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AWS KMS を使ったエンベロープ暗号化の実装

概要

エンベロープ暗号化は、データをデータ暗号化キー（DEK）で暗号化し、その DEK 自体を AWS KMS で管理されるマスターキー（KEK）で暗号化する戦略です。このアプローチにより、AWS が管理するハードウェアセキュリティモジュール（HSM）内でマスターキーを安全に保ちながら、大量のデータをローカルで暗号化できます。このスキルでは、AWS KMS の GenerateDataKey API を使ったエンベロープ暗号化の実装について説明します。

使用するタイミング

• 環境において、AWS KMS を使ったエンベロープ暗号化の機能をデプロイまたは構成するとき
• コンプライアンス要件に沿ったセキュリティ統制を確立するとき
• この領域のセキュリティアーキテクチャを構築または改善するとき
• この実装を必要とするセキュリティ評価を実施するとき

前提条件

• 暗号技術の概念とツールに関する知識があること
• 安全に実行するためのテストまたはラボ環境にアクセスできること
• 必要な依存関係がインストールされた Python 3.8 以降
• テスト活動に対する適切な許可を得ていること

目的

• エンベロープ暗号化のパターンとその利点を理解する
• AWS KMS の GenerateDataKey を使ってデータ暗号化キーを生成する
• DEK を使ってデータをローカルで暗号化・復号する
• 暗号化された DEK を暗号文と一緒に保存する
• KMS API の呼び出しを減らすためにキーのキャッシュを実装する
• 自動再暗号化を伴うキーローテーションを処理する
• 災害復旧のためのマルチリージョン暗号化を実装する

主要な概念

エンベロープ暗号化のフロー

1. kms:GenerateDataKey を呼び出して、平文の DEK と暗号化された DEK を取得する
2. 平文の DEK を使ってデータをローカルで暗号化する（AES-256-GCM）
3. 暗号化された DEK を暗号文と一緒に保存する
4. メモリから平文の DEK を破棄する
5. 復号時: 暗号化された DEK に対して kms:Decrypt を呼び出し、その後データを復号する

KMS の直接暗号化に対する利点

項目	直接 KMS	エンベロープ暗号化
最大データサイズ	4 KB	無制限
レイテンシー	操作ごとのネットワーク往復	ローカル暗号化
コスト	$0.03/10,000 リクエスト	KMS リクエストが少ない
オフライン	不可	可能（キャッシュされた DEK を使用する場合）

KMS キーの種類

• AWS マネージド: AWS が作成・管理する（aws/s3、aws/ebs）
• カスタマーマネージド: 作成し、ポリシーを管理する
• カスタムキーストア: CloudHSM クラスターによってバックアップされる

セキュリティ上の考慮事項

• 平文の DEK は決して保存せず、暗号化された DEK のみを保持する
• キーポリシーを使って、GenerateDataKey と Decrypt を呼び出せるユーザーを制限する
• すべての KMS API 呼び出しについて AWS CloudTrail のログ記録を有効にする
• キーローテーションを実装する（カスタマーマスターキーの自動年次ローテーション）
• 認証付き暗号化のメタデータには暗号化コンテキストを使用する
• KMS のスロットリングは指数バックオフで処理する

検証基準

• GenerateDataKey が平文の DEK と暗号化された DEK を返す
• 平文の DEK を使ってデータが AES-256-GCM で正しく暗号化される
• 暗号化された DEK を KMS Decrypt API で復号できる
• 復号された DEK によって元のデータが復元される
• 使用後、平文の DEK がメモリから消去される
• 復号時に暗号化コンテキストが検証される
• キーローテーションによって、DEK が新しいマスターキーで再暗号化される