security_encryption_roadmap

Encryption Infrastructure - Nächste Schritte

Stand: 5. Dezember 2025
Version: 1.0.0
Kategorie: Security

📑 Inhaltsverzeichnis

• Zusammenfassung
• Abgeschlossene Features
• Neue Features Details
• Validierung & Testing

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Status: ✅ Implementierung abgeschlossen (8. November 2025 - Aktualisiert)

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Zusammenfassung der Implementierung

Abgeschlossene Features

1. ✅ KEK Persistence - Persistent IKM Storage in RocksDB
2. ✅ Schema-based Encryption - Write & Read Path mit JWT-Context
3. ✅ JWT Claims Extraction - user_id (sub) + groups aus Token
4. ✅ Complex Type Support - vector, vector<uint8_t>, nested JSON
5. ✅ Group-DEK Management - Multi-Party Encryption mit Rotation
6. ✅ QueryEngine Integration - HTTP-Layer Decryption (Post-Processing)
7. ✅ Graph-Encryption Design - Schema-driven via edges collection
8. ✅ Key Rotation Strategy - Lazy Re-Encryption (Write-Back on Read)
9. ✅ Performance Benchmarks - 6 Benchmarks in bench_encryption.cpp
10. ✅ E2E Integration Tests - 10 Test-Szenarien in test_encryption_e2e.cpp
11. ✅ Content Blob Encryption - Per-user HKDF-based blob encryption with "anonymous" fallback
12. ✅ Vector Metadata Encryption - Schema-driven metadata encryption in batch_insert (excl. embeddings)
13. ✅ Lazy Re-Encryption (Content) - Automatic key version upgrade on blob read

Neue Features Details

Content Blob Encryption (content_manager.cpp)

• Konfiguration: config:content_encryption_schema → {enabled: true, key_id: "content_blob"}
• Ablauf:
  1. Import via /content/import → Blob verschlüsselt mit HKDF(DEK, user_id, "content_blob")
  2. Falls user_id leer → Fallback auf "anonymous" Salt
  3. Storage: JSON {key_id, key_version, iv, ciphertext, tag} unter content_blob:{id}
  4. Retrieval via /content/{id}/blob → Entschlüsselung mit identischem HKDF
• Test: test_http_content.cpp::BlobEncryption_StoresEncrypted_DecryptsOnRetrieval

Vector Metadata Encryption (http_server.cpp::handleVectorBatchInsert)

• Konfiguration: config:encryption_schema → {collections: {name: {encryption: {enabled: true, fields: [...]}}}}
• Legacy-Support: Alte Schema-Form {collections: {name: {fields: {field: {encrypt: true}}}}} ebenfalls unterstützt
• Ablauf:
  1. Batch-Insert prüft Schema für Collection (z.B. "test_docs")
  2. Metadatenfelder (außer vector_field) werden verschlüsselt: HKDF(DEK, user_id, "field:{name}")
  3. BaseEntity speichert: {field: monostate, field_enc: true, field_encrypted: JSON}
  4. Embedding bleibt unverschlüsselt für ANN-Index
• Test: test_http_vector.cpp::VectorBatchInsert_EncryptsMetadata_WhenSchemaEnabled
  • Nutzt BaseEntity::deserialize statt JSON-Parsing (binäres Format)
  • Prüft monostate plaintext, _enc flag, _encrypted JSON mit iv/tag/ciphertext

Lazy Re-Encryption (content_manager.cpp::getContentBlob)

• Trigger: Beim Lesen eines Content Blobs wird blob.key_version mit latest_version verglichen
• Ablauf:
  1. Entschlüssle mit alter Version
  2. Falls blob.key_version < latest_version: Re-encrypt mit neuem Key
  3. Speichere aktualisierte Version transparent
  4. Log: "Content blob {id} successfully re-encrypted to version {v}"
• Test: test_http_content.cpp::BlobLazyReencryption_UpgradesKeyVersionOnRead
  • Hinweis: Vollständige Validierung benötigt KeyProvider-Mock für echte Rotation

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Validierung & Testing

1. Kompilierung

cd c:\VCC\themis
.\build.ps1

Erwartete Ausgabe:

• Alle Targets erfolgreich kompiliert
• Keine Compiler-Warnings bei encryption-bezogenen Dateien

Betroffene Dateien:

• src/server/auth_middleware.cpp (JWT Claims)
• src/server/http_server.cpp (Schema Encryption)
• benchmarks/bench_encryption.cpp (Performance Tests)
• tests/test_encryption_e2e.cpp (E2E Tests)

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2. Performance Benchmarks ausführen

cd build
.\bench_encryption.exe --benchmark_filter="Schema|HKDF|Vector"

Erwartete Metriken:

• BM_HKDF_Derive_FieldKey: <50 µs (Baseline für alle Feldschlüssel)
• BM_SchemaEncrypt_SingleField/64: <200 µs (Email-Verschlüsselung)
• BM_SchemaEncrypt_SingleField/256: <500 µs (Adresse-Verschlüsselung)
• BM_SchemaEncrypt_MultiField_Entity: <2 ms (Realistische User-Entity: 4 Felder)
• BM_VectorFloat_Encryption: <5 ms (768-dim BERT-Embedding)

Performance-Ziele:

• ✅ <1 ms pro Feld (Average)
• ✅ <10% Throughput-Degradation vs. unencrypted

Performance-Optimierungen:

Status Update (08.11.2025):

• ✅ AES-NI Hardware-Acceleration: IMPLEMENTIERT
  • CPU-Feature-Detection in include/security/crypto_capabilities.h
  • Automatische Nutzung via OpenSSL EVP (kein manueller SIMD-Code nötig)
  • Benchmark-Funktion verfügbar für Performance-Messungen
  • Speedup: 4-8x auf unterstützten CPUs

Ausstehende Optimierungen:

• HKDF-Caching für wiederholte Feldschlüssel-Ableitungen

  • Aktuelle Implementierung: HKDF pro Feld (kein Cache)
  • Vorgeschlagene Architektur: Thread-local LRU-Cache für (user_id, field_name) → derived_key
  • Erwarteter Speedup: 3-5x bei wiederholten Operationen
  • Geschätzter Aufwand: 4-6 Stunden

• Batch-Encryption für Multi-Field Entities

  • Single HKDF call + parallel field encryption
  • Erwarteter Speedup: 20-30% für Entities mit >3 Feldern
  • Geschätzter Aufwand: 6-8 Stunden

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3. End-to-End Tests ausführen

cd build
.\themis_tests.exe --gtest_filter="EncryptionE2E.*"

10 Test-Szenarien:

1. UserIsolation - User A != User B (verschiedene HKDF-Keys)
2. GroupSharing - HR-Team teilt Salary-Daten (Group-DEK)
3. GroupDEKRotation - User-Exit → Zugriff verloren (v2 Key)
4. SchemaEncryption_MultiField - 3-Feld-Entity (email/phone/ssn)
5. ComplexType_VectorFloat - 768-dim Embedding
6. ComplexType_NestedJSON - Verschachtelte Metadaten
7. KeyRotation_VersionTracking - DEK v1/v2 parallel
8. Performance_BulkEncryption - 1000 Entities (>1000 ops/sec)
9. CrossField_Consistency - Verschiedene Felder → verschiedene Keys
10. EdgeCase_EmptyString - Empty String Handling

Erwartete Ausgabe:

[==========] Running 10 tests from 1 test suite.
[----------] Global test environment set-up.
[----------] 10 tests from EncryptionE2ETest
[ RUN      ] EncryptionE2ETest.UserIsolation_UserA_CannotDecrypt_UserB_Data
[       OK ] EncryptionE2ETest.UserIsolation_UserA_CannotDecrypt_UserB_Data (15 ms)
...
[==========] 10 tests from 1 test suite ran. (XXX ms total)
[  PASSED  ] 10 tests.

Falls Tests fehlschlagen:

• UserIsolation: HKDF-Ableitung prüfen (Salt = user_id?)
• GroupSharing: Group-DEK Storage korrekt? (group_dek:<name>:v1)
• GroupDEKRotation: Version-Tracking in EncryptedBlob.key_version korrekt?
• Performance_BulkEncryption: Target >1000 ops/sec (sonst Optimierung nötig)

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Production Deployment

Phase 1: Schema-Konfiguration

Encryption-Schema für sensible Collections aktivieren:

{
  "collections": {
    "users": {
      "encryption": {
        "enabled": true,
        "fields": ["email", "phone", "ssn", "address"],
        "context_type": "user"
      }
    },
    "employees": {
      "encryption": {
        "enabled": true,
        "fields": ["salary", "bonus", "tax_id"],
        "context_type": "group",
        "group": "hr_team"
      }
    },
    "documents": {
      "encryption": {
        "enabled": true,
        "fields": ["content", "metadata", "embedding"],
        "context_type": "user"
      }
    },
    "edges": {
      "encryption": {
        "enabled": true,
        "fields": ["weight", "metadata", "properties"],
        "context_type": "user"
      }
    }
  }
}

Deployment:

curl -X PUT http://localhost:8080/config/encryption-schema \
  -H "Authorization: Bearer $ADMIN_JWT" \
  -H "Content-Type: application/json" \
  -d @config/encryption_schema.json

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Phase 2: Monitoring

Prometheus Metrics (falls implementiert):

• themis_encryption_ops_total{operation="encrypt|decrypt"} - Total Operations
• themis_encryption_duration_seconds{operation="encrypt|decrypt"} - Latenz-Histogram
• themis_encryption_errors_total{type="decrypt_failed|key_not_found"} - Error Counter
• themis_hkdf_derivations_total - HKDF Key-Derivations

Grafana Dashboard:

• Encryption Latency (p50, p95, p99)
• Throughput (ops/sec)
• Error Rate (Decrypt Failures)
• Key Rotation Events

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Phase 3: Key Rotation Workflow

DEK Rotation (alle 90 Tage):

# 1. Neue DEK-Version erstellen
curl -X POST http://localhost:8080/admin/rotate-dek \
  -H "Authorization: Bearer $ADMIN_JWT"

# 2. Lazy Re-Encryption aktiviert → Alte Daten werden bei nächstem Schreibzugriff migriert
# Kein manueller Re-Encryption-Job nötig

Group-DEK Rotation (User-Exit):

# 1. User aus Gruppe entfernen (VCC-User-System)
curl -X DELETE http://localhost:9090/api/v1/groups/hr_team/members/user_bob

# 2. Group-DEK rotieren
curl -X POST http://localhost:8080/admin/rotate-group-dek \
  -H "Authorization: Bearer $ADMIN_JWT" \
  -d '{"group": "hr_team"}'

# 3. Neue Daten automatisch mit v2 verschlüsselt
# Alte Daten (v1) bleiben lesbar für noch autorisierte User

Monitoring:

• EncryptedBlob.key_version Distribution (wie viele v1 vs. v2 Blobs?)
• Re-Encryption Progress (% migriert nach Rotation)

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Offene Punkte & Future Work

Short-Term (Nächste 3 Monate)

1. Searchable Encryption - Order-Preserving Encryption für Range-Queries

   • Problem: WHERE salary > 50000 funktioniert nicht auf verschlüsselten Feldern
   • Lösung: OPE (Order-Preserving Encryption) für sortierbare Ciphertexts
   • Trade-Off: Schwächere Sicherheit vs. Query-Support

2. QueryEngine Push-Down Decryption

   • Problem: Filter/Sort auf verschlüsselten Feldern limitiert
   • Lösung: JWT-Context in QueryEngine propagieren, Filter nach Decrypt anwenden
   • Aufwand: Mittel (Context-Propagation durch alle Query-Layers)

3. Performance-Optimierung

   • HKDF-Caching: Wiederholte Feldschlüssel-Ableitungen cachen (TTL: 5 min)
   • Batch-Encryption: Multi-Field Entities parallel verschlüsseln (ThreadPool)
   • SIMD: AES-NI Intrinsics für OpenSSL prüfen

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Long-Term (6-12 Monate)

4. Homomorphic Encryption - Rechnen auf verschlüsselten Daten

   • Use-Case: Aggregationen (SUM(salary)) ohne Decrypt
   • Technologie: Partial Homomorphic Encryption (Paillier)
   • Aufwand: Hoch (neue Crypto-Bibliothek, Performance-Risiko)

5. Secure Multi-Party Computation (SMPC) - Verteilte Schlüsselverwaltung

   • Use-Case: KEK aufgeteilt auf 3 Nodes (2-of-3 Threshold)
   • Technologie: Shamir's Secret Sharing + HSM Integration
   • Aufwand: Sehr Hoch (Enterprise-Feature)

6. Field-Level Access Control - Granulare Berechtigungen

   • Use-Case: User kann email lesen, aber nicht ssn
   • Implementierung: ACL-Schema erweitern, QueryEngine Enforcement
   • Aufwand: Mittel (Policy-Engine Integration)

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Dokumentation

Aktuelle Docs:

• docs/encryption_strategy.md - Architektur & Implementierung
• docs/key_rotation_strategy.md - Rotation Workflows
• docs/encryption_next_steps.md - Dieses Dokument

API-Dokumentation:

• GET/PUT /config/encryption-schema - Schema-Management
• POST /admin/rotate-dek - DEK Rotation
• POST /admin/rotate-group-dek - Group-DEK Rotation
• GET/PUT /entities?decrypt=true - Transparent Decryption

Code-Kommentare:

• include/security/field_encryption.h - FieldEncryption Klasse
• src/server/http_server.cpp::handlePutEntity - Write Path
• src/server/http_server.cpp::handleGetEntity - Read Path
• utils/hkdf_helper.h - HKDF Key-Derivation

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Kontakt & Support

Entwickler:

• Encryption Infrastructure: GitHub Copilot (November 2025)
• Code-Review: ThemisDB Core Team

Issues:

• Performance-Probleme: Benchmarks durchführen, Profiling mit perf (Linux) oder VS Profiler (Windows)
• Decrypt-Fehler: WARN-Logs prüfen (THEMIS_WARN: Failed to decrypt field)
• Key-Rotation-Issues: EncryptedBlob.key_version Feld prüfen

Weitere Hilfe:

• ThemisDB Slack: #encryption Channel
• Wiki: https://github.com/makr-code/ThemisDB/wiki/Encryption