Biz.Bizadm.KMS 1.0.3

Biz.Bizadm.KMS

Key Management System 라이브러리. 공통 ICipher 아래에 KEK wrap/unwrap용 IKekCipher와 데이터 암·복호화용 IDekCipher를 두고, 소프트웨어·TPM·Azure Key Vault·PKCS#11 HSM 백엔드를 제공한다.

대상 프레임워크: net10.0

계층

ICipher
├── IKekCipher                       # 키 물질 wrap/unwrap (DEK 보호)
│   ├── AesGcmKekCipher              # 소프트웨어 AES-GCM
│   ├── TpmKekCipher                 # TPM AES-256-CFB / RSA-OAEP-256
│   ├── AzureKeyVaultKekCipher       # Azure Key Vault RSA-OAEP wrap
│   └── Pkcs11KekCipher              # PKCS#11 HSM RSA-OAEP wrap (별도 패키지)
├── IKekManager                      # KEK 버전 관리·DEK re-wrap
│   ├── AesGcmKekManager
│   ├── TpmKekManager
│   ├── AzureKeyVaultKekManager
│   └── Pkcs11KekManager
└── IDekCipher                       # 데이터 암·복호화
    └── AesGcmDekCipher              # AES-GCM (DEK는 envelope로 보관)

AesGcmKekCipher와 AesGcmDekCipher는 AbstractAesGcmCipher를 공유한다. 출력 형식은 nonce(12) || cipher || tag(16).

public interface ICipher : IDisposable
{
    byte[] Encrypt(byte[] plain);
    Task<byte[]> EncryptAsync(byte[] plain, CancellationToken cancellationToken = default);
    byte[] Decrypt(byte[] encrypted);
    Task<byte[]> DecryptAsync(byte[] encrypted, CancellationToken cancellationToken = default);
}

public interface IKekCipher : ICipher
{
    string KeyId { get; }
}
public interface IDekCipher : ICipher { }

IKekManager

KEK 버전 레지스트리와 DEK re-wrap 오케스트레이션을 담당한다. 호스트 앱은 개별 IKekCipher보다 Manager를 권장 진입점으로 사용한다.

공통 API: Current, Resolve(keyId), RewrapDek(envelope), RewrapDekFile(dekFile), Release(keyId).

로테이션 후 이전 KEK는 registry에 남아 아직 re-wrap되지 않은 DEK도 처리할 수 있다. 프로세스 재시작 등으로 registry가 비어 있으면 LoadKey로 envelope에 기록된 old KEK를 다시 올린다. LoadKey는 Current를 바꾸지 않고 registry에만 등록한다. 모든 DEK re-wrap이 끝나면 Release(oldKeyId)로 이전 KEK를 해제한다. Current는 Release할 수 없다.

동일 KeyId로 Rotate/LoadKey를 호출하면 InvalidOperationException이 발생하고, 등록에 실패한 cipher는 즉시 Dispose된다. RewrapDekAsync/RewrapDekFileAsync는 lock 밖에서 await하므로, 비동기 re-wrap 진행 중에는 Release/Dispose를 호출하지 않는다.

using AesGcmKekManager manager = AesGcmKekManager.Create(credentialProvider, salt, iterations);
using AesGcmDekCipher dek = AesGcmDekCipher.Create(manager.Current, new FileInfo("dek.bin"));

string oldKeyId = manager.Current.KeyId;
manager.Rotate(newCredential, newSalt, iterations);
manager.RewrapDekFile(new FileInfo("dek.bin"));
manager.Release(oldKeyId);

KEK Rotation과 DEK envelope

KEK rotation은 DEK 평문을 바꾸지 않고 wrap만 새 KEK로 교체한다. DEK rotation(데이터 재암호화)은 별도 작업이다.

IKekCipher.KeyId 형식:

wrap된 DEK는 envelope 포맷(breaking change)으로 저장한다. raw ciphertext는 더 이상 읽지 않는다.

저수준 re-wrap: targetKek.RewrapDek(sourceKek, wrappedDek) 또는 AesGcmDekCipher.Rewrap(source, target, dekFile).

로컬 AES·TPM·PKCS#11 구현의 *Async는 동기 경로를 Task.FromResult로 감싼다. Azure Key Vault 구현은 SDK 비동기 API를 그대로 사용한다.

KEK 생성에 쓰는 패스워드는 IKekCredentialProvider로 주입한다. Create가 GetPassword()로 받은 뒤 사용 후 ZeroMemory한다.

public interface IKekCredentialProvider
{
    byte[] GetPassword();
    Task<byte[]> GetPasswordAsync(CancellationToken cancellationToken = default);
}

그 외는 호스트 앱이 IKekCredentialProvider를 구현한다.

Protect (OS 자격 증명, RID runtime 패키지)

소비자는 **Biz.Bizadm.KMS.Protect**만 참조한다. NuGet이 RID에 맞는 내부 구현 패키지를 가져온다 (직접 참조하지 않음).

IOsKekCredentialStore creds = OsKekCredentialProvider.CreateForCurrentOs();
creds.StorePassword("secret"u8);
using AesGcmKekCipher kek = AesGcmKekCipher.Create(creds, salt, iterations);

Linux 헤드리스에서는 프로세스 시작 전에 GCM_CREDENTIAL_STORE=gpg 등을 설정할 수 있다.

IKekCipher

구현체는 키 저장 방식만 다르고, 호출부는 동일하다. 대량 데이터 암호화가 아니라 DEK wrap 용도를 전제로 한다.

AesGcmKekCipher

소프트웨어 KEK. BouncyCastle을 쓰지 않으며 .NET AesGcm + Rfc2898DeriveBytes.Pbkdf2를 사용한다.

• 생성: AesGcmKekCipher.Create(IKekCredentialProvider, salt, iterationCount) → 32바이트 키
• 로테이션: AesGcmKekCipher.CreateRotated(IKekCredentialProvider, newSalt, iterationCount)
• KeyId: aesgcm:{SHA256(derivedKey)} — 패스워드·salt·iteration 변경 시 함께 바뀐다
• AesGcm 인스턴스는 ObjectPool로 재사용 (AbstractAesGcmCipher)
• AEAD이므로 변조 시 AuthenticationTagMismatchException
• Decrypt 실패 시 평문 버퍼를 ZeroMemory로 지운 뒤 예외를 다시 던진다

AesGcmDekCipher

DEK로 데이터를 암·복호화한다. DEK 자체는 IKekCipher로 wrap되어 envelope 파일 또는 바이트로 보관된다.

• Create(IKekCipher, FileInfo) — 파일이 있으면 envelope 로드, 없으면 32바이트 DEK를 생성·wrap 후 원자적 저장
• Create(IKekCipher, byte[] envelope) — envelope 바이트에서 생성 (cipher.KeyId와 envelope KeyId 일치 검증)
• Rewrap(sourceKek, targetKek, FileInfo|byte[]) — KEK rotation 후 DEK re-wrap
• 파일 저장은 temp 파일 기록 후 File.Move로 원자적으로 반영한다. 경쟁으로 파일이 이미 생기면 기존 파일을 다시 로드한다.
• Dispose 시 DEK 키를 ZeroMemory한다 (AbstractAesGcmCipher)

AzureKeyVaultKekCipher

Azure Key Vault RSA 키로 DEK를 wrap/unwrap한다. Azure.Security.KeyVault.Keys + Azure.Identity의 TokenCredential을 사용한다.

생성: AzureKeyVaultKekCipher.CreateAsync(Uri vaultUri, TokenCredential credential, string keyName, string? version = null, CancellationToken).

• version을 지정하면 해당 버전 로드(unwrap용). null이면 최신 버전(wrap용).

• RotateAsync() — Key Vault에서 동일 keyName으로 새 RSA 키 버전(CreateRsaKeyAsync) 생성 후 새 인스턴스 반환

• KeyId: azurekv:{keyName}:{version}

• 지정한 이름의 RSA-4096 키를 로드하고, 없으면 WrapKey/UnwrapKey 전용으로 생성한다.

• 409(충돌)·soft-delete된 키가 있으면 재조회 또는 recover 후 사용한다.

• Encrypt/EncryptAsync → WrapKey(RsaOaep256), Decrypt/DecryptAsync → UnwrapKey(RsaOaep256)

• 키 물질은 Vault에만 있고 로컬에 내려오지 않는다.

using AzureKeyVaultKekCipher kek = await AzureKeyVaultKekCipher.CreateAsync(
    vaultUri, credential, "my-kek-key");
using AesGcmDekCipher dek = AesGcmDekCipher.Create(kek, new FileInfo("dek.bin"));

AzureKeyVaultKekCredentialProvider

Azure Key Vault Secret에 보관한 32바이트 패스워드를 IKekCredentialProvider로 제공한다. AesGcmKekCipher 등과 함께 쓴다.

• 생성: new AzureKeyVaultKekCredentialProvider(Uri vaultUri, TokenCredential credential, string secretName)
• Secret이 없으면 랜덤 32바이트를 Base64로 저장한 뒤 재조회한다. 동시 생성·soft-delete는 cipher와 같이 재조회/recover로 처리한다.
• GetPassword / GetPasswordAsync 모두 지원한다. 반환 바이트는 호출부가 사용 후 ZeroMemory해야 한다.

PKCS#11 HSM (Biz.Bizadm.KMS.Pkcs11)

Thales Luna·nCipher·SoftHSM2 등 PKCS#11 호환 HSM으로 DEK를 wrap/unwrap한다. 메인 Biz.Bizadm.KMS와 별도 NuGet 패키지이며, Pkcs11Interop를 사용한다.

검증 범위: 현재 Pkcs11KekCipher·Pkcs11KekManager는 SoftHSM 2.5.0(소프트웨어 에뮬레이터) Manual 테스트만 수행했다. Thales Luna·nCipher·AWS CloudHSM 등 실물 HSM에서는 아직 검증되지 않았다. 프로덕션 투입 전에는 대상 HSM에서 Pkcs11KekOptions(wrap 메커니즘·RSA 키 크기)를 벤더 권장값에 맞춰 별도 Manual 테스트 클래스를 추가하는 것을 권장한다.

소비자는 **Biz.Bizadm.KMS + Biz.Bizadm.KMS.Pkcs11**을 참조한다. cryptoki DLL/SO 경로는 호스트가 런타임에 지정한다.

using Biz.Bizadm.KMS.Cipher;
using Biz.Bizadm.KMS.Pkcs11.Cipher;

using Pkcs11LibraryContext context = Pkcs11LibraryContext.Create(
    @"C:\SoftHSM2\lib\softhsm2-x64.dll",
    slotId: 0,
    pinProvider);
using Pkcs11KekManager manager = Pkcs11KekManager.Create(context, "my-kek-label");
using AesGcmDekCipher dek = AesGcmDekCipher.Create(manager.Current, new FileInfo("dek.bin"));

string oldKeyId = manager.Current.KeyId;
manager.Rotate("my-kek-label-v2");
manager.RewrapDekFile(new FileInfo("dek.bin"));
manager.Release(oldKeyId);

Pkcs11LibraryContext

• PKCS#11 라이브러리 로드, 슬롯 선택, USER PIN 로그인(IKekCredentialProvider)
• RW 세션 1개 + SemaphoreSlim으로 HSM 호출 직렬화 (동시 호출 금지)
• Pkcs11KekManager가 컨텍스트 수명을 관리한다. Cipher만 단독 사용 시 호출부가 Dispose한다.

Pkcs11KekCipher

• 생성: Pkcs11KekCipher.Create(context, keyLabel, createIfMissing: true)
• HSM에서 CKA_LABEL로 RSA 키 쌍을 찾고, 없으면 RSA-4096을 생성한다.
• Encrypt/Decrypt — DEK(32바이트)를 일시 AES 객체로 만든 뒤 RSA-OAEP-256으로 C_WrapKey/C_UnwrapKey
• Rotate(newKeyLabel) — HSM에 새 RSA 키 쌍 생성 후 새 인스턴스 반환
• KeyId: pkcs11:{SHA256(modulus||exponent)}
• Pkcs11KekOptions로 OAEP 메커니즘·RSA 키 크기를 벤더에 맞게 조정할 수 있다.
• KEK 개인키 물질은 HSM 밖으로 나오지 않는다.

SoftHSM2 로컬 설정 예시

# Linux 예시
export SOFTHSM2_CONF=$HOME/softhsm2.conf
softhsm2-util --init-token --slot 0 --label "kms-test" --pin 1234 --so-pin 0000

# 키 확인
pkcs11-tool --module /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so --login --pin 1234 --list-objects

Windows portable 예시 (SOFTHSM2_CONF·PATH 설정 후):

$base = "C:\path\to\SoftHSM2"
$env:SOFTHSM2_CONF = "$base\etc\softhsm2.conf"
$env:PATH = "$base\bin;$base\lib;" + $env:PATH
& "$base\bin\softhsm2-util.exe" --init-token --slot 0 --label "kms-test" --pin 1234 --so-pin 00000000

수동 테스트 환경 변수:

SoftHSM 2.5.0 Manual 테스트 프로파일: Pkcs11KekCipher 기본값(RSA-OAEP-256)은 SoftHSM 2.5.0에서 CKR_ARGUMENTS_BAD가 날 수 있다. 테스트는 SoftHsmPkcs11TestProfile로 CKM_RSA_PKCS + RSA-2048 옵션을 주입한다. 프로덕션 HSM 검증은 벤더별로 별도 프로파일·Manual 테스트 클래스를 추가한다.

$env:PKCS11_LIBRARY_PATH = "C:\path\to\SoftHSM2\lib\softhsm2-x64.dll"
$env:PKCS11_PIN = "1234"
dotnet test --filter "FullyQualifiedName~SoftHsm"

TpmKekCipher

TPM 2.0에 KEK를 두고 암·복호화한다. TSS.Net (Microsoft.TSS) 사용.

생성: TpmKekCipher.Create(Tpm2Device device, IKekCredentialProvider credentialProvider, FileInfo kekBlobFile, TpmKekOptions? options = null). 디바이스 연결은 호출부가 한다.

• Rotate(FileInfo newKekBlobFile, TpmKekOptions? options = null) — 동일 SRK 아래 새 KEK blob 생성
• KeyId: tpm:{SHA256(kekPublic)}
• Dispose 시 TPM 핸들(SRK·KEK)만 flush한다. Tpm2Device는 닫지 않는다 — TSS.Net Tpm2.Dispose()가 device까지 Dispose하기 때문에, 공유 device를 쓰는 Rotate·Release 시나리오에서 연결이 끊기지 않도록 의도적으로 생략했다. device Close/Dispose는 호출부 책임이다.

Wrap 모드 (TpmKekOptions)

보안 우선(KEK wrap 무결성·변조 검출)이면 **RsaOaep256**을 권장한다. Aes256Cfb는 성능 우선 모드로 인증 태그가 없으며 wrap된 DEK 변조를 검출하지 못한다(README AES-CFB 섹션 참고).

기존 blob을 로드할 때는 TpmPublic.type으로 모드를 자동 감지한다 (Symcipher → AES, Rsa → RSA-OAEP). AES blob과 RSA blob은 호환되지 않으므로 모드를 바꾸려면 새 blob을 만들어야 한다.

var rsaOptions = new TpmKekOptions { WrapMode = TpmKekWrapMode.RsaOaep256 };
using TpmKekCipher kek = TpmKekCipher.Create(device, creds, kekBlobFile, rsaOptions);

키 계층

1. SRK — Owner 계층 CreatePrimary. RSA-2048 storage parent (restricted decrypt). password의 SHA-256을 unique에 넣어 동일 패스워드면 같은 SRK가 나온다. SRK authValue는 HMAC-SHA256(password, "Biz.Bizadm.KMS.Tpm.Srk")로 유도한다.
2. KEK — SRK 아래 대칭(AES-256-CFB) 또는 비대칭(RSA-OAEP) 키. authValue는 HMAC-SHA256(password, "Biz.Bizadm.KMS.Tpm.Kek"). blob이 없으면 TpmKekOptions.WrapMode에 따라 생성 후 저장, 있으면 blob에서 Load. Create·Load·Encrypt/Decrypt는 TSS.Net handle auth로 자동 인증한다.

패스워드는 Create 시 1회만 GetPassword()로 받고 authValue 유도 후 즉시 ZeroMemory한다. 인스턴스 수명 동안 TPM handle auth가 유지되므로 매 연산마다 password를 다시 넣지 않는다.

Blob (TpmKekBlob)

파일 매직 TKEK, version 1, TPM TpmPublic / TpmPrivate 직렬화. 개인키 물질은 SRK로 wrap된 채 디스크에 저장되고, 올바른 password(SRK·KEK authValue + SRK unique)로만 Load된다.

FileInfo.Exists는 캐시되므로 생성·로드 경로는 Refresh() 후 존재 여부를 본다.

AES-256-CFB (기본)

TPM 2.0은 GCM을 지원하지 않아 CFB를 쓴다.

• Encrypt: 랜덤 IV 16바이트 + EncryptDecrypt(encrypt)
• Decrypt: IV 분리 후 EncryptDecrypt(decrypt)
• 인증 태그 없음. 변조되어도 TPM이 성공하고 다른 평문을 반환할 수 있다.

일부 Windows 실물 TPM은 export 규제 등으로 EncryptDecrypt를 막아 두기도 한다. 이 환경의 TBS 테스트에서는 AES-CFB 라운드트립이 통과했다.

RSA-OAEP-256

• Encrypt: RsaEncrypt(OAEP-SHA256) — DEK(32바이트)를 직접 wrap
• Decrypt: RsaDecrypt(OAEP-SHA256)
• OAEP 패딩으로 변조 시 복호화가 실패한다 (TpmException)
• RSA-2048 기준 최대 평문 ~190바이트 (DEK 32바이트에 충분)

TPM 디바이스

TpmKekCipher는 Tpm2Device만 받는다. 연결은 호출부가 한다.

Windows에서는 TSS.Net TbsDevice + Connect()로 로컬 TPM(TBS)에 연결한다. TpmKekCipher는 기본 AES-256-CFB 또는 TpmKekOptions로 RSA-OAEP-256을 선택할 수 있다.

테스트

자동 테스트(CI / dotnet test):

dotnet test --filter "TestCategory!=Manual"

• AesGcmKekCipherTests
• AesGcmKekCipherPerformanceTests
• AesGcmDekCipherTests
• WrappedDekEnvelopeTests
• KekCipherExtensionsTests
• AesGcmKekManagerTests

수동 테스트: [TestCategory("Manual")]만 붙인다 ([Ignore] 없음). CI에서는 위 필터로 제외하고, Visual Studio Test Explorer에서는 해당 클래스를 선택해 바로 실행한다. Run All에서 Manual까지 빼려면 검색창에 -Trait:"Manual"을 쓴다.

TPM 기능·성능 테스트는 디바이스별 파생 클래스로 나뉜다. PKCS#11도 동일하게 추상 베이스(Pkcs11KekCipherDeviceTests)에 공통 시나리오를 두고, SoftHSM 연결만 파생 클래스에서 구현한다. 자격 증명은 테스트용 FixedPasswordCredentialProvider를 쓴다.

Azure 수동 테스트 환경 변수: AZURE_KEY_VAULT_URL, AZURE_TENANTID, AZURE_CLIENT_ID, AZURE_KEY_VAULT_THUMBPRINT(CurrentUser\My 인증서).

PKCS#11(SoftHSM) 수동 테스트 환경 변수: PKCS11_LIBRARY_PATH, PKCS11_PIN. PKCS11_SLOT_ID는 생략 가능.

Pkcs11KekCipher 관련 Manual 테스트는 SoftHSM 2.5.0만 대상이다. 실물 HSM용 테스트 클래스는 아직 없다.

테스트 blob은 %TEMP%\kms-tpm-kek-*.blob / kms-tpm-kek-perf-*.blob에 만들었다가 종료 시 삭제한다.

TBS AES 기능 테스트는 이 환경에서 18건 통과했다.

swtpm Manual 테스트 (SwtpmTpmDevice)

Rocky Linux swtpm TCP 검증용 어댑터는 Biz.Bizadm.KMSTest/Cipher/Tpm/Device/SwtpmTpmDevice.cs에 있다. Microsoft TcpTpmDevice(mssim handshake)와는 프로토콜이 다르다. swtpm 검증이 필요하면 TpmKekCipherDeviceTests를 파생하고 이 디바이스로 Tpm2Device를 연결하면 된다.

• 명령 포트: raw TPM 프레임 (기본 2321)
• not-need-init이면 control CMD_INIT 불필요
• startup-clear가 없으면 Connect()에서 TPM2_Startup(SU_CLEAR) (이미 started면 TPM_RC_INITIALIZE 무시)

swtpm socket \
    --tpm2 \
    --tpmstate dir=/swtpm \
    --server type=tcp,port=2321,bindaddr=0.0.0.0 \
    --ctrl type=tcp,port=2322,bindaddr=0.0.0.0 \
    --flags not-need-init \
    --daemon

disconnect가 없으면 연결을 유지한다. 한 연결에서 명령을 직렬 처리하므로 TpmKekCipher 동시 호출은 하지 않는다.

성능 참고 (실측)

측정 대상은 32바이트 DEK wrap/unwrap 라운드트립(Encrypt + Decrypt)이다. 성능 테스트는 Biz.Bizadm.KMSTest에 있으며, 아래 수치는 이 저장소를 개발한 Windows 환경(net10.0)에서 dotnet test --logger "console;verbosity=detailed"로 재현할 수 있다.

AesGcmKekCipher (소프트웨어 AES-256-GCM)

테스트: AesGcmKekCipherPerformanceTests (CI 포함)

DEK wrap 용도로는 사실상 CPU-bound이며 서브밀리초다.

TpmKekCipher — AES-256-CFB (Windows 실물 TPM)

테스트: TpmKekCipherAesTbsDevicePerformanceTests ([TestCategory("Manual")], [OSCondition(Windows)])

TpmKekCipher — RSA-OAEP-256 (Windows 실물 TPM)

테스트: TpmKekCipherRsaOaepTbsDevicePerformanceTests ([TestCategory("Manual")], [OSCondition(Windows)])

동일 TPM·동일 32바이트 DEK 기준으로 RSA-OAEP는 AES-CFB 대비 p50 약 1.5배 느리다. TPM은 소프트웨어 KEK 대비 약 3만 배 느리지만, DEK wrap처럼 저빈도 호출에는 실사용 가능한 수준이다. 동일 연결에서 동시 호출은 하지 않는다.

AzureKeyVaultKekCipher (Key Vault RSA-OAEP-256)

테스트: AzureKeyVaultKekCipherPerformanceTests ([TestCategory("Manual")], [OSCondition(Windows)])

Key Vault HTTPS 왕복이 지배적이며, 리전·네트워크에 따라 변동한다. 키 물질은 Vault에만 존재한다.

비교 요약