KMS 的加密密钥存储在哪里 - 信封加密与 HSM 的工作机制
本文讲解 KMS 主密钥存储在通过 FIPS 140-2 认证的 HSM 内的机制、通过信封加密对数据密钥进行双重保护的设计，以及密钥轮换的内部运作。
KMS 密钥不以明文存储
在 AWS KMS（Key Management Service）中创建的加密密钥（KMS 密钥，旧称 CMK）不会以明文状态存储在磁盘上。KMS 密钥的密钥材料（实际的加密密钥数据）仅在通过 FIPS 140-3 安全级别 3 验证的 HSM（Hardware Security Module）内以明文形式存在。HSM 是专用于加密处理的硬件设备，具备物理防篡改能力（检测到非法开启或篡改时自动删除密钥的功能）。KMS 密钥存储在 HSM 外部时，会以经 HSM 内部的域密钥加密后的状态（密文）存储。需要进行加密 / 解密处理时，加密的密钥材料会被加载到 HSM 中，在 HSM 内部解密并用于加密处理，处理完成后再从 HSM 的内存中删除。也就是说，存储在 AWS 存储系统中的是加密的密钥材料，能够解密它的只有 HSM。即使 AWS 的员工访问存储，也只能看到加密的密钥材料。
信封加密 - 为什么要用密钥加密密钥
KMS 加密模型的核心是“信封加密”（Envelope Encryption）。不是直接用 KMS 密钥加密数据，而是先请求 KMS 生成数据密钥（Data Key），用该数据密钥加密数据，再用 KMS 密钥加密数据密钥本身并加以存储。为什么需要这种双重结构呢？原因有 2 个。第一是性能。KMS 的加密 API 每个请求最多只能处理 4KB 的数据。要加密数 GB 的文件，就必须向 KMS 发送数百万次请求，这并不现实。如果在本地使用数据密钥，大型数据也可以加密。第二是延迟。KMS 的 API 调用会产生网络往返。如果将数据密钥缓存在内存中，调用 KMS 的次数就会减少。S3 的 SSE-KMS（Server-Side Encryption with KMS）在内部自动执行这种信封加密。每个对象都会生成唯一的数据密钥，对象的数据用数据密钥加密，数据密钥则用 KMS 密钥加密后作为对象的元数据存储。
密钥轮换的内部运作
启用 KMS 的自动密钥轮换后，每年（根据设置为 90 天到 2560 天）会生成新的密钥材料。这里的重点是，密钥轮换后旧的密钥材料不会被删除。KMS 密钥的 ARN 和 Key ID 不会改变，用旧密钥材料加密的数据会自动用旧密钥材料解密。加密新数据时使用新的密钥材料。密钥轮换被设计为透明地运作。无需修改应用程序的代码，轮换也不会对数据重新加密。KMS 在内部把用哪个版本的密钥材料加密的信息嵌入密文中，并在解密时自动选择合适的密钥材料。如果是手动密钥轮换（创建新的 KMS 密钥并切换别名的方式），则必须另行决定如何处理用旧 KMS 密钥加密的数据。如果在不理解自动轮换与手动轮换区别的情况下，在手动轮换后删除旧的 KMS 密钥，就无法再解密旧数据。
KMS 与 CloudHSM 的选用
KMS 是在多租户 HSM 上运行的托管服务。多个客户的 KMS 密钥在同一个 HSM 集群上处理，但每个密钥在密码学上相互隔离，无法访问其他客户的密钥。另一方面，CloudHSM 是提供单租户 HSM 的服务。专用的 HSM 设备部署在 VPC 内，只有客户本身可以访问。需要 CloudHSM 的情况是有限的。第一，法规要求使用“专用的 HSM”的情况。金融机构和政府机构的部分法规要求用专用的硬件管理加密密钥。第二，必须使用 PKCS#11、JCE、CNG 等标准加密 API 的情况。KMS 使用 AWS 自有的 API，而 CloudHSM 支持行业标准的加密 API。第三，需要超过 KMS 请求速率限制（默认每秒 5,500 到 30,000 个请求，因区域而异）的加密处理的情况。CloudHSM 用专用的硬件进行处理。在许多用例中 KMS 就足够了，CloudHSM 则在有上述要求时再考虑。
加密密钥的删除 - 无法撤销的最危险操作
KMS 密钥的删除是一项一旦完成就无法恢复原状、影响重大的操作。删除 KMS 密钥后，用该密钥加密的数据将无法解密。S3 的对象、EBS 的卷、RDS 的快照等依赖该密钥的数据都将无法读取。为了降低这一风险，AWS 为 KMS 密钥的删除设置了 7 到 30 天的等待期。安排删除后，密钥会进入“待删除”（Pending Deletion）状态，在等待期内无法用于加密 / 解密。如果在等待期内取消删除，密钥就会恢复。等待期结束后，密钥材料会从 HSM 中删除，无法恢复。如果待删除的密钥被使用（发生了加密或解密的请求），CloudTrail 中会记录日志。通过监视该日志，可以确认是否仍存在依赖该密钥的资源。对于生产环境的 KMS 密钥，通过密钥策略限制 kms:ScheduleKeyDeletion 操作，就容易防止误删除。
参考资料（AWS 官方）
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