基于Ｓｔｒｕｔｓ的屬性證書系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：基于角色的訪問控制，使角色成為信息訪問主體，可以有效地解決安全訪問問題。文章以O(shè)penPERMIS為開發(fā)原型，采用Struts框架技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了RBAC中的屬性證書管理系統(tǒng)，功能包括屬性證書的創(chuàng)建、編輯、驗證、撤銷、查詢等，為將RBAC系統(tǒng)成功運用到基于Web的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：Struts框架；屬性證書管理；RBAC；訪問控制

0 引言

基于角色的訪問控制(Role Based Access Control，RBAC)是近年來訪問控制領(lǐng)域的研究熱點。RBAC通過引入角色概念不但降低訪問控制管理的復(fù)雜性和開銷，而且為系統(tǒng)管理員提供了比較好的實現(xiàn)安全策略的環(huán)境。目前比較成功的RBAC產(chǎn)品之一是英國Salford大學(xué)開發(fā)的PERMIS系統(tǒng)，并且提供了C／S結(jié)構(gòu)的開放源——openPERMIS。

由于目前很多應(yīng)用系統(tǒng)是基于Web服務(wù)的，因此需要考慮在Web方式下RBAC的實現(xiàn)。其中，屬性證書作為RBAC模型的授權(quán)信息載體，是RBAC模型中極其重要的一環(huán)，因此我們著重研究在Web方式下實現(xiàn)對屬性證書的動態(tài)管理。

現(xiàn)代的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)框架大都采用模型一視圖一控制(MVC)設(shè)計模式——使邏輯和描述被分開，由一個邏輯流控制器來協(xié)調(diào)來自客戶端的請求和服務(wù)器上將采取的行動。這條途徑成為了網(wǎng)絡(luò)開發(fā)事實上的標(biāo)準(zhǔn)。Struts是Apache軟件基金下Jakarta項目的一部分，已經(jīng)是—個較為穩(wěn)定、成熟的MVC框架，因此本文以O(shè)penPERMIS系統(tǒng)為原型，研究Web方式下的屬性證書管理，采用Struts框架進行設(shè)計與實現(xiàn)，為RBAC在Web模式下的廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 需求描述

屬性證書是由PMI的屬性權(quán)威機構(gòu)簽發(fā)的包含某持有者的屬性集和一些與持有者相關(guān)信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于這些屬性集能夠用于定義系統(tǒng)中用戶的權(quán)限，因此屬性證書可看作是權(quán)限信息的載體。屬性權(quán)威以數(shù)字簽名來保證實體與其權(quán)力屬性相綁定的有效性和合法性。在本文中使用PKCS#12格式的證書，進行數(shù)據(jù)的封裝存儲。

通常RBAC系統(tǒng)主要分為三個功能模塊：屬性證書管理模塊(創(chuàng)建角色證書、創(chuàng)建策略證書、編輯屬性證書、驗證屬性證書、撤銷屬性證書、查詢屬性證書六個子模塊組成)；訪問控制模塊(由獲取用戶屬性證書、ADF驗證用戶角色、AEF執(zhí)行用戶請求三個子模塊組成)；系統(tǒng)管理模塊(由用戶管理、角色管理、資源管理和操作管理四個子模塊組成)。

屬性證書和RBAC模型信息通常會使用LDAP目錄服務(wù)器作為存儲數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)選擇使用密歇根大學(xué)開發(fā)的OpenLDAP軟件包；OpenLDAP可以在Linux上穩(wěn)定運行、易于配置并且有良好的編程接口。

可以將屬性證書管理模塊功能詳細分解為以下幾個方面：

創(chuàng)建屬性證書用戶選擇適當(dāng)?shù)膶傩宰C權(quán)威源(sOA)后提交證書版本號、序列號、有效期、頒發(fā)者ID、屬性信息、PKCS#12文件的訪問密碼、存儲DN等必要信息，由系統(tǒng)生成屬性證書并保存到LDAP上。

編輯屬性書(策略與角色)用戶選擇SOA及證書存儲DN，系統(tǒng)列出該DN中所有的屬性證書，用戶從證書列表中選擇證書進行編輯。

驗證屬性證書用戶選擇SOA、證書存儲DN及PKCS#12文件的訪問密碼后，系統(tǒng)列出此DN下的所有屬性證書，用戶從證書列表中選擇證書進行驗證。驗證分為兩步，分別對屬性證書的簽名和有效期進行驗證。

查詢屬性證書用戶選擇SOA及證書存儲DN，系統(tǒng)列出該DN中所有的屬性證書，用戶從證書列表中選擇證書查看其內(nèi)容。

撤銷屬性證書對于一些過期或簽名無效的證書，系統(tǒng)提供撤銷功能。用戶選擇SOA、證書存儲DN、PKCS#12文件訪問密碼，系統(tǒng)列出該DN下所有的屬性證書，用戶選擇屬性證書進行撤銷，撤銷后LDAP將不再保存該證書信息。

2 屬性證書類圖與APl包

2．1屬性證書類圖

在OpenPERMIS原型系統(tǒng)中屬性證書遵循X．509協(xié)議規(guī)定的ASN．1編碼證書格式，因此證書的每個字段類都繼承ASNlType接口。

根據(jù)RFC3281中對屬性證書的ASN．1語法定義，屬性證書主要由三部分組成：屬性證書主體信息、簽名算法標(biāo)識符和簽名值。其中主體信息又包括證書版本號、持有者、頒發(fā)者、有效期、屬性信息、擴展等信息，而持有者信息又分baseCertificateID結(jié)構(gòu)模式、entityName結(jié)構(gòu)模式與OhjectDigestlnfo結(jié)構(gòu)模式，頒發(fā)者類型根據(jù)版本不同又可分為V1Form與V2Form。經(jīng)過源碼分析，我們得到了圖1表示的各字段之間的類圖關(guān)系。

圖1 屬性證書的類圖關(guān)系

2．2底層API包

OpenPERMIS開發(fā)包內(nèi)提供了底層API供我們引用(見表1)，此外我們還增加了一些自定義的包以便系統(tǒng)調(diào)用。其中OpenPERMIS提供了對屬性證書進行操作的工具，IAIK提供了證書編碼及簽名算法的工具。

表1 OpenPERMS底層API包

出于Web開發(fā)的需要，我們在系統(tǒng)中自定義了一些包以便自身的調(diào)用(見表2)。

表2 自定義包

3 基于Struts框架的屬性證書管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

Struts framework是MVC模式的體現(xiàn)：從視圖角度，主要可由JSP建立，struts自身包含了一組可擴展的自定義標(biāo)簽庫，可以簡化創(chuàng)建用戶界面的過程；從模型角度，主要是表示一個系統(tǒng)的狀態(tài)，在Struts中，系統(tǒng)的狀態(tài)主要由ActiomFormBean體現(xiàn)，這些狀態(tài)是非持久性的；從控制器角度主要是AcfionServlet，但是對于業(yè)務(wù)邏輯的操作則主要由Action、ActionMapping、ActionForward這幾個組件協(xié)調(diào)完成。在這部分我們結(jié)合struts框架給出了屬性證書管理系統(tǒng)中的主要模塊的設(shè)計與實現(xiàn)代碼。

3．1屬性證書的創(chuàng)建

屬性證書中角色證書存儲用戶角色信息，策略證書存儲所有資源的訪問控制規(guī)則，是整個訪問控制模塊的決策依據(jù)。我們設(shè)計實現(xiàn)的創(chuàng)建證書流程，主要分以下幾步：

(1)選擇適當(dāng)SOA，由SOA確定PKCS#12文件。PKCS#12中包含用于簽名的私鑰。

(2)從參數(shù)中獲取證書的相關(guān)信息來設(shè)置版本號、序列號、有效期、頒發(fā)者ID和擴展信息。

(3)設(shè)置屬性信息：從參數(shù)中獲取屬性信息，包括一個或多個屬性的Vector對象。屬性由屬性類型和屬性值組成，其中屬性值也是包括一個以上值的Vector對象。

(4)從參數(shù)中獲取PKCS#12文件的文件名和訪問密碼，從PKCS#12文件中獲取頒發(fā)者信．息、簽名算法和私鑰。

(5)根據(jù)前面獲取的基本信息建立屬性證書的主體字段AttributeCertificatelnfo，并對其進行DER編碼。

(6)根據(jù)第4步獲得的簽名算法和私鑰對DER編碼后的attributeCertificatelnfo進行簽名。

(7)根據(jù)未經(jīng)過DER編碼的主體字段AttributeCertificatelnfo、簽名算法和主體字段AttributeCertificatelnfo的簽名值建立屬性證書AC結(jié)構(gòu)AttributeCertificate，并對其進行DER編碼。

(8)將證書保存到LDAP相應(yīng)的DN下。

根據(jù)上述流程的描述，我們從MVC角度給出創(chuàng)建角色證書子模塊的描述：

(1)視圖角度，見表3。

3．2屬性證書的編輯

編輯屬性證書的過程與創(chuàng)建屬性證書的過程有點類似，不同的是編輯屬性證書模塊證書的各個字段都已賦值，用戶只需修改相應(yīng)字段即可。在保存的過程中，創(chuàng)建屬性證書模塊向LDAP的相應(yīng)DN下增加屬性證書，而編輯屬性證書模塊則替換原有的屬性證書。

編輯屬性證書流程主要分以下幾步：

(1)選擇合適的SOA，一個SOA對應(yīng)一個PKCS#12文件，通過PKCS#12文件判斷此證書是否由該SOA簽發(fā)。

(2)選擇屬性證書所在的DN，獲得證書列表。

(3)從證書列表中選取要編輯的屬性證書。

(4)系統(tǒng)顯示所選證書內(nèi)容，用戶進行修改操作。

(5)從證書簽發(fā)者的PKCS#12文件中獲取簽發(fā)者信息、簽名算法和私鑰。

(6)根據(jù)前面獲取的基本信息建立屬性證書的主體字段AttributeCertificatelnfo，并對其進行DER編碼。

(7)根據(jù)第5步獲得的簽名算法和簽發(fā)者的私鑰對DER編碼后的AttributeCertificatelnfo進行簽名。

(8)根據(jù)主體字段AttributeCertificatelnfo、簽名算法signatureAlgorithm和主體字段AttributeCertificatelnfo的簽名值型signatureValue建立屬性證書AC結(jié)構(gòu)AttributeCertificate，并對其進行DER編碼。

(9)替換原有證書。

3．3屬性證書的驗證

屬性證書的驗證可分為兩步，第一步為驗證屬性證書的簽名，即驗證屬性證書的合法性。第二步為驗證屬性證書的有效期。其實現(xiàn)的步驟有：

(1)選擇合適的SOA，一個SOA對應(yīng)一個PKCS#12文件，即由SOA決定用于驗證的公鑰。

(2)通過PKCS#12訪問密碼訪問PKCS#12文件。從PKCS#12證書包內(nèi)取得密鑰對。

(3)密鑰對進行自我驗證以判斷密鑰是否匹配。

(4)從密鑰對里取得公鑰證書驗證證書簽名有效性。

(5)從證書主體字段中獲得有效期。

(6)將有效期與當(dāng)前日期進行比較以判斷證書是否過期。

(7)返回驗證結(jié)果。

3．4屬性證書的撤銷

證書的撤銷需要提供PKCS#12及訪問密碼，通過驗證屬性證書來判斷此證書是否為該SOA簽發(fā)。如果驗證沒有通過則拒絕撤銷操作。證書的撤銷是一個替換的過程，而不是簡單的刪除工作，簡單的刪除操作會把相應(yīng)DN下所有的證書都刪除掉。所以我們的解決方案是：從LDAP相應(yīng)的DN下獲得證書列表，取得要撤銷的證書，用一個Vector數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存剩余的屬性證書，再用此Vector替換原DN下所有的屬性證書。

綜合以上分析給出屬性證書撤銷的流程，主要分以下幾步。

(1)選擇合適的SOA，一個SOA對應(yīng)一個PKCS#12文件，通過PKCS#12文件判斷此證書是否由該SOA簽發(fā)。

(2)選擇屬性證書所在的DN，獲得證書列表。

(3)從證書列表中選取要撤銷的證書。

(4)用Vector構(gòu)造剩余證書列表。

(5)用Vector中證書列表替換DN下證書列表。

4 結(jié)束語

本文在分析OpenPERMIS開源代碼基礎(chǔ)上，基于Struts框架，進行了屬性證書管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。文中主要描述了屬性證書的類圖和相關(guān)的API包提供基礎(chǔ)的支持，詳細介紹了屬性證書的創(chuàng)建，編輯，驗證和撤消模塊的處理流程和代碼實現(xiàn)。本文所描述的是基于RBAC信息系統(tǒng)的Web實現(xiàn)的屬性證書管理模塊，能夠為用戶的角色管理提供方便，為RBAC在Web系統(tǒng)上的應(yīng)用提供了關(guān)鍵支持，已經(jīng)投入使用。

本文提出并實現(xiàn)了基于struts框架的屬性證書系統(tǒng)，可以進行基于Web方式的屬性證書管理，有利于RBAC在Web上的部署與實現(xiàn)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。