Les bases de la sécurité Java

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1. Vue d'ensemble

Dans ce tutoriel, nous allons passer en revue les bases de la sécurité sur la plate-forme Java. Nous nous concentrerons également sur ce qui nous est disponible pour l'écriture d'applications sécurisées.

La sécurité est un vaste sujet qui englobe de nombreux domaines . Certains d'entre eux font partie du langage lui-même, comme les modificateurs d'accès et les chargeurs de classe. En outre, d'autres sont disponibles sous forme de services, notamment le cryptage des données, la communication sécurisée, l'authentification et l'autorisation, pour n'en citer que quelques-uns.

Par conséquent, il n'est pas pratique d'obtenir un aperçu significatif de tous ces éléments dans ce didacticiel. Cependant, nous essaierons d'acquérir au moins un vocabulaire significatif.

2. Caractéristiques linguistiques

Par-dessus tout, la sécurité en Java commence au niveau des fonctionnalités du langage . Cela nous permet d'écrire du code sécurisé et de bénéficier de nombreuses fonctionnalités de sécurité implicites:

  • Typage statique des données: Java est un langage à typage statique, qui réduit les possibilités de détection à l'exécution des erreurs liées au type
  • Modificateurs d'accès: Java nous permet d'utiliser différents modificateurs d'accès tels que public et privé pour contrôler l'accès aux champs, méthodes et classes
  • Gestion automatique de la mémoire: Java a une gestion de la mémoire basée sur le garbage collection , qui libère les développeurs de la gestion manuelle
  • Vérification du bytecode: Java est un langage compilé, ce qui signifie qu'il convertit le code en bytecode indépendant de la plate-forme, et le runtime vérifie chaque bytecode qu'il charge pour l'exécution

Ce n'est pas une liste complète des fonctionnalités de sécurité fournies par Java, mais c'est assez bon pour nous donner une certaine assurance!

3. Architecture de sécurité en Java

Avant de commencer à explorer des domaines spécifiques, passons un peu de temps à comprendre l'architecture de base de la sécurité en Java.

Les principes de base de la sécurité en Java reposent sur des implémentations Provider interopérables et extensibles . Une implémentation particulière de Provider peut implémenter tout ou partie des services de sécurité.

Par exemple, certains des services typiques qu'un fournisseur peut implémenter sont:

  • Algorithmes cryptographiques (tels que DSA, RSA ou SHA-256)
  • Fonctions de génération, de conversion et de gestion de clés (comme pour les clés spécifiques à un algorithme)

Java est livré avec de nombreux fournisseurs intégrés . En outre, il est possible pour une application de configurer plusieurs fournisseurs avec un ordre de préférence.

Par conséquent, le framework de fournisseur en Java recherche une implémentation spécifique d'un service chez tous les fournisseurs dans l'ordre de préférence défini sur eux.

De plus, il est toujours possible d'implémenter des fournisseurs personnalisés avec des fonctions de sécurité enfichables dans cette architecture.

4. Cryptographie

La cryptographie est la pierre angulaire des fonctionnalités de sécurité en général et en Java. Il s'agit d' outils et de techniques de communication sécurisée en présence d'adversaires .

4.1. Cryptographie Java

L'architecture cryptographique Java (JCA) fournit un cadre pour accéder et mettre en œuvre des fonctionnalités cryptographiques en Java, notamment:

  • Signatures numériques
  • Résumés de messages
  • Chiffrements symétriques et asymétriques
  • Codes d'authentification des messages
  • Générateurs clés et usines clés

Plus important encore, Java utilise des implémentations basées sur le fournisseur pour les fonctions cryptographiques.

De plus, Java inclut des fournisseurs intégrés pour les algorithmes cryptographiques couramment utilisés tels que RSA, DSA et AES, pour n'en nommer que quelques-uns. Nous pouvons utiliser ces algorithmes pour renforcer la sécurité des données au repos, en cours d'utilisation ou en mouvement.

4.2. Cryptographie en pratique

Un cas d'utilisation très courant dans les applications est de stocker les mots de passe des utilisateurs. Nous l'utilisons pour l'authentification à un moment ultérieur. Désormais, il est évident que le stockage de mots de passe en texte brut compromet la sécurité.

Ainsi, une solution consiste à brouiller les mots de passe de manière à ce que le processus soit répétable, mais à sens unique. Ce processus est connu sous le nom de fonction de hachage cryptographique, et SHA1 est l'un de ces algorithmes populaires.

Alors, voyons comment nous pouvons faire cela en Java:

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

Ici, MessageDigest est un service cryptographique qui nous intéresse. Nous utilisons la méthode getInstance () pour demander ce service à l'un des fournisseurs de sécurité disponibles .

5. Infrastructure à clé publique

L'infrastructure à clé publique (PKI) fait référence à la configuration qui permet l'échange sécurisé d'informations sur le réseau à l'aide du chiffrement à clé publique . Cette configuration repose sur la confiance établie entre les parties impliquées dans la communication. Cette confiance est basée sur des certificats numériques émis par une autorité neutre et de confiance appelée autorité de certification (CA).

5.1. Prise en charge PKI en Java

La plateforme Java dispose d'API pour faciliter la création, le stockage et la validation des certificats numériques:

  • 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.

Pour résumer, cela nous donne simplement un aperçu des fonctionnalités de sécurité de Java. Par conséquent, chacun des domaines abordés dans ce didacticiel mérite une exploration plus approfondie. Mais j'espère que nous devrions avoir suffisamment de perspicacité pour nous lancer dans cette direction!

Fond Java

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