【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

在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。

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.pem8 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：

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

输出应类似于以下内容：

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:aaSignature Algorithm: ecdsa-with-SHA256Issuer: CN = sros2CAValidityNot Before: Jun  1 16:57:37 2021 GMTNot After : May 31 16:57:37 2031 GMTSubject: CN = sros2CASubject Public Key Info:Public Key Algorithm: id-ecPublicKeyPublic-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:c5:32ASN1 OID: prime256v1NIST CURVE: P-256X509v3 extensions:X509v3 Basic Constraints: criticalCA:TRUE, pathlen:1Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA25630:45:02:21:00: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 sros2CA 是 sros2 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：

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：

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/enclaves 。 enclave 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：

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：

export ROS_SECURITY_KEYSTORE=~/sros2_demo/demo_keystore
export ROS_SECURITY_ENABLE=true
export ROS_SECURITY_STRATEGY=Enforcecd ~/sros2_demo/demo_keystore/enclaves/talker_listener/listener

在开始之前，请先备份 permissions.p7s 。

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"MIICsAYJKoZIhvcNAQcCoIICoTCCAp0CAQExDzANBglghkgBZQMEAgEFADALBgkq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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：

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？

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。当 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

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。