【ROS2】高级:安全-理解安全密钥库

目标:探索位于 ROS 2 安全密钥库中的文件。

教程级别:高级

时间:15 分钟

内容

  • 背景

  • 安全工件位置

    • 公钥材料

    • 私钥材料

    • 域治理政策

    • 安全飞地

  • 参加测验!

背景

在继续之前,请确保您已完成设置安全教程。

sros2 包可以用来**创建启用 ROS 2 安全性所需的密钥、证书和策略。**然而,安全配置非常灵活。对 ROS 2 安全密钥库的基本理解将允许与现有的 PKI(公钥基础设施)集成,并根据组织政策管理敏感密钥材料。

安全工件位置

之前的教程中启用通信安全后,让我们来看看启用安全性时创建的文件。这些文件使加密成为可能。

java 复制代码
cxy@cxy-Ubuntu2404:~/sros2_demo$ sudo apt install tree
cxy@cxy-Ubuntu2404:~/sros2_demo$ tree
.
└── demo_keystore
    ├── enclaves
    │   ├── governance.p7s
    │   ├── governance.xml
    │   └── talker_listener
    │       ├── listener
    │       │   ├── cert.pem
    │       │   ├── governance.p7s -> ../../governance.p7s
    │       │   ├── identity_ca.cert.pem -> ../../../public/identity_ca.cert.pem
    │       │   ├── key.pem
    │       │   ├── permissions_ca.cert.pem -> ../../../public/permissions_ca.cert.pem
    │       │   ├── permissions.p7s
    │       │   └── permissions.xml
    │       └── talker
    │           ├── cert.pem
    │           ├── governance.p7s -> ../../governance.p7s
    │           ├── identity_ca.cert.pem -> ../../../public/identity_ca.cert.pem
    │           ├── key.pem
    │           ├── permissions_ca.cert.pem -> ../../../public/permissions_ca.cert.pem
    │           ├── permissions.p7s
    │           └── permissions.xml
    ├── private
    │   ├── ca.key.pem
    │   ├── identity_ca.key.pem -> ca.key.pem
    │   └── permissions_ca.key.pem -> ca.key.pem
    └── public
        ├── ca.cert.pem
        ├── identity_ca.cert.pem -> ca.cert.pem
        └── permissions_ca.cert.pem -> ca.cert.pem


8 directories, 22 files

sros2 实用程序 ( ros2 security ... ) 将文件分为公共、私有和飞地密钥材料

ROS 使用由环境变量 ROS_SECURITY_KEYSTORE 定义的目录作为密钥库 。在本教程中,我们使用目录 ~/sros2_demo/demo_keystore

公钥材料

您将在 ~/sros2_demo/demo_keystore/public 的公共目录中找到三个加密证书 ;然而,身份和权限证书实际上只是指向证书颁发机构(CA)证书的链接

在公钥基础设施中,证书颁发机构充当信任锚:它验证参与者的身份和权限。 对于 ROS,这意味着所有参与 ROS 图的节点(可能扩展到整个单机器人舰队)。通过将证书颁发机构的证书( ca.cert.pem )放置在机器人上的适当位置,所有 ROS 节点都可以使用相同的证书颁发机构与其他节点建立相互信任。

虽然在我们的教程中我们会即时创建证书颁发机构,但在生产系统中,这应该根据预定义的安全计划进行 。通常,生产系统的证书颁发机构将离线创建,并在初始设置期间放置在机器人上。它可能是每个机器人独有的,或者在一群机器人之间共享,所有这些机器人都旨在相互信任。

DDS(以及扩展的 ROS)支持身份和权限信任链的分离,因此每个功能都有自己的证书颁发机构。在大多数情况下,ROS 系统安全计划不需要在这些职责之间进行分离,因此安全实用程序生成一个用于身份和权限的单一证书颁发机构。

使用 openssl 查看此 x509 证书并将其显示为文本:

typescript 复制代码
cd ~/sros2_demo/demo_keystore/public
openssl x509 -in ca.cert.pem -text -noout

输出应类似于以下内容:

ruby 复制代码
Certificate:
  Data:
      Version: 3 (0x2)
      Serial Number:
          02:8e:9a:24:ea:10:55:cb:e6:ea:e8:7a:c0:5f:58:6d:37:42:78:aa
      Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA256
      Issuer: CN = sros2CA
      Validity
          Not Before: Jun  1 16:57:37 2021 GMT
          Not After : May 31 16:57:37 2031 GMT
      Subject: CN = sros2CA
      Subject Public Key Info:
          Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
              Public-Key: (256 bit)
              pub:
                  04:71:e9:37:d7:32:ba:b8:a0:97:66:da:9f:e3:c4:
                  08:4f:7a:13:59:24:c6:cf:6a:f7:95:c5:cd:82:c0:
                  7f:7f:e3:90:dd:7b:0f:77:d1:ee:0e:af:68:7c:76:
                  a9:ca:60:d7:1e:2c:01:d7:bc:7e:e3:86:2a:9f:38:
                  dc:ed:39:c5:32
              ASN1 OID: prime256v1
              NIST CURVE: P-256
      X509v3 extensions:
          X509v3 Basic Constraints: critical
              CA:TRUE, pathlen:1
  Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA256
       30:45:02:21:00:d4:fc:d8:45:ff:a4:51:49:98:4c:f0:c4:3f:
       e0:e7:33:19:8e:31:3c:d0:43:e7:e9:8f:36:f0:90:18:ed:d7:
       7d:02:20:30:84:f7:04:33:87:bb:4f:d3:8b:95:61:48:df:83:
       4b:e5:92:b3:e6:ee:3c:d5:cf:30:43:09:04:71:bd:dd:7c
  • 关于此 CA 证书的一些注意事项:

    • 证书主题名称 sros2CAsros2 实用程序提供的默认名称

    • 此证书自创建之日起有效期为十年

    • 像所有证书一样,这包含用于公私钥加密的公钥

    • 作为根证书颁发机构,这是一个自签名证书 https://en.wikipedia.org/wiki/Self-signed_certificate ;即,它是使用自己的私钥签名的。

由于这是一个公共证书,因此可以根据需要自由复制,以在整个 ROS 系统中建立信任。

私钥材料

私钥材料可以在密钥库目录 ~/sros2_demo/demo_keystore/private 中找到。与 public 目录类似,其中包含一个证书颁发机构密钥 ca.key.pem 及其符号链接,用作身份和权限 CA 私钥。

警告

保护此私钥并创建其安全备份!

这是与公共证书颁发机构相关的私钥,它作为您 ROS 系统中所有安全性的锚点。您将使用它来修改 ROS 图的加密策略并添加新的 ROS 参与者 。根据您的机器人安全需求,可以通过访问权限保护密钥并将其锁定到另一个帐户,或者可以将其完全移出机器人并移到另一个系统或设备上如果文件丢失,您将无法更改访问权限并向系统添加新参与者。同样,任何拥有文件访问权限的用户或进程都可以修改系统策略和参与者。

此文件仅用于配置机器人,但机器人运行时不需要 。它可以安全地离线存储在另一个系统或可移动介质中。

sros2 实用程序使用椭圆曲线密码术而不是 RSA,以提高安全性并减少密钥大小。使用以下命令显示有关此椭圆曲线私钥的详细信息:

typescript 复制代码
cd ~/sros2_demo/demo_keystore/private
openssl ec -in ca.key.pem -text -noout

您的输出应类似于以下内容:

css 复制代码
read EC key
Private-Key: (256 bit)
priv:
    93:da:76:b9:e3:91:ab:e9:42:76:f2:38:f1:9d:94:
    90:5e:b5:96:7b:7f:71:ee:13:1b:d4:a0:f9:48:fb:
    ae:77
pub:
    04:71:e9:37:d7:32:ba:b8:a0:97:66:da:9f:e3:c4:
    08:4f:7a:13:59:24:c6:cf:6a:f7:95:c5:cd:82:c0:
    7f:7f:e3:90:dd:7b:0f:77:d1:ee:0e:af:68:7c:76:
    a9:ca:60:d7:1e:2c:01:d7:bc:7e:e3:86:2a:9f:38:
    dc:ed:39:c5:32
ASN1 OID: prime256v1
NIST CURVE: P-256

除了私钥本身,请注意列出了公钥,并且它与证书颁发机构 ca.cert.pem 中列出的公钥匹配。

域治理政策

在密钥库的飞地目录中找到域治理策略, ~/sros2_demo/demo_keystore/enclavesenclave 目录包含XML 治理策略文档 governance.xml ,以及由权限 CA 签署的文档副本 governance.p7s

governance.p7s 文件包含域范围的设置,例如如何处理未经身份验证的参与者、是否加密发现以及访问主题的默认规则。

使用以下命令验证治理文件的 S/MIME 签名:

cs 复制代码
openssl smime -verify -in governance.p7s -CAfile ../public/permissions_ca.cert.pem

安全飞地

安全进程(通常是 ROS 节点)在安全飞地内运行 。在最简单的情况下,所有进程可以合并到同一个飞地中,所有进程将使用相同的安全策略 。然而,为了对不同的进程应用不同的策略,可以在启动时使用不同的安全飞地。 有关安全飞地的更多详细信息,请参阅设计文档https://design.ros2.org/articles/ros2_security_enclaves.html运行节点时,通过使用 ROS 参数 --enclave 来指定安全飞地。

每个安全飞地需要六个文件才能启用安全性 。每个文件必须按下文定义的名称命名,并按照 DDS 安全标准中的规定进行命名。为了避免拥有多个相同文件的副本, sros2 实用程序为每个飞地创建到单个治理策略、身份 CA 和权限 CA 的链接。

请参阅 listener 飞地内的以下六个文件。三个是特定于此飞地的,而三个是此 ROS 系统的通用文件:

  • key.pem ,用于在此飞地内加密和解密的私钥

  • cert.pem此飞地的公共证书;此证书已由身份 CA 签署

  • permissions.p7s此飞地的权限;此文件已由权限 CA 签名

  • governance.p7s此域的已签署安全策略文件的链接

  • identity_ca.cert.pem, 此域的身份 CA 链接

  • permissions_ca.cert.pem ,此域的权限 CA 链接

私钥 key.pem 应根据您的安全计划进行保护。此密钥用于加密、解密和验证此特定飞地内的通信。如果密钥丢失或被盗,请撤销该密钥并为此飞地创建一个新身份。

该目录中还创建了文件 permissions.xml ,可用于重新创建签名的权限文件。但是,由于 DDS 使用的是文件的签名版本,因此不需要此文件来启用安全性。

参加测验!

看看你能否回答这些关于 ROS 安全密钥库的问题。首先,打开一个新的终端会话,并启用在前面的教程中创建的密钥库的安全性

javascript 复制代码
export ROS_SECURITY_KEYSTORE=~/sros2_demo/demo_keystore
export ROS_SECURITY_ENABLE=true
export ROS_SECURITY_STRATEGY=Enforce


cd ~/sros2_demo/demo_keystore/enclaves/talker_listener/listener

在开始之前,请先备份 permissions.p7s

http 复制代码
MIME-Version: 1.0
Content-Type: multipart/signed; protocol="application/x-pkcs7-signature"; micalg="sha-256"; boundary="===============1982425736132065620=="


This is an S/MIME signed message


--===============1982425736132065620==
Content-Type: text/plain


<dds xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xsi:noNamespaceSchemaLocation="http://www.omg.org/spec/DDS-SECURITY/20170901/omg_shared_ca_permissions.xsd">
  <permissions>
    <grant name="/talker_listener/listener">
      <subject_name>CN=/talker_listener/listener</subject_name>
      <validity>
        <not_before>2024-07-19T03:38:43</not_before>
        <not_after>2034-07-18T03:38:43</not_after>
      </validity>
      <allow_rule>
        <domains>
          <id>0</id>
        </domains>
        <publish>
          <topics>
            <topic>rq/*/_action/cancel_goalRequest</topic>
            <topic>rq/*/_action/get_resultRequest</topic>
            <topic>rq/*/_action/send_goalRequest</topic>
            <topic>rq/*Request</topic>
            <topic>rr/*/_action/cancel_goalReply</topic>
            <topic>rr/*/_action/get_resultReply</topic>
            <topic>rr/*/_action/send_goalReply</topic>
            <topic>rt/*/_action/feedback</topic>
            <topic>rt/*/_action/status</topic>
            <topic>rr/*Reply</topic>
            <topic>rt/*</topic>
          </topics>
        </publish>
        <subscribe>
          <topics>
            <topic>rq/*/_action/cancel_goalRequest</topic>
            <topic>rq/*/_action/get_resultRequest</topic>
            <topic>rq/*/_action/send_goalRequest</topic>
            <topic>rq/*Request</topic>
            <topic>rr/*/_action/cancel_goalReply</topic>
            <topic>rr/*/_action/get_resultReply</topic>
            <topic>rr/*/_action/send_goalReply</topic>
            <topic>rt/*/_action/feedback</topic>
            <topic>rt/*/_action/status</topic>
            <topic>rr/*Reply</topic>
            <topic>rt/*</topic>
          </topics>
        </subscribe>
      </allow_rule>
      <allow_rule>
        <domains>
          <id>0</id>
        </domains>
        <publish>
          <topics>
            <topic>ros_discovery_info</topic>
          </topics>
        </publish>
        <subscribe>
          <topics>
            <topic>ros_discovery_info</topic>
          </topics>
        </subscribe>
      </allow_rule>
      <default>DENY</default>
    </grant>
  </permissions>
</dds>


--===============1982425736132065620==
Content-Type: application/x-pkcs7-signature; name="smime.p7s"
Content-Transfer-Encoding: base64
Content-Disposition: attachment; filename="smime.p7s"

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--===============1982425736132065620==--

这个 permissions.p7s 文件是一个 S/MIME 签名的消息,包含了 ROS2 的权限策略。以下是详细解释:

MIME 头部

  • MIME-Version: 1.0:MIME 版本。

  • Content-Type: multipart/signed; protocol="application/x-pkcs7-signature"; micalg="sha-256"; boundary="===============1982425736132065620==":表示这是一个多部分签名的消息,使用 SHA-256 算法进行签名,边界字符串用于分隔消息的不同部分。

消息内容

  • This is an S/MIME signed message:说明这是一个 S/MIME 签名的消息。

第一部分:权限策略

  • Content-Type: text/plain:内容类型为纯文本。
权限策略 XML

这个 XML 文件定义了 /talker_listener/listener 节点的权限,包括允许发布和订阅的主题,以及权限的有效期。

第二部分:签名

  • Content-Type: application/x-pkcs7-signature; name="smime.p7s":内容类型为 PKCS#7 签名。

  • Content-Transfer-Encoding: base64:内容传输编码为 base64。

  • Content-Disposition: attachment; filename="smime.p7s" :附件的文件名为 smime.p7s

签名内容

这是一个 base64 编码的签名,用于验证上述权限策略的完整性和真实性。

问题 1

在文本编辑器中打开 permissions.p7s 。对 XML 内容进行微小的更改(例如,添加一个空格或空行)并保存文件。启动监听节点:

nginx 复制代码
ros2 run demo_nodes_cpp listener --ros-args --enclave /talker_listener/listener

你期望会发生什么?

你能启动 talker 节点吗?

nginx 复制代码
ros2 run demo_nodes_cpp talker --ros-args --enclave /talker_listener/talker

启动监听器和启动说话者之间有什么区别?

答案 1

侦听器无法启动并抛出错误。permissions.p7s 文件被修改时------无论多么微小------文件的签名变得无效。当权限文件无效时,节点将无法在启用和强制安全的情况下启动。

讲话者将按预期开始。它在不同的飞地中使用 permissions.p7s 文件,并且该文件仍然有效。

问题 2

什么命令可以让你检查修改后的 permissions.p7s 文件上的签名是否有效?

答案 2

检查 permissions.p7s 是否已使用 openssl smime 命令由权限 CA 正确签名

css 复制代码
openssl smime -verify -in permissions.p7s -CAfile permissions_ca.cert.pem

在继续下一个教程之前,请恢复您原始的、正确签名的 permissions.p7s 文件。

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