Java Web Services: 不使用客户端证书的 WS-Security

了解如何在不需要客户端证书时使用 WS-Security 对称加密进行安全交换

WS-Security 对称加密使您能够在不需要客户端证书的前提下保证客户端和服务器交换的消息的安全性。您可以直接使用它,或者在 WS-SecureConversation 交换的辅助程序中使用这个技术。在本文中,您将了解如何在以下三个主流开源 Java™ Web Services 中配置和使用对称加密:Axis2、Metro 和 CXF。您还将看到普通的 WS-Security 对称加密与 WS-SecureConversation 的性能比较。

Dennis Sosnoski, 架构咨询师和培训师, Sosnoski Software Associates Ltd

Author photoDennis Sosnoski 是一名咨询师和培训师,专长是基于 Java 的 XML 和 Web 服务。他有 30 多年的专业软件开发经验,最近 10 年一直致力于服务器端 XML 和 Java 技术方面的工作。Dennis 是开源 JiBX XML Data Binding 框架及相关的 JiBX/WS Web 服务框架的首席开发人员,也是 Apache Axis2 Web 服务框架的提交者。他还是 JAX-WS 2.0 和 JAXB 2.0 规范的专家组成员之一。



2010 年 9 月 26 日

关于本系列文章

Web Services 是企业计算中 Java 技术的重要组成部分。在本系列文章中,XML 和 Web Services 咨询师 Dennis Sosnoski 介绍了两个对于使用 Web Services 的 Java 开发人员来说非常重要的主流框架和技术。阅读本系列文章来了解这个领域的最新开发动态,并了解您可以如何使用它们来帮助您开发编程项目。

许多 WS-Security 配置要求客户端和服务器都使用 public/private 密钥对,使用 X.509 证书保证公共密钥的身份。这是使用 WS-Security 进行消息签名或加密中最广泛使用的技术,而且它有一些优势。特别地,客户端证书对请求提供了较严格的客户端身份验证和较严格的签名保证。但是它也有缺点,包括不对称加密的性能开销和每个客户端获取和维护证书的繁琐管理。

WS-SecureConversation 性能” 介绍 WS-SecureConversation — 虽然仍然使用客户端证书 — 是如何使用对称加密来减少客户端和服务器之间持续交换消息的性能开销。在本文中,您将会了解您可以如何更一步地打破在普通的 WS-Security 和 WS-SecureConversation 交换方面都需要客户端证书的现状。

不需要客户端证书的加密和签名

使用不对称加密和 public/private 密钥对进行消息的签名和加密是很简单的(至少概念上很简单)。正如在 “Axis2 WS-Security 签名和加密” 中所介绍的,您可以使用您的私钥对消息进行签名,并使用接收者的公钥对消息进行加密。任何得到您的公钥(一般以 X.509 证书的形式封装在多层认证中)的人都可以验证您使用私钥生成的签名,但是只有对应私钥的拥有者才能够解密使用公钥加密的消息。

如果客户端没有 public/private 密钥对,您就无法使用完整的不对称加密技术。另外一种方法是对称加密,但是使用对称加密时,您必须拥有只有参与消息交换各方才知道的密钥。您可以如何创建这样一个保密密钥呢?

WS-Security 所使用的技术是要使客户端生成一个保密密钥值,然后再使用不对称加密和服务器公钥对它进行加密,并将它嵌入到一个 <xenc:EncryptedKey> 令牌的请求消息中。客户端可以使用这个保密密钥(或者更安全的做法是使用由保密密钥生成的单独密钥)来对请求消息进行加密和/或签名,而服务器也可以对响应消息做相同的操作。服务器不需要将保密密钥发送回客户端,因为客户端已经拥有了这个保密密钥。


WS-SecurityPolicy 配置

使用客户端生成密钥的对称加密的 WS-Policy/WS-SecurityPolicy 配置是很简单的。清单 1 显示的是本文所使用的版本。这个策略使用客户端生成的保密密钥来规定发送到两个方向的消息体加密方式。

清单 1. 用于加密所有消息体的 WS-Policy
<wsp:Policy wsu:Id="SymmEncr"
    xmlns:wsu="http://.../oasis-200401-wss-wssecurity-utility-1.0.xsd"
    xmlns:wsp="http://schemas.xmlsoap.org/ws/2004/09/policy"
    xmlns:wsaw="http://www.w3.org/2006/05/addressing/wsdl"
    xmlns:sp="http://docs.oasis-open.org/ws-sx/ws-securitypolicy/200702">
  <wsp:ExactlyOne>
    <wsp:All>
      <sp:SymmetricBinding>
        <wsp:Policy>
          <sp:ProtectionToken>
            <wsp:Policy>
              <sp:X509Token sp:IncludeToken=".../IncludeToken/Never">
                <wsp:Policy>
                  <sp:RequireDerivedKeys/>
                  <sp:RequireThumbprintReference/>
                  <sp:WssX509V3Token10/>
                </wsp:Policy>
              </sp:X509Token>
            </wsp:Policy>
          </sp:ProtectionToken>
          <sp:AlgorithmSuite>
            <wsp:Policy>
              <sp:Basic128Rsa15/>
            </wsp:Policy>
          </sp:AlgorithmSuite>
          <sp:Layout>
            <wsp:Policy>
              <sp:Strict/>
            </wsp:Policy>
          </sp:Layout>
        </wsp:Policy>
      </sp:SymmetricBinding>
      <sp:Wss11>
        <wsp:Policy>
          <sp:MustSupportRefKeyIdentifier/>
          <sp:MustSupportRefThumbprint/>
          <sp:MustSupportRefEncryptedKey/>
        </wsp:Policy>
      </sp:Wss11>
      <sp:EncryptedParts>
        <sp:Body/>
      </sp:EncryptedParts>
    </wsp:All>
  </wsp:ExactlyOne>
</wsp:Policy>

清单 1 策略中的 <sp:SymmetricBinding> 断言是配置使用带有保密密钥的对称加密的代码。所嵌入的 <sp:X509Token> 断言表示有一个 X.509 证书将用于保护保密密钥的传输(即,加密所传输的保密密钥),而这是使用指纹引用(本质上是一个散列值)识别的证书。客户端生成的保密密钥是隐式使用带有 <sp:X509Token> 保护令牌的 <sp:SymmetricBinding> 断言。其他策略断言则规定了加密算法的细节和必要的特性,而最终 <sp:EncryptedParts> 断言表示将要使用保密密钥进行加密的 SOAP Body

正如您在之前的文章中看到的,安全性处理的运行时参数(如密钥保存和密码)必须采用与实现无关的方式进行定义。在这里,这些参数是很简单的:客户端需要访问包含服务器证书的可信存储,而服务器端则需要访问包含证书中与公钥相匹配的私有密钥的密钥存储。请阅读这个 系列文章 了解参数在各个协议之间是如何传递的。


不使用客户端证书的 WS-SecureConversation

在使用 WS-SecureConversation 时,您可以使用相同的技术在没有客户端证书的情况下处理客户端和 Security Token Service (STS) 之间的消息交换。(阅读 “WS-Trust 和 WS-SecureConversation” 和 “WS-SecureConversation 性能” 了解 WS-SecureConversation 的细节。)要使用这种方法,您基本上需要将 清单 1 的策略替换为 <sp:BootstrapPolicy>,以实现安全会话。清单 2 显示了这是如何工作的,它用粗体显示的 <sp:SymmetricBinding> 替换 “WS-SecureConversation 性能” 中使用的 <sp:AsymmetricBinding>

清单 2. WS-SecureConversation 中不使用客户端证书的 WS-Policy
 <wsp:Policy wsu:Id="SecureConv"
  xmlns:wsu=".../oasis-200401-wss-wssecurity-utility-1.0.xsd"
  xmlns:wsp="http://schemas.xmlsoap.org/ws/2004/09/policy"
  xmlns:sp="http://docs.oasis-open.org/ws-sx/ws-securitypolicy/200702">
 <wsp:ExactlyOne>
  <wsp:All>
   <sp:SymmetricBinding>
    <wsp:Policy>
     <sp:ProtectionToken>
      <wsp:Policy>
       <sp:SecureConversationToken
         sp:IncludeToken=".../IncludeToken/AlwaysToRecipient">
        <wsp:Policy>
         <sp:BootstrapPolicy>
          <wsp:Policy>
           <sp:SymmetricBinding>
            <wsp:Policy>
             <sp:ProtectionToken>
              <wsp:Policy>
               <sp:X509Token sp:IncludeToken=".../IncludeToken/Never">
                <wsp:Policy>
                 <sp:RequireDerivedKeys/>
                 <sp:RequireThumbprintReference/>
                 <sp:WssX509V3Token10/>
                </wsp:Policy>
               </sp:X509Token>
              </wsp:Policy>
             </sp:ProtectionToken>
             <sp:AlgorithmSuite>
              <wsp:Policy>
               <sp:Basic128Rsa15/>
              </wsp:Policy>
             </sp:AlgorithmSuite>
             <sp:Layout>
              <wsp:Policy>
               <sp:Strict/>
              </wsp:Policy>
             </sp:Layout>
            </wsp:Policy>
           </sp:SymmetricBinding>
           <sp:Wss11>
            <wsp:Policy>
             <sp:MustSupportRefKeyIdentifier/>
             <sp:MustSupportRefThumbprint/>
             <sp:MustSupportRefEncryptedKey/>
            </wsp:Policy>
           </sp:Wss11>
           <sp:EncryptedParts>
            <sp:Body/>
           </sp:EncryptedParts>
          </wsp:Policy>
         </sp:BootstrapPolicy>
        </wsp:Policy>
       </sp:SecureConversationToken>
      </wsp:Policy>
     </sp:ProtectionToken>
     <sp:AlgorithmSuite>
      <wsp:Policy>
       <sp:Basic128Rsa15/>
      </wsp:Policy>
     </sp:AlgorithmSuite>
     <sp:Layout>
      <wsp:Policy>
       <sp:Strict/>
      </wsp:Policy>
     </sp:Layout>
    </wsp:Policy>
   </sp:SymmetricBinding>
   <sp:EncryptedParts>
    <sp:Body/>
   </sp:EncryptedParts>
  </wsp:All>
 </wsp:ExactlyOne>
</wsp:Policy>

除了使用客户端生成的使用 STS 进行消息交换的密钥,通过去除 <wsap:UsingAddressing> 断言, 清单 2 中的策略也与 “WS-SecureConversation 性能” 中所使用的不同。

理论上,这个策略可以处理任何的 WS-Security 和 WS-SecureConversation 实现。实践中,当我在三个主流开源 Java Web Service 工具尝试这个配置时遇到了一些问题。CXF 是唯一能够正常运行所编写的策略的工具。Axis2 完全不能运行,它在处理 STS 响应消息时会出现客户端异常错误。当我将辅助程序策略修改回不对称加密方式时,Axis2 能够运行,但是它在所有消息上使用 WS-Addressing。Metro 也会出错;在我重新添加 <wsap:UsingAddressing> 时,它能够处理客户端为 STS 消息传递的对称加密所生成的密钥。


性能比较

性能比较使用与之前文章相同的测试代码,即地震数据查询服务。这个服务使用了几年里全世界所发生的超过 93,000 次地震的数据库。发向服务的请求指定了一个时间范围和地理坐标范围,而这个服务将返回所指定范围的所有地震数据。请阅读 “WS-Security 的大开销” 了解更多关于这个测试应用和示例请求/响应消息对的详细信息。

在之前的文章中,性能测试使用了两组请求序列。第一组使用了 1,000 个请求,其中查询参数被调整为只匹配整个地震数据库的一小部分(1,000 个请求只返回 816 个匹配的地震)。第二组使用了 100 个请求,其中查询参数被调整为匹配更大范围的数据库(100 个请求只返回 176,745 个匹配的地震)。这两个请求序列侧重于 Web Services 协议的不同性能特征。第一个显示这些协议处理包含少量数据的请求的速度有多快,而第二个强调处理数据容量的速度。每一个请求序列都会以不同的安全性配置多次运行,而结果只保存每一种配置的最短时间。而这一次,我们只测试两个安全性配置:

  • 使用 SymmetricBinding 加密所有的请求/响应消息体的 WS-Security (direct
  • 加密所有请求/响应消息体的 WS-SecureConversation(securconv

securconv 配置本质上与 “WS-SecureConversation 性能” 中所使用的配置是相同的,唯一的区别是它在 Metro 和 CXF 的客户端和 STS 之间的消息交换中使用了 SymmetricBinding。因为所测试的 SymmetricBinding STS 策略不能在 Axis2 中运行,用于计时测试的 Axis2 配置与前一篇文章所使用的是相同的。在策略中使用 SymmetricBinding 的变化更多是出于演示的目标,而不会对性能带来重要影响,所以这个区别不会影响到结果。

这些测试是在运行 Mandriva 2009.1 32-bit Linux® 的笔记本电脑上的,它使用了 Turion X2 ZM-85 处理器,有 3GB 的 RAM,安装了 Sun (Oracle) Java 1.6.0_10 32-bit JVM。(注意,它与前面文章的性能测试所使用的系统不一样。)服务器代码运行在 Tomcat 6.0.20 上,它的配置使用 1024MB 的堆,其中客户端代码使用 512MB 的堆。所测试的 Web Services 工具版本如下:

  • Axis2 1.5.1 和 Rampart 1.5
  • Metro 2.0
  • CXF 2.1.8

如果您想要在您自己的主机和 JVM 上进行这些测试,您可以从这里 下载 代码。

性能测试结果

图 1 显示了在小响应测试中所测得的时间。正如 “WS-SecureConversation 性能” 所介绍的,在 WS-SecureConversation 计时中 Metro 比 CXF 稍微快一些(大约快 10%)。Metro 甚至比直接使用对称加密实现 WS-Security 还要快一些,大约快 30%。(在本文的两个图表中,较短的数据条表示更快一些的时间)。

图 1. 使用小响应的测试时间
使用小响应的测试时间

Axis2 的测试结果没有包含在 图 1 中,因为测试过程中出现了一个问题。Axis2 一开始的运行速度是可接受的,然后随着循环次数的增加,速度明显变慢。使用 Axis2 运行这个测试的总时间最后超过 Metro 的 40 倍。这种类型的变慢通常表示出现了问题,如由代码所存储值的线性查找,这里错误出现在 Axis2 对于对称加密的安全性处理中(可能是在处理客户端生成的密钥时,因为每一个请求都会生成一个新的保密密钥)。

图 2 显示了大响应测试所测得的时间。这里 Metro 又一次是运行最快的,但是 CXF 的速度很接近 — 两者的区别只有 10%。Axis2 比其他两种工具速度慢很多,这和之前文章中所介绍的 WS-Security 和 WS-SecureConversation 测试是一样的。

图 2. 使用大响应的测试时间
使用大响应的测试时间

这些结果(除了 Axis2)是与您根据正在进行的安全性处理得到的预期是一样的。通过这两种安全性配置,客户端和服务之间的消息交换使用了对称加密。这两者最大的不同是 WS-Security 对称加密配置使用了客户端为每一个请求/响应消息对生成的一个新的保密密钥。这个保密密钥需要使用服务器的公钥进行不对称加密,然后它会作为请求消息的一部分发送,这样 WS-SecureConversation 就可以在许多消息对中重用一个保密密钥。这意味着 WS-Security 配置为每个请求带来严重的过载,这主要显示在 图 1 的时间中。

这些工具并不支持使用 WS-Security 对称加密来 加密一条消息,而是同时还要求使用签名才能完成。这使得我们很难作直接的性能比较,但是您可以通过将这些图表与 “WS-SecureConversation 性能” 中的图表进行比较来了解它们之间的区别。前一篇文章显示 WS-SecureConversation 对称加密显然比 WS-Security 不对称加密具有更好的性能,特别是在加密消息时。这些结果表明使用客户端生成的密钥进行 WS-Security 对称加密几乎和 WS-SecureConversation 一样快,特别是对于较大的消息。


结束语

您已经从本文中了解了对称加密是如何在不需要客户端证书的情况下使用客户端生成的保密密钥来保证消息交换的安全。当消息相对较大时,这个方法在实现消息交换时有很好的性能 — 几乎与 WS-SecureConversation 一样好。如果只有少量的消息在客户端和服务器之间交换,客户端生成的保密密钥可以实现 WS-SecureConversation 保密密钥更好的性能(因为 WS-SecureConversation 要求在客户端和 STS 之间使用额外的消息交换)。

客户端生成的保密密钥也可用于消息签名。虽然本文没有介绍,但是保密密钥的使用方法本质上与 “WS-SecureConversation 性能” 中讨论的 WS-SecureConversation 签名例子是一样的。使用保密密钥进行签名本身比使用私有密钥进行签名的真实性保证较弱一些,但是它对于保证消息在传输中不会被篡改还是很有用的。

本系列的上几篇文章讨论了在 Web Services 中使用的几种形式的 WS-Security 和 WS-SecureConversation 安全性技术,包括三种主流 Java Web Services 工具的性能比较。我将在将来的文章中介绍具体的 WS-Security 特性,但是现在是时候对安全性性能进行总结了。本系列的下一篇文章将总结这三种主流 Java Web Services 工具的性能和互操作性问题,同时提供在这些工具中使用 Web Services 安全性的最佳使用方法的指南。如果您想要在您的组织中使用安全的 Web Services,您一定不希望错过这篇文章。


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本文的示例代码j-jws17.zip5.29MB

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Zone=Java technology, SOA and web services, Open source
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ArticleTitle=Java Web Services: 不使用客户端证书的 WS-Security
publish-date=09262010