fake card number
String plainText = "5105105105105100";

1. 生成随机的数据加密密钥（DEK）

private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
private static final int AES_KEY_LENGTH = 256;

// ...
KeyGenerator keyGenerator = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
keyGenerator.init(AES_KEY_LENGTH);
SecretKey dataEncryptionKey = keyGenerator.generateKey();

2. 使用 AES‑GCM 加密明文

private static final String ENC_ALGORITHM = "AES/GCM/NoPadding";
// ...

byte[] bPlainText = plainText.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
Cipher cipher = Cipher.getInstance(ENC_ALGORITHM);
cipher.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, dataEncryptionKey);

byte[] iv = cipher.getIV();                 // Initialization vector
byte[] cipherText = cipher.doFinal(bPlainText);

3. 使用 Base64 对 IV 和密文进行编码

String encodedIv = Base64.getEncoder().encodeToString(iv);
String encodedCipherText = Base64.getEncoder().encodeToString(cipherText);

示例输出

Base64 Encoded IV: g4xPa5FCgkw+KzmT
Base64 Encoded Cipher: fWegEZo4dlmm1YHvAe+njcZrcz10r5W9ntEEpQK5OgA=

包装数据加密密钥（DEK）

到目前为止，我们已经介绍了信封加密的第一层，即对输入数据进行加密。现在我们准备进行第二层——对 DEK 本身进行包装。

在生产环境中，KEK（密钥加密密钥）由托管在 HSM（硬件安全模块）中的 KMS（密钥管理服务）生成并存储。由于 KEK 从不离开安全硬件，应用程序无法直接访问它。

为了说明，我们将使用下面展示的一个简化的 内存 KMS。

package com.example;

import javax.crypto.Cipher;
import javax.crypto.IllegalBlockSizeException;
import javax.crypto.KeyGenerator;
import javax.crypto.NoSuchPaddingException;
import javax.crypto.SecretKey;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.UUID;

public class InMemoryKMS {
    private static final String KEY_ALGORITHM = "AES";
    private static final int AES_KEY_LENGTH = 256;
    private static final String WRAP_TRANSFORMATION = "AESWrap";
    private final Map<String, List<SecretKey>> keyStore = new HashMap<>();

    public String createKEK() {
        SecretKey key = generateKey();
        String keyId = UUID.randomUUID().toString();
        keyStore.computeIfAbsent(keyId, k -> new ArrayList<>()).add(key);
        return keyId;
    }

    public void rotateKEK(String keyId) {
        List<SecretKey> versions = keyStore.get(keyId);
        if (versions == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Unknown keyId: " + keyId);
        }

        SecretKey newKek = generateKey();
        versions.add(newKek);
    }

    public byte[] wrapDEK(String keyId, SecretKey dataEncryptionKey) {
        try {
            SecretKey activeKek = getLatestKey(keyId);
            Cipher cipher = Cipher.getInstance(WRAP_TRANSFORMATION);
            cipher.init(Cipher.WRAP_MODE, activeKek);
            return cipher.wrap(dataEncryptionKey);
        } catch (NoSuchPaddingException | IllegalBlockSizeException |
                 NoSuchAlgorithmException | InvalidKeyException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

    // (truncated for brevity)
}

InMemoryKMS 实现的其余部分已省略，以保持简洁。

Java 中的信封加密 – 清理后的 Markdown

`unwrapDEK` 方法

SecretKey unwrapDEK(String keyId, byte[] wrappedDataEncryptionKey) {
    try {
        List<SecretKey> versions = keyStore.get(keyId);
        if (versions == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Unknown keyId: " + keyId);
        }

        // Try each KEK version (newest first), just like cloud KMS
        for (int i = versions.size() - 1; i >= 0; i--) {
            SecretKey kek = versions.get(i);
            try {
                Cipher cipher = Cipher.getInstance(WRAP_TRANSFORMATION);
                cipher.init(Cipher.UNWRAP_MODE, kek);
                return (SecretKey) cipher.unwrap(
                        wrappedDataEncryptionKey,
                        KEY_ALGORITHM,
                        Cipher.SECRET_KEY);
            } catch (GeneralSecurityException ignored) {
                // Try next version
            }
        }

        throw new IllegalStateException("Unable to unwrap DEK with any KEK version");
    } catch (Exception e) {
        throw new IllegalStateException("Failed to unwrap DEK", e);
    }
}

辅助方法

private SecretKey generateKey() {
    try {
        KeyGenerator generator = KeyGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
        generator.init(AES_KEY_LENGTH);
        return generator.generateKey();
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new RuntimeException(e);
    }
}

private SecretKey getLatestKey(String keyId) {
    List<SecretKey> versions = keyStore.get(keyId);
    if (versions == null || versions.isEmpty()) {
        throw new IllegalArgumentException("Unknown keyId: " + keyId);
    }
    return versions.get(versions.size() - 1);
}

包装数据加密密钥 (DEK)

InMemoryKMS kms = new InMemoryKMS();
String keyId = kms.createKEK();

byte[] wrappedDEK = kms.wrapDEK(keyId, dataEncryptionKey);

为存储对包装的 DEK 进行编码

String encodedWrappedDEK = Base64.getEncoder().encodeToString(wrappedDEK);

示例加密输出

Base64 Encoded IV:               +W1d4YVNBBJFDuaB
Base64 Encoded Cipher:           Wib4Hx96rSBn7dTXrrdKEb3BTxbUdDm7PPCxybc20/I=
KEK ID:                          eeeb0c35-b166-4680-a800-3a28641fb03c
Base64 Encoded WrappedDEK:       dzQCY+x+JsDdHpscjf1qiWgm2utGEwNFIBIX6QiWqW/mjIRP42jFgw==

解密流程

在加密时我们存储了：

IV（初始化向量）
密文
包装后的 DEK
KEK 标识符

因为 KEK 永不离开 KMS，应用程序必须请求 KMS 解包 DEK，才能解密密文。

解包 DEK

byte[] wrappedDek = Base64.getDecoder().decode(encodedWrappedDEK);
SecretKey dataEncryptionKey = kms.unwrapDEK(keyId, wrappedDek);

注意: DEK 不应被持久化；仅在内存中保留尽可能短的时间。

解密密文

byte[] iv = Base64.getDecoder().decode(encodedIv);
byte[] cipherText = Base64.getDecoder().decode(encodedCipherText);

Cipher cipher = Cipher.getInstance(ENC_ALGORITHM);
GCMParameterSpec gcmParameterSpec = new GCMParameterSpec(GCM_TAG_LENGTH, iv);

cipher.init(Cipher.DECRYPT_MODE, dataEncryptionKey, gcmParameterSpec);
byte[] decrypted = cipher.doFinal(cipherText);

String decryptedText = new String(decrypted, StandardCharsets.UTF_8);
System.out.println("Decrypted Text: " + decryptedText);

结果

Decrypted Text: 5105105105105100

关于密钥轮换的说明

密钥轮换是一个更广泛的话题，但基本思路是：

当 KMS 轮换 KEK 时，它会创建一个 新 KEK 版本，并将其标记为未来包装操作的活动密钥。
旧的 KEK 版本仍可用于 解包装 之前已包装的 DEK，从而可以在不重新加密的情况下解密现有数据。

最后思考

Envelope 加密提供了一种强大且可扩展的方式来保护敏感数据，同时简化密钥管理。它是大多数现代云 KMS 解决方案的基础。

您可以在下面的仓库中找到完整的代码示例：

Envelope Encryption Code Example

感谢阅读！

致谢

封面照片由 Mauro Sbicego 在 Unsplash 上提供。

使用 Envelope Encryption 保护敏感数据

什么是信封加密的好处？

加密流程

1. 生成随机的数据加密密钥（DEK）

2. 使用 AES‑GCM 加密明文

3. 使用 Base64 对 IV 和密文进行编码

包装数据加密密钥（DEK）

Java 中的信封加密 – 清理后的 Markdown

`unwrapDEK` 方法

辅助方法

包装数据加密密钥 (DEK)

为存储对包装的 DEK 进行编码

示例加密输出

解密流程

解包 DEK

解密密文

结果

关于密钥轮换的说明

最后思考

致谢

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3. 使用 Base64 对 IV 和密文进行编码

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Java 中的信封加密 – 清理后的 Markdown

unwrapDEK 方法

辅助方法

包装数据加密密钥 (DEK)

为存储对包装的 DEK 进行编码

示例加密输出

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