7.10 Key分发系统

为了建立跨服务器、跨项目、跨组织机构的信任关系，Limax集成Key分发系统，在PKIX框架的基础上，实现安全可靠的Key分发。获得的Key可以用来签名，加密，确保信任系统间安全共享信息。

• 7.10.1 设计原则

  • 基本原理

    • 1. 服务器维护一个定时生成的随机数masterKey的数组，使用timestamp索引。

    • 2. 客户端生成nonce，连同信任域名字group，发送给服务器。

    • 3. 服务器执行key = Hash(masterKey, nonce, group)。timestamp和key发还客户端。

    • 4. 客户端组合timestamp，nonce，group形成keyIdent。

    • 5. 客户端使用key签名或者加密消息，连同keyIdent发送给接收客户端。

    • 6. 接收客户端使用keyIdent向服务器请求对应的key，用来验证或者解密消息。

  
  

  • 信任关系设计

    • 1. 通过约定证书签署方式，建立信任关系。

    • 2. 用KDSName约定Key分发系统名，必须使用有效的域名。

    • 3. 服务器证书的Subject中的RDN CommonName指定了KDSName，其它RDN不作约定。

    • 4. 同一Key分发系统中的所有服务器证书必须由同一CA签署。

    • 5. 客户端证书的SubjectAltName中必须有一个DNS条目，指定KDSName。

    • 6. 客户端证书的SubjectAltName中可以有多个URI条目，指定group。

    • 7. 同一CA签名的具有相同KDSName, group的客户端证书, 在Key分发系统中相互信任。例如, 同一CA为系统A, B, C, 签署客户端证书, 使用相同KDSNAme, 其中A包含group G0, G1, B包含group G0, G1, C包含group G0。在G0内, A，B，C可以互相通讯，G1内A，B可以互相通讯。

    • 8. 签发客户端的CA不一定需要与签发服务器的CA相同。不同CA签署的具有相同KDSName，group的客户端证书没有信任关系（实现上生成Key的时候客户端证书Issuer同时参与HASH计算）。

  
  

  • 服务器设计要点

    • 1. 同一CA签署的具有同一KDSName的服务器证书，唯一决定了一个Key服务网络。

    • 2. 定期生成新的masterKey，为消息发送客户端分配key，老的masterKey保留一定时间，保证消息接收客户端能够用keyIdent还原之前的key。

    • 3. Key服务网络设计成基于DHT的P2P网络，masterKey数组在服务网络中分发。P2P方式下服务网络规模不受限制，最大限度保证系统健壮性。

  
  

  • 客户端设计要点

    • 1. nonce用当前时间生成，有机会cache服务器响应，最大限度降低服务器负荷，减少客户端阻塞的机会。

    • 2. nonce的生成精度可调, 可以在签署证书时直接约定, group使用URI表示, 利用URI中fragment部分。例如, G0#10s, 约定了使用group G0时, 以10s为单位生成nonce, 许可的单位为s, m, h, 分别为秒, 分, 小时, 如果不带单位, 默认为毫秒。fragment不存在或者解析失败使用系统默认参数, fragment不作为group一部分。

    • 3. 客户端发起请求前，预先根据自己的证书检查group合法性，避免增加不必要的网络开销。当然，这不妨碍服务器执行检查。

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• 7.10.2 服务器运营

  
  

  • 签署证书

    

    这样的签署的服务器证书约定了Key分发系统key.limax-project.org

  
  

  • 服务器配置（keyserver.xml）

    顶层KeyServer元素，8个属性

    location：服务器证书的location

    passphrase：location的私钥启用密码，实际运营时，不应该填写该属性，而应该在服务器启动时输入。

    trustsPath：信任证书路径, location中已经包含了派生该证书的ROOTCA, 如果要信任其它ROOTCA（或者当前ROOTCA即将过期，应该将新的ROOTCA放置在这里）, 则需要配置trustsPath, trustsPath可以是一个文件, 也可以是一个目录, 如果是目录, 遍历一层, 获取文件, 文件允许任何证书格式, 包括CER, DER, PKCS7, PKCS12, KeyStore, 从中获取ROOTCA，忽略所有错误。

    revocationCheckerOptions：服务器检测对方证书回收状态的选项，可选的值为DISABLE， NO_FALLBACK, ONLY_END_ENTITY, PREFER_CRLS, SOFT_FAIL, 大小写不敏感，后4个参数的解释见java.security.cert.PKIXRevocationChecker.Option，DISABLE具有最高优先级，如果配置了DISABLE，其它配置无意义。

    algorithm：指定了HASH算法，HASH算法决定了服务器返回客户端的Key长度，例如SHA1返回160位Key，SHA-256返回256位Key。

    master：指定了P2P网络的入口服务器列表，逗号分隔，可以是域名，可以是IP。

    keyLifespan：masterKey生存周期，单位为天，超出生存周期的masterKey被服务器删除。

    publishPeriod：masterKey发布周期，单位为天，一个新的周期开始时，服务器向网络中发布一个新的masterKey。没有配置该属性的服务器，不参与发布。理论上，一个服务网络内部只能有一个发布者，现实中可以配置多个保证冗余性，详见高级话题。

  
  

  • 服务器运行

    
    

    java –jar limax.jar keyserver [path to keyserver.xml]
    

    keyserver.xml目录下会生成一个keyserver.dht文件，该文件定时更新，保存了P2P网络中DHT邻居信息，有助于重启服务器时，快速建立邻居关系，不要删除。

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• 7.10.3 客户端开发

  
  

  • 签署证书

    

    这样签署的客户端证书约定了客户端使用Key分发系统key.limax-project.org，具有两个分组prjA和prjB，其中prjA使用10秒的nonce生成精度。

  
  

  • 编程接口

    • 1. limax.key.KeyDesc，Key描述类，提供2个关键方法。

      • 1.1. byte[] getIdent();，获取Key标识。发送端将标识，合并到签名或者加密的消息中发送。接收端使用Key标识向服务器请求对应的Key。

      • 1.2. byte[] getKey(); 获取Key。发送端用Key签名或者加密消息，接收端使用Key验证或者解密。

    • 2. KeyException，使用KeyException.Type getType()返回相关异常。

      • 2.1. SubjectAltNameWithoutDNSName，证书签署错误，SubjectAltName中没有包含DNS类型条目。

      • 2.2. SubjectAltNameWithoutURI，证书签署错误，SubjectAltName中没有包含URI条目。

      • 2.3. MalformedKeyIdent，key标识解码异常，通常是传输过程中被篡改，消息不可信。

      • 2.4. UnsupportedURI，当前客户端证书不支持指定的group。

      • 2.5. ServerRekeyed, 服务器无法使用指定timestamp生成Key。通常是timestamp对应的masterKey过期了, 这种情况下, 信息获取方应该向发送方重新请求消息。

    • 3. limax.key.KeyAllocator，Key分配器类

      • 3.1. KeyAllocator(SSLContextAllocator sslContextAllocator), 使用sslContextAllocator构造一个Key分配器, cache容量1024。可能抛出异常类型SubjectAltNameWithoutDNSName, SubjectAltNameWithoutURI。

      • 3.2. KeyAllocator(SSLContextAllocator sslContextAllocator, int cacheCapacity), 使用sslContextAllocator构造一个Key分配器, 指定cache容量。可能抛出异常类型SubjectAltNameWithoutDNSName, SubjectAltNameWithoutURI。

      • 3.3. KeyDesc createKeyDesc(java.net.URI uri)，信息发送方，请求一个KeyDesc，使用uri指定的group，uri的fragment部分被忽略。可能抛出异常类型UnsupportedURI。如果抛出KeyException之外的异常，通常是网络错误，可以重试。

      • 3.4. KeyDesc createKeyDesc(byte[] ident)，信息接收方, 使用收到的Key标识, 请求KeyDesc。可能抛出异常类型MalformedKeyIdent, UnsupportedURI, ServerRekeyed。如果抛出KeyException之外的异常，通常是网络错误，可以重试。

      • 3.5. String getDNSName()，获取客户端证书中签署的DNSName。

      • 3.6. Map<URI,Long> getURIs()，获取客户端证书中签署的group信息，Map的Value为nonce精度，单位为毫秒。

      • 3.7. void setHost(java.lang.String httpsHost), 指定访问的Key服务网络中的部分Key服务器的域名或者IP地址, 如果没有使用该方法设置服务器地址, 则默认使用getDNSName()返回的域名。如果域名解析出多个IP地址, 这些IP地址被一一访问, 直到没有发生网络错误, 或者全部发生错误, 抛出网络异常。

      • 3.8. String getHost()，返回当前正在使用的Key服务器域名或者IP。

    • 4. 系统属性

      • 4.1. limax.key.KeyAllocator.DEFAULT_PRECISION，nonce精度，单位毫秒，默认3600000。

      • 4.2. limax.key.KeyAllocator.TIMEOUT，网络访问超时，单位毫秒，默认3000。

  
  

  • 应用实现要点

    • 1. 如果服务提供者提供了新的ROOTCA，通过SSLContextAllocator.addTrust加入。

    • 2. 根据服务提供者的建议决定是否需要SSLContextAllocator.setRecovationCheckerOptions。

    • 3. 根据服务提供者的提供的配置决定KeyAllocator.setHost。

    • 4. KeyAllocator.createKeyDesc，正确进行异常分类，KeyException类型属于不可恢复异常，可能需要检查证书配置，或者请求消息发送方重发。其它Exception属于超时之类的网络异常（这样的异常应该非常少, 详见高级话题）, 应该优先考虑重试操作，唯一例外是证书过期导致连接被reset，需要确认日志中的“Certificate renew fail”警告。

    • 5. 应该为消息设计自己的expire机制，masterKey寿命仅仅应该理解为expire的最大值。