[db tech showcase Tokyo 2015] A26:内部犯行による漏えいを防ぐPostgreSQLの透過的暗号化機能に関する実装と利用方法 by 日本電気株式会社黒澤彰

内部犯行による漏えいを防ぐ
PostgreSQLの透過的暗号化機能の実装と利用方法
～「PostgreSQLあんしんソリューション」のご提案～
２０１５年６月１１日
日本電気株式会社

© NEC Corporation 2015
アジェンダ
1. DBを取り巻く環境
2. 情報漏えい対策と暗号化
3. PostgreSQLのデータ暗号化とアプリケーション開発者の要望
4. Transparent Data Encryption for PostgreSQL
5. 鍵管理とAmazon Web Services（以下、AWS)
Key Management Service （以下、KMS）の利用
6. メンテナンスツール（PostgreSQLデータ保全ツール）の機能

DBを取り巻く環境
DB
各種システムが収集する
個人情報や秘密情報が増大
DBサーバを含む情報システムの
運用を第三者に委託することが
一般化しつつある
個人情報を含む
多くの秘密情報を
保持
組織内外からの
不正アクセスに対し
データ保全の仕組みが必要
DBMS運用環境は常に危険にさらされています
システム開発環境
• 情報システム投資の圧縮
• 開発期間の短縮化
• クラウド環境の利用拡大
社会環境
• 電子商取引、電子マネー
• スマートフォン、ICカード／
RFID等電子デバイスの利用拡大
• 各種センサ

DBを取り巻く環境
「2013年情報セキュリティインシデントに関する調査報告書～個人情報漏えい編～」
NPO日本ネットワークセキュリティ協会
情報漏えいの影響範囲は広範にわたり、
事業の継続に多大なインパクトを与える

情報漏えい対策と暗号化

DBアクセス権限の所有者や
DBファイル、通信からの情報漏えい対策としては不十分
• 適切なセキュリティフィックスの適用
• SQLインジェクション対策など、
アプリケーションによる漏えい対策
アプリケーション
サーバ
• 認証による接続制限
• データベースオブジェクトへの各種アクセス権
設定による参照制限
DBMS
DBMSを利用するシステムの情報漏えい対策と問題点

サーバ DB
通信の傍受
DBファイルの
持ち出し
データベースファイル
DBのアクセス権やアプリケーションでの対策では不十分
バック
アップ
ファイル
バックアップファイル
（物理/論理データ）の
持ち出し
権限所有者による
不正なデータ抽出

サーバ DB
通信の暗号化
（SSL）
データの暗号化
データベースファイル
ネットワークやOS、HWレベルでのデータ漏えいに対する対策
バック
アップ
ファイル
バックアップファイルの
暗号化
DB管理者と
復号用の鍵管理者の
分離

「「DBA 1,000 人に聞きました」アンケート調査報告書」第1.0 版
2014年9月10日データベース・セキュリティ・コンソーシアム
内部からの情報漏えいの可能性は常に存在し、
全データにアクセス可能な権限者の存在はリスクをともなう
DBAによる情報売却の
可能性を否定できない

POSTGRESQLのデータ暗号化と
アプリケーション開発者の要望

postgres=# create extension pgcrypto;
CREATE EXTENSION
postgres=# create table testtbl (c1 bytea);
CREATE TABLE
postgres=# insert into testtbl values (pgp_sym_encrypt('testdata', 'password'));
INSERT 0 1
postgres=# select * from testtbl;
c1
------------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------
¥xc30d0407030259fe70ee2960fd7665d239015fab8e8ba8c952023ed7a78822f7478f7624b5eb7695ac868e712e8faae05a1d78dfc6
9ef196d69106e45974002b0c8533c3764e41a76ae2
(1 row)
postgres=# select pgp_sym_decrypt(c1, 'password') from testtbl;
pgp_sym_decrypt
-----------------
testdata
(1 row)
PostgreSQLにおけるデータ暗号化
▌pgcrypto
貢献パッケージ（contrib）として提供される暗号化関数
列に格納するデータをTEXT、BYTEA型のデータとして出力
pgpを組み合わせた高度な暗号化も可能
データ挿入
pgcrypto導入
検索
関数による暗号化
関数による復号

• 関数実行による暗号/復号処理
• 列単位でのデータ暗号化
• 関数実行時に暗号鍵を指定
pgcryptoの
特徴
• 移行性が低下するため、PostgreSQL専用の
クエリを発行したくない
• APサーバ上に暗号鍵を置きたくない
• 鍵管理はアプリケーション側で行いたくない
関数による暗号化の
実装は好まれない

「「DBA 1,000 人に聞きました」アンケート調査報告書」第1.0 版
2014年9月10日データベース・セキュリティ・コンソーシアム
アプリケーション開発に負担をかけない暗号化手段が必要
アプリケーション改修が必要な
暗号化手法は、
データ暗号化導入の妨げとなる

▌商用DBMSにおける対応
商用DBMSはアプリケーション開発者に負担をかけない「透過的暗号化」
機能を提供している
DBMS側の設定や準備だけで、アプリケーションの改造が不要
暗号化の対象
• データベース、テーブルスペース、列単位に暗号化を行う
• 大小比較を含む一連の検索処理を問題無く行うことができる
暗号鍵管理
• 暗号鍵は各RDBMS製品に固有な鍵管理の仕組みを持つ
• データの暗号鍵が流出しないよう暗号鍵は2重、3重に暗号化されている
OSS DBMSにも透過的暗号化機能が必要

Oracle Advanced Security （TDE）
• 表領域、列暗号化の対象
• 二種類の鍵を使用
• Oracle Walletでマスター鍵を管理
• マスター鍵をソフトウェア／ハードウェア・キーストアに格納
暗号鍵の管理方法
•AES(キー長：128,192,256bit)
•トリプルDES
暗号アルゴリズム
Oracle Wallet
マスター鍵データ暗号化鍵
DB
データ暗号化鍵は
マスター鍵で暗号化
データは
データ暗号化鍵で
暗号化

SQL Server 透過的暗号化機能
• データベース暗号化の対象
•三種類の鍵を使用
•サービスキーを使用してデータベースマスターキーを暗号化
•データベース暗号化キーは、データベースマスターキーを使用して暗号化
暗号鍵の管理方法
•AES(キー長：128,192,256bit)
•トリプルDES
暗号アルゴリズム
サービスマスターキー
データベースマスターキー
DB
サービスマスターキーで
暗号化し、
masterデータベースに
格納される
インストール時に生成
データベース暗号化キー
データベースマスターキー
で暗号化され、
データベースの暗号化に
使用する

TRANSPARENT DATA
ENCRYPTION FOR
POSTGRESQL

Transparent Data Encryption for PostgreSQL
▌PostgreSQLの透過的暗号化機能
2015年6月、弊社はTransparent Data Encryption for PostgreSQL
（TDE for PostgreSQL）を公開しました。
http://jpn.nec.com/press/201506/20150605_01.html

▌NECが提供するPostgreSQL向け透過的暗号化機能
暗号化列属性をEXTENTIONとして実装
基本的な機能を提供するFree Edition（OSS版）とデータ保全機能、鍵
管理機能（AWS KMS利用）を加えたEnterprise Editionをリリース
•ソースからコンパイル
•暗号化列属性追加
•暗号鍵はクライアントAPから
専用関数（ストアドプロシージャ）を使用し平文で通知
• https://github.com/nec-postgres/tdeforpg/
Free Edition
(OSS版)
•インストーラ
•暗号化列属性追加（NUMERIC、TIMESTAMP）
•運用コマンド提供
•複数バージョンの暗号鍵に対応
•AWS KMSを利用した鍵管理
Enterprise Editionの
強化項目

▌暗号化列属性
暗号化が必要になると想定されるTEXT、BYTEA（バイナリ）、
NUMERIC、TIMESTAMP属性に対し、暗号化列属性を追加。
TEXT
BYTEA
NUMERIC
TIMESTAMP
ENCRYPT_TEXT
ENCRYPT_BYTEA
ENCRYPT_NUMERIC ※
ENCRYPT_TIMESTAMP ※
暗号化列属性
※ NUMERIC、TIMESTAMPの暗号化列属性はEnterprise Editionのみの機能です。

▌PostgreSQLにおける属性追加
暗号化列属性追加
入出力関数の実装
比較用関数の実装
CASTの実装
カタログ登録
属性追加の際、各属性の入出力関数、インデックス検索用の比較関数、
属性変換処理、カタログ情報の追加を行います

▌TDE for PostgreSQL Free Editionの利用手順
OSS版TDEをコンパイル
PostgreSQL設定変更（TDEのライブラリ読み込み）
セットアップ用スクリプト実行（属性追加）
鍵をDBに登録
暗号化列を使用したテーブル定義
DBに接続
専用関数でセッション開始を宣言
SQL文発行
専用関数でセッション終了を宣言
TDE
利用環境の
準備
TDEの利用

$ cd $PGSRC/contrib/pgcrypto
$ make
$ make install
$ psql << EOF
> CREATE EXTENSION pgcrypto;
> EOF
$ $ sudo ln –s$PGHOME/lib/pgcrypto.so /usr/lib64/libpgcrypto.so
$ cd $PGSRC
$ ./configure
$ cd $TDEHOME/SOURCES/data_encryption
$ sh makedencryption.sh 93 $PGSRC
$ sudo ln -s $TDEHOME/SOURCES/data_encryption/93/data_encryption93.so /usr/lib64/data_encryption.so
$ echo “shared_preload_libraries=‘/usr/lib64/data_encryption.so’” >> postgresql.conf
$ pg_ctl restart
$ cd $TDEHOME/SOURCES
$ sh bin/cipher_setup.sh $PGHOME
Transparent data encryption feature setup script
Please select from the setup menu below
Transparent data encryption feature setup menu
1: activate the transparent data encryption feature
2: inactivate the transparent data encryption feature
select menu [1 - 2] > 1
Please enter database server port to connect : <port_number>
Please enter database user name to connect : <user_name>
Please enter password for authentication : <password>
Please enter database name to connect : <db_name>
pgcryptoのインストール
TDE for PostgreSQLのビルド
TDE for PostgreSQLの導入
DBへのTDE機能導入
Free Editionの導入

-- CREATE TABLE
CREATE TABLE Employee(
EmployeeID Integer PRIMARY KEY,
Name TEXT,
Address ENCRYPT_TEXT,
TelephoneNumber ENCRYPT_TEXT
);
-- START SESSION
select pgtde_begin_session('cipherkey');
-- INSERT DATA
insert into Employee values(1,'従業員1','滋賀','003-0001-0001');
-- SELECT ALL
select * from Employee ;
-- END SESSION
select pgtde_end_session();
暗号化列属性を指定したテーブル定義
Free Editionの利用
暗号・復号セッション開始
（データ鍵をDBに通知）
データの挿入（通常のSQL文）
データの検索（通常のSQL文）
暗号・復号セッション終了

▌Free Editionのメリット・デメリット
• 暗号化関数が不要でアプリケーション開発が容易に
• 検索、更新を行うためにSQL文を発行するたびに鍵を
送信する必要がなくなる
メリット
• 鍵をアプリケーション側で管理する必要がある
• TDEの利用開始時に鍵を送信しなければならない
• 鍵の更新の際にはデータの再暗号化が必要
デメリット
Enterprise Editionでは鍵管理と鍵の更新に対する機能を追加

鍵管理とAWS KMSの利用
サーバ
鍵管理機能
暗号化した
DB暗号化用の鍵を
提供
復号した鍵で
データを暗号・復号化
機密性確保のため、暗号・復号に使用する鍵は
AP、DBサーバから独立して管理されることが望ましい
復号した
DB暗号化用の鍵を
提供

▌鍵管理の方法
OSS-DBMSと連携する鍵管理機能としては
クラウドサービス上の鍵管理が適している
•導入は容易だが、鍵管理のしくみはつくり込が必要
•鍵を格納したファイルをDBサーバ上に置くため、機密性に
不安がある
ファイルによる
暗号鍵管理
•高度な鍵管理の仕組みを提供可能
•導入費が高額であるため、OSS-DBMSを利用するシステム
での採用は難しい
専用HW
（Hardware Security
Module）による暗号鍵管理
•高度な鍵管理の仕組みを提供可能
•ランニングの費用はかかるが、導入費は抑えられる
クラウドサービス上の
鍵管理

2014年11月
アマゾンウェブサービス（AWS）による鍵管理サービスの開始

AWS KMS（Key Management Service）とは
データの暗号化に使用される暗号化キーの作成と管理機能を提供
するサービス。
• キーの作成、説明、リスト表示
• キーの有効化と無効化
• キーの使用ポリシーの設定と取得
• キーエイリアスの作成、削除、リスト表示
• データの暗号化、復号化、再暗号化
• プレーンテキストでサービスからエクスポートできるか、サービスをそのま
まにしないキーで暗号化できるデータキーの生成
• 暗号化アプリケーションに適したランダムな数値の生成
参考：http://docs.aws.amazon.com/ja_jp/kms/latest/developerguide/overview.html
AWS KMSを利用し、
DB-クライアント外に
暗号鍵生成、暗号化、復号機能を
持つことが可能
TDE for PostgreSQL Enterprise Editionは
AWS KMSを利用した鍵管理機能を提供

▌TDE for PostgreSQL Enterprise Editionでは3種類の鍵を使用
• データ鍵を暗号化するための鍵
• セキュリティ管理者が生成（AWS KMS）
CMK
（Customer Master Key ）
• データを暗号化するための鍵
• 暗号鍵をAWS KMSで復号して取得
データ鍵
• 暗号化されたデータ鍵
• APサーバ上に保有し、透過的暗号化利用時に
DBに提示
暗号鍵

▌AWS KMSを利用したTDE for PostgreSQLの登場人物と保有情報
• AWSアクセス用の情報
• 復号権限のあるユーザアカウント
DBA
• セキュリティ管理者が発行した暗号化された鍵
（暗号鍵）
AP開発・
運用者
•AWS IAMの利用権
•鍵作成・管理用権限のあるユーザアカウント
•CMK（Customer Master Key）
→ データ鍵および暗号鍵の作成
セキュリティ
管理者
データの復号に必要な情報や権限は分散して管理され、
「データ鍵」を常時保有する登場人物は存在しない

▌TDE for PostgreSQL Enterprise Editionの鍵バージョン管理
鍵の更新時に全暗号化データの再暗号化は不要／
データ更新時に最新の鍵で暗号化する
DB内に暗号化した複数バージョンのデータ鍵を持ち、
利用時に復号しメモリ展開したデータ鍵を使用する
バージョン暗号化データバージョンデータ鍵
バージョンデータ鍵
バージョンデータ鍵
暗号化列の構造鍵管理テーブル
メモリ展開した
鍵テーブル
参照時に
過去のバージョンの鍵で復号可能
※ 鍵のバージョン管理はAWS KMS無しでも利用可能

鍵管理とAWS KMSの利用（準備）
▌TDE for PostgreSQL Enterprise EditionからのAWS KMS利用
（準備）
暗号鍵受領
AP開発・運用者セキュリティ管理者 DBA
IAMアクセス（管理者）
復号用ユーザ追加
CMK作成
CMKのキーIDを指定し
データ鍵・暗号鍵を生成
TDE導入
AWSアクセス情報作成
（設定ファイル）
DB
暗号化したデータ鍵を
DBに格納

鍵管理とAWS KMSの利用（利用）
▌TDE for PostgreSQL Enterprise EditionからのAWS KMS利用
（利用）
DBアクセス時に暗号鍵提示
クエリ発行
AP AWS KMSDB
APから暗号鍵取得
AWSに接続し暗号鍵を復号
（データ鍵）
鍵管理テーブルを復号し
メモリ展開
データ鍵を利用した暗号・復号
DBセッション内での
暗号・復号に利用
暗号鍵の復号
KeyID、暗号鍵
データ鍵

AWS Management Consoleで暗号化キー作成を行う
① IAM
② 暗号化キー作成
画面へ
AWS KMSの機能は、
AWS IAM（Identity &
Access Management）から
利用します

CMKを作成する
③ CMK作成

KeyIdを確認する
④ KeyIDを確認
KeyIDはCMKを
一意に指定します。

データ鍵／暗号鍵生成
⑤ DBサーバで登録用コマンド実行
⑦ AWS接続情報入力
⑧ KeyID入力
⑨ 暗号化アルゴリズム選択
⑥ KMSを使用するか選択

psqlでの利用例
⑪ 暗号化鍵をDBに提示
⑩ 暗号化鍵を渡さずテーブル参照
（エラー）
⑫ データの復号に成功

▌Free Edition、Enterprise Edition共通の利用上の注意
一部ではありますが、アプリケーション改造
（透過的暗号化セッションの開始／終了宣言）が必要です
Hashインデックスにのみ対応しています
（B-Treeインデックスには未対応です）
大小比較やソートは可能ですが、全データの復号が必要となるため、
DBサーバに大きな負荷がかかります
▌Enterprise Editionの利用上の注意
AWS KMS利用時に「pgtde_begin_session」関数の応答時間が数秒か
かることがあります。

メンテナンスツール
（POSTGRESQLデータ保全ツール）の機能

メンテナンスツール（PostgreSQLデータ保全ツール）の機能
▌データ破壊発生後の復旧作業
バックアップ後のDB更新箇所を復旧するには、膨大な作業が必要となる。
• 破壊箇所の確認やデータの救出作業は工数がかかる
• エラー発生個所以外にDB壊れていないことを確認するには、
全DBオブジェクトのチェックが必要
•データ破壊が発生しエラーとなる箇所の特定
•アクセス不能なレコードを回避しつつ、参照可能なレ
コードを抽出
•救出データのリストア
•インデックスの再作成
•他に破壊されたファイルが無いか、全レコードの抽出
および正常性確認
•ファイルをダンプし、破壊箇所の復旧…Etc.Etc.
データ破壊からの
復旧作業

▌TDE for PostgreSQL Enterprise Editionは、
TDE機能に加えPostgreSQLのメンテナンスツールを提供します
Verify機能
テーブルの構造やデータとインデックスの整合性チェック
Salvage／Revive機能
起動しないDBからのデータ救出／リストア
メンテナンスツール（PostgreSQLデータ保全ツール）の機能
root
branch
leaf
leaf
branch
Leaf
leaf
インデックスとデータの整合性チェック
テーブル
データの構造チェック
データブロック
破損
…
起動不能なDB
破損
データ救出救出データのリストア
整合性
インデックス

FREE・ENTERPRISE EDITION
機能一覧

▌Edition別の比較一覧
機能／サービス Enterprise Edition Free Edition
Transparent Data Encryption機能
列単位の
暗号化機能
テキスト〇〇
バイト列（画像など）〇〇
数値〇 ×
日付・時刻〇 ×
鍵の更新、バージョン管理機能〇
△
暗号鍵のバージョン管理機能なし
一括更新のみ可
Amazon Web Service 鍵管理機能
（Key Management Service）とのシームレスな連携
〇 ×
Maintenace機能
データベース診断・復旧機能〇 ×
サポート・サービス
Transparent Data Encryption for PostgreSQLの
PPサポートサービス
〇 ×
PostgreSQL本体のサポートサービス〇 ×

Free Editionから
PostgreSQLの透過的暗号化機能を
是非ご体験ください
https://github.com/nec-postgres/tdeforpg/
鍵管理機能をご要望の皆様には、
Enterprise Editionをご検討ください

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