Le basi della sicurezza Java

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1. Panoramica

In questo tutorial, esamineremo le basi della sicurezza sulla piattaforma Java. Ci concentreremo anche su ciò che è a nostra disposizione per scrivere applicazioni sicure.

La sicurezza è un argomento vasto che abbraccia molte aree . Alcuni di questi fanno parte del linguaggio stesso, come i modificatori di accesso e i caricatori di classi. Inoltre, altri sono disponibili come servizi, che includono crittografia dei dati, comunicazione sicura, autenticazione e autorizzazione, solo per citarne alcuni.

Pertanto, non è pratico acquisire informazioni significative su tutto ciò in questo tutorial. Tuttavia, proveremo a ottenere almeno un vocabolario significativo.

2. Caratteristiche della lingua

Soprattutto, la sicurezza in Java inizia proprio a livello delle funzionalità del linguaggio . Questo ci consente di scrivere codice sicuro, oltre a beneficiare di molte funzionalità di sicurezza implicite:

  • Digitazione statica dei dati: Java è un linguaggio tipizzato staticamente, che riduce le possibilità di rilevamento in fase di esecuzione degli errori relativi al tipo
  • Modificatori di accesso: Java ci consente di utilizzare diversi modificatori di accesso come pubblico e privato per controllare l'accesso a campi, metodi e classi
  • Gestione automatica della memoria: Java ha una gestione della memoria basata sulla raccolta dei rifiuti , che libera gli sviluppatori dalla gestione manuale
  • Verifica bytecode: Java è un linguaggio compilato, il che significa che converte il codice in bytecode indipendente dalla piattaforma e il runtime verifica ogni bytecode che carica per l'esecuzione

Questo non è un elenco completo delle funzionalità di sicurezza fornite da Java, ma è abbastanza buono da darci qualche garanzia!

3. Architettura di sicurezza in Java

Prima di iniziare a esplorare aree specifiche, dedichiamo un po 'di tempo alla comprensione dell'architettura di base della sicurezza in Java.

I principi fondamentali della sicurezza in Java sono guidati da implementazioni di Provider interoperabili ed estensibili . Una particolare implementazione di Provider può implementare alcuni o tutti i servizi di sicurezza.

Ad esempio, alcuni dei servizi tipici che un fornitore può implementare sono:

  • Algoritmi crittografici (come DSA, RSA o SHA-256)
  • Funzioni di generazione, conversione e gestione delle chiavi (ad esempio per chiavi specifiche di algoritmo)

Java viene fornito con molti provider integrati . Inoltre, è possibile che un'applicazione configuri più provider con un ordine di preferenza.

Di conseguenza, il framework del provider in Java ricerca un'implementazione specifica di un servizio in tutti i provider nell'ordine di preferenza impostato su di essi.

Inoltre, è sempre possibile implementare provider personalizzati con funzioni di sicurezza collegabili in questa architettura.

4. Crittografia

La crittografia è la pietra angolare delle funzionalità di sicurezza in generale e in Java. Si riferisce a strumenti e tecniche per una comunicazione sicura in presenza di avversari .

4.1. Crittografia Java

Java Cryptographic Architecture (JCA) fornisce un framework per accedere e implementare funzionalità crittografiche in Java, tra cui:

  • Firme digitali
  • Digest del messaggio
  • Cifrari simmetrici e asimmetrici
  • Codici di autenticazione dei messaggi
  • Generatori di chiavi e fabbriche di chiavi

Ancora più importante, Java utilizza implementazioni basate su provider per funzioni crittografiche.

Inoltre, Java include provider integrati per algoritmi crittografici di uso comune come RSA, DSA e AES, solo per citarne alcuni. Possiamo utilizzare questi algoritmi per aggiungere sicurezza ai dati a riposo, in uso o in movimento.

4.2. Crittografia in pratica

Un caso d'uso molto comune nelle applicazioni è memorizzare le password degli utenti. Lo usiamo per l'autenticazione in un secondo momento. Ora, è ovvio che la memorizzazione di password in testo normale comprometta la sicurezza.

Quindi, una soluzione è codificare le password in modo tale che il processo sia ripetibile, ma solo unidirezionale. Questo processo è noto come funzione hash crittografica e SHA1 è uno di questi algoritmi popolari.

Quindi, vediamo come possiamo farlo in Java:

MessageDigest md = MessageDigest.getInstance("SHA-1"); byte[] hashedPassword = md.digest("password".getBytes());

In questo caso, MessageDigest è un servizio di crittografia a cui siamo interessati. Stiamo utilizzando il metodo getInstance () per richiedere questo servizio da uno qualsiasi dei fornitori di sicurezza disponibili .

5. Infrastruttura a chiave pubblica

Public Key Infrastructure (PKI) si riferisce alla configurazione che consente lo scambio sicuro di informazioni sulla rete utilizzando la crittografia a chiave pubblica . Questa configurazione si basa sulla fiducia che si crea tra le parti coinvolte nella comunicazione. Questa fiducia si basa su certificati digitali emessi da un'autorità neutrale e affidabile nota come Autorità di certificazione (CA).

5.1. Supporto PKI in Java

La piattaforma Java dispone di API per facilitare la creazione, l'archiviazione e la convalida dei certificati digitali:

  • KeyStore: Java provides the KeyStore class for persistent storage of cryptographic keys and trusted certificates. Here, KeyStore can represent both key-store and trust-store files. These files have similar content but vary in their usage.
  • CertStore: Additionally, Java has the CertStore class, which represents a public repository of potentially untrusted certificates and revocation lists. We need to retrieve certificates and revocation lists for certificate path building amongst other usages.

Java has a built-in trust-store called “cacerts” that contains certificates for well known CAs.

5.2. Java Tools for PKI

Java has some really handy tools to facilitate trusted communication:

  • There is a built-in tool called “keytool” to create and manage key-store and trust-store
  • There is also another tool “jarsigner” that we can use to sign and verify JAR files

5.3. Working with Certificates in Java

Let's see how we can work with certificates in Java to establish a secure connection using SSL. A mutually authenticated SSL connection requires us to do two things:

  • Present Certificate — We need to present a valid certificate to another party in the communication. For that, we need to load the key-store file, where we must have our public keys:
KeyStore keyStore = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType()); char[] keyStorePassword = "changeit".toCharArray(); try(InputStream keyStoreData = new FileInputStream("keystore.jks")){ keyStore.load(keyStoreData, keyStorePassword); }
  • Verify Certificate — We also need to verify the certificate presented by another party in the communication. For this we need to load the trust-store, where we must have previously trusted certificates from other parties:
KeyStore trustStore = KeyStore.getInstance(KeyStore.getDefaultType()); // Load the trust-store from filesystem as before

We rarely have to do this programmatically and normally pass system parameters to Java at runtime:

-Djavax.net.ssl.trustStore=truststore.jks -Djavax.net.ssl.keyStore=keystore.jks

6. Authentication

Authentication is the process of verifying the presented identity of a user or machine based on additional data like password, token, or a variety of other credentials available today.

6.1. Authentication in Java

Java APIs makes use of pluggable login modules to provide different and often multiple authentication mechanisms to applications. LoginContext provides this abstraction, which in turn refers to configuration and loads an appropriate LoginModule.

While multiple providers make available their login modules, Java has some default ones available for use:

  • Krb5LoginModule, for Kerberos-based authentication
  • JndiLoginModule, for username and password-based authentication backed by an LDAP store
  • KeyStoreLoginModule, for cryptographic key-based authentication

6.2. Login by Example

One of the most common mechanisms of authentication is the username and password. Let's see how we can achieve this through JndiLoginModule.

This module is responsible for getting the username and password from a user and verifying it against a directory service configured in JNDI:

LoginContext loginContext = new LoginContext("Sample", new SampleCallbackHandler()); loginContext.login();

Here, we are using an instance of LoginContext to perform the login. LoginContext takes the name of an entry in the login configuration — in this case, it's “Sample”. Also, we have to provide an instance of CallbackHandler, using the LoginModule that interacts with the user for details like username and password.

Let's take a look at our login configuration:

Sample { com.sun.security.auth.module.JndiLoginModule required; };

Simple enough, it suggests that we're using JndiLoginModule as a mandatory LoginModule.

7. Secure Communication

Communication over the network is vulnerable to many attack vectors. For instance, someone may tap into the network and read our data packets as they're being transferred. Over the years, the industry has established many protocols to secure this communication.

7.1. Java Support for Secure Communication

Java provides APIs to secure network communication with encryption, message integrity, and both client and server authentication:

  • SSL/TLS: SSL and its successor, TLS, provide security over untrusted network communication through data encryption and public-key infrastructure. Java provides support of SSL/TLS through SSLSocket defined in the package “java.security.ssl“.
  • SASL: Simple Authentication and Security Layer (SASL) is a standard for authentication between client and server. Java supports SASL as part of the package “java.security.sasl“.
  • GGS-API/Kerberos: Generic Security Service API (GSS-API) offers uniform access to security services over a variety of security mechanisms like Kerberos v5. Java supports GSS-API as part of the package “java.security.jgss“.

7.2. SSL Communication in Action

Let's now see how we can open a secure connection with other parties in Java using SSLSocket:

SocketFactory factory = SSLSocketFactory.getDefault(); try (Socket connection = factory.createSocket(host, port)) { BufferedReader input = new BufferedReader( new InputStreamReader(connection.getInputStream())); return input.readLine(); }

Here, we are using SSLSocketFactory to create SSLSocket. As part of this, we can set optional parameters like cipher suites and which protocol to use.

For this to work properly, we must have created and set our key-store and trust-store as we saw earlier.

8. Access Control

Access Control refers to protecting sensitive resources like a filesystem or codebase from unwarranted access. This is typically achieved by restricting access to such resources.

8.1. Access Control in Java

We can achieve access control in Java using classes Policy and Permission mediated through the SecurityManager class. SecurityManager is part of the “java.lang” package and is responsible for enforcing access control checks in Java.

When the class loader loads a class in the runtime, it automatically grants some default permissions to the class encapsulated in the Permission object. Beyond these default permissions, we can grant more leverage to a class through security policies. These are represented by the class Policy.

During the sequence of code execution, if the runtime encounters a request for a protected resource, SecurityManager verifies the requested Permission against the installed Policy through the call stack. Consequently, it either grants permission or throws SecurityException.

8.2. Java Tools for Policy

Java has a default implementation of Policy that reads authorization data from the properties file. However, the policy entries in these policy files have to be in a specific format.

Java ships with “policytool”, a graphical utility to compose policy files.

8.3. Access Control Through Example

Let's see how we can restrict access to a resource like a file in Java:

SecurityManager securityManager = System.getSecurityManager(); if (securityManager != null) { securityManager.checkPermission( new FilePermission("/var/logs", "read")); }

Here, we're using SecurityManager to validate our read request for a file, wrapped in FilePermission.

But, SecurityManager delegates this request to AccessController. AccessController internally makes use of the installed Policy to arrive at a decision.

Let's see an example of the policy file:

grant { permission java.security.FilePermission <>, "read"; };

We are essentially granting read permission to all files for everyone. But, we can provide much more fine-grained control through security policies.

It's worth noting that a SecurityManager might not be installed by default in Java. We can ensure this by always starting Java with the parameter:

-Djava.security.manager -Djava.security.policy=/path/to/sample.policy

9. XML Signature

XML signatures are useful in securing data and provide data integrity. W3C provides recommendations for governance of XML Signature. We can use XML signature to secure data of any type, like binary data.

9.1. XML Signature in Java

Java API supports generating and validating XML signatures as per the recommended guidelines. Java XML Digital Signature API is encapsulated in the package “java.xml.crypto“.

The signature itself is just an XML document. XML signatures can be of three types:

  • Detached: This type of signature is over the data that is external to the Signature element
  • Enveloping: This type of signature is over the data that is internal to the Signature element
  • Enveloped: This type of signature is over the data that contains the Signature element itself

Certainly, Java supports creating and verifying all the above types of XML signatures.

9.2. Creating an XML Signature

Now, we'll roll up our sleeves and generate an XML signature for our data. For instance, we may be about to send an XML document over the network. Hence, we would want our recipient to be able to verify its integrity.

So, let's see how we can achieve this in Java:

XMLSignatureFactory xmlSignatureFactory = XMLSignatureFactory.getInstance("DOM"); DocumentBuilderFactory documentBuilderFactory = DocumentBuilderFactory.newInstance(); documentBuilderFactory.setNamespaceAware(true); Document document = documentBuilderFactory .newDocumentBuilder().parse(new FileInputStream("data.xml")); DOMSignContext domSignContext = new DOMSignContext( keyEntry.getPrivateKey(), document.getDocumentElement()); XMLSignature xmlSignature = xmlSignatureFactory.newXMLSignature(signedInfo, keyInfo); xmlSignature.sign(domSignContext);

To clarify, we're generating an XML signature for our data present in the file “data.xml”. Meanwhile, there are a few things to note about this piece of code:

  • Firstly, XMLSignatureFactory is the factory class for generating XML signatures
  • XMLSigntaure requires a SignedInfo object over which it calculates the signature
  • XMLSigntaure also needs KeyInfo, which encapsulates the signing key and certificate
  • Finally, XMLSignature signs the document using the private key encapsulated as DOMSignContext

As a result, the XML document will now contain the Signature element, which can be used to verify its integrity.

10. Security Beyond Core Java

As we have seen by now, the Java platform provides a lot of the necessary functionality to write secure applications. However, sometimes, these are quite low-level and not directly applicable to, for example, the standard security mechanism on the web.

For example, when working on our system, we generally don't want to have to read the full OAuth RFC and implement that ourselves. We often need quicker, higher-level ways to achieve security. This is where application frameworks come into the picture – these help us achieve our objective with much less boilerplate code.

And, on the Java platform – generally that means Spring Security. The framework is part of the Spring ecosystem, but it can actually be used outside of pure Spring application.

In simple terms, it helps is achieve authentication, authorization and other security features in a simple, declarative, high-level manner.

Of course, Spring Security is extensively covered in a series of tutorials, as well as in a guided way, in the Learn Spring Security course.

11. Conclusion

In short, in this tutorial, we went through the high-level architecture of security in Java. Also, we understood how Java provides us with implementations of some of the standard cryptographic services.

We also saw some of the common patterns that we can apply to achieve extensible and pluggable security in areas like authentication and access control.

Per riassumere, questo ci fornisce solo un'anteprima delle funzionalità di sicurezza di Java. Di conseguenza, ciascuna delle aree discusse in questo tutorial merita un'ulteriore esplorazione. Ma si spera che dovremmo avere abbastanza informazioni per iniziare in questa direzione!

Fondo Java

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