cephx: ceph的认证和加密协议

Ceph作为一个分布式存储系统，支持对象存储、块设备和文件系统。为了在网络传输中防止数据被篡改，做到较高程度的安全性，加入了Cephx加密认证协议。其目的是识别身份，加密、验证传输中的数据。

在ceph系统中，元数据保存在一个叫做ceph-mon的进程中，也可以称为monitor节点，系统可以有多个monitor副本节点，用paxos保持数据一致性。 这里不谈paxos，也不谈多个monitor节点，我们只以单个monitor为例，重点说明cephx的实现。

monitor保存了系统中重要的元数据，例如每个用户的key以及权限，这也是我们要重点谈及的，至于其他osdmap, crush数据在这里不涉及。

一个ceph系统主要由monitor, osd, client 这几种类型的节点组成。monitor存放元数据，osd存放对象，client就是使用ceph系统的客户端。

一个monitor里存放着和认证相关的数据，简单可以用表结构来描述：

client和osd 必须先连接到monitor进行认证。client和osd都有一个叫做monclient的模块负责认证和密钥交换。而monitor上有一个AuthMonitor的paxos服务模块负责与monclient对话，cephx协议的实现则位于ceph源代码目录src/auth/cephx，有好几个模块负责。

Cephx是一种对称密钥加密协议，加密算法使用AES，并包含临时密钥生成和替换。每个client和osd都在本地有一个密钥，该密钥的副本同样存在于monitor上。

Ceph里面每一个节点都会使用一个名称，类型是EntityName, 例如：client.admin, osd.1等。而每一个节点连接到monitor以后，monitor都会为其生成一个global id，代表这个节点在整个ceph 系统中的全局id。

monclient连接monitor的会话是为了获得session key、ticket以及临时密钥(rotating key)。

ceph 系统里面有auth认证服务，osdmap服务，还有文件系统的mds服务等。当节点之间彼此通讯时，刚连接开始时，使用ticket表明身份，使用rotating key加密加密解密ticket和session key, 验明身份后，后续通讯使用session key加、解密数据包。

在monclient里，对每一种服务monclient都保存有从monitor获得的数据：与某类型节点网络连接时的session key，与某类型节点网络连接对应的ticket, 与该种服务对应的rotating key.

cephx认证大致步骤如下：

monclient向monitor 发起连接，获得与monitor 通讯时的AUTH service的session key以及ticket。

认证信息是以后通讯中识别身份的凭据，其结构如下：

struct AuthTicket {

EntityName name;

uint64_t global_id; /* global instance id */

uint64_t auid;

utime_t created, renew_after, expires;

AuthCapsInfo caps;

__u32 flags;

};

内容依次是发起连接的实体名称，全局id、 用户id、一些和ticket生存周期有关的时间，以及权限。

struct CephXServiceTicketInfo {

AuthTicket ticket;

CryptoKey session_key;

};

我们在这里称CephxServiceTicketInfo为ticket，它包含认证信息以及session key。

通过了与monitor的认证以后，client就可以从monitor获取与每一种service类型的相关的session key 和ticket，例如与osd服务和mds服务相关的session key和ticket, ticket的name和global_id，auid是相同的，其他存活期时间信息和权限则是不同的，client在每一种service上可以有不同的权限。其中ticket数据对client是透明的，是被相关service的临时密钥加密的，其内容只有monitor和相关的service会去解密。

对于每一种service，它们的monclient除了上面的内容，还会定时从monitor获取它们自身这种service相关的临时密钥，主要数据结构如下：

一个会过期的密钥:

struct ExpiringCryptoKey {

CryptoKey key;

utime_t expiration

};

一个对过期密钥的管理器：

struct RotatingSecrets {

map<uint64_t, ExpiringCryptoKey> secrets;

version_t max_ver;

};

管理器包含3个密钥，依次是过去的、现在的和将来的，map的key是一个临时密钥id (称为secret id), 每次往里面添加一个密钥，max_ver增加1，并且把最前面个一密钥删除，始终保持3个密钥,所以每次增加一个密钥，他们的secret id都比以前的大，这样就不存在secret id重复。

当client准备发起对osd的访问时，就用对应的osd service的ticket去访问osd, osd服务则用从monitor得到的临时密钥解密ticket，验证其身份，然后从ticket取出session key, 因为客户端已经有session key, 这样双方就有了相同的session key，以后通讯时client和osd就用这个密钥加密和解密数据包，来验证数据的正确性。只要连接没有断开，session key就保持不变。

cephx认证具体步骤如下：

monclient和monitor的会话：

Step 1:

monclient: 发送 { protocol: 0, entity name, global id: 0 }

monintor: 保存entity name, 生成并保存64bit server challenge,

并把 server challenge 发送给对方。

Step 2:

monclient: 生成一个64bit client challenge, 用本地盘上的密钥把server challenge和client challenge加密后，再用64比特为单位混淆生成一个64bit key, 并发送请求：

{ CEPHX_GET_AUTH_SESSION_KEY, client challenge, key, old ticket }

注意(第一次连接开始old ticket为无效数据）

monitor 接收到CEPHX_GET_AUTH_SESSION_KEY请求, 把得到的client challenge和存在自己内存里的server challenge用client对应的key加密后混淆生成一个64bit key, 并与传过来的key比较，如果不相等，则认证不通过。 （注意，monitor在自身数据库存有对方的key） ，解密传过来的old ticket, 得到 CephXServiceTicketInfo结构。从密钥库取出client对应的身份信息（密钥，权限）。 生成新的ticket: (创建的时间，存活时间，global id, auid) ，生成与本monserver对话的session key, 从keystore获取对应于AUTH service 的临时密钥rotating key(secret 密钥, secret id密钥id).

 生成CephXServiceTicket结构（session key, ticket的存活时间), 用client在密钥库中的密钥加密。生成 CephXTicketBlob, 其中包含临时密钥secret id 和 CephXServiceTicketInfo, 而CephxServiceTicketInfo包含 : (session key, ticket, 权限)，其中CephxServiceTicketInfo用对应的临时密钥secret加密。注意Client不在乎ticket是什么内容，因为这个作为一张票子是给通讯对方的，自己并不需要解释什么。如果上次成功解密 old ticket info，则使用old tick info中的session key加密整个CephXTicketBlob结构。

把经过上述处理后的CephxServiceTicket和CephxTicketBlob一起发送给monclient。

Step 3:

monclient 用自身本地盘上的密钥解密 CephxServciceTicket，在获得CephxTicketBlob时，如果CephxTicketBlob是经过加密的，则用客户端当前的session key解密CephxTicketBlob。

保存CephxServiceTicket中的session key为最新的session key，保存CephXServiceTicket中session key的存活时间。

lient 如果需要其他服务的密钥，则发起CEPHX_GET_PRINCIPAL_SESSION_KEY请求。

 首先生成内容HEADER, 包括（global id, service id, CephxServiceTicketBlob)，其中service id就是AUTH认证服务的id，然后生成CephXServiceTicketRequest结构, 内容包括bitmask，每一位代表一种服务类型，例如位掩码中可以包含OSD, MDS。

生成CephXAuthorize结构, 内容包含随机数nonc，并用session key 加密CephxAuthorize.

monclient发送：Header 、 CephxAuthorize 、 CephxServiceTicketRequest。

Monitor读取Header, CephxServiceTickBlob，用CephxServiceTicketBlob中指定的secret id，从内存中获得临时密钥secret,用secret解密CephxServiceTicketBlob, 获得CephXServiceTicketInfo, 检验Header中的global id是否和CephxServiceTickeInfo中的global id相同，不相同就失败。

用CephxServiceTicketInfo中的session key解密CephxAuthorize.

生成CephXAuthorizeReply , 内容包含CephxAuthoriz的nonce +1.

解码 CephxServiceTicketRequest, 对其中的bitmask对应的每一种service，过程如下：

生成与该服务对话的session key

从keystore获取对应于该service的临时密钥(secret, secret id).

生成 CephXServiceTicket（session key, ticket的存活时间),

用刚才解密的CephxServiceTicketInfo中的session key加密之。

生成 CephXTicketBlob, 其中包含 （secret id 和 CephXServiceTicketInfo）

而CephXServiceTicketInfo代表代表一张票子(ticket), 其中包含 : (刚才生成的与该service对话的session key, ticket, 权限)，其中CephxServiceTicketInfo用服务对应的临时密钥secret加密. ticket继承了step 2中的大部分内容，但是权限项目是对应的service中该client的权限。使用解密的CephxServiceTickt中的session key加密整个CephXTicketBlob.

把经过上述处理后的CephxServiceTicket和CephxTicketBlob一起发送给client.

monclient:对每一种service服务，过程如下：

用与monitor对话的session key解密CephxServciceTicket，如果CephxTicketBlob时经过密钥

加密的，则用这个session key解密CephxTicketBlob。保存CephxServiceTicket中的session key为最新的session key，保存CephXServiceTicket中session key的存活时间。

client 与 osd会话的建立：

ceph 使用消息通讯机制，其中messenger模块负责通讯，以simple messenger为例：

起实现通讯的代码位于src/msg/simple/Pipe.cc中，例如当发起一个连接时，Pipe::connect被调用，执行开始就区获得一个认证信息：

get_authorizer最终会执行到Client的代码中：

而build_authorizer最后会执行到CephxTicketManager中，该代码取出对应于某service的认证处理代码：

而该处理程序则提供认证信息：

我们看到它主要是打包global_id, service id 以及ticket和一个随机数，然后用session key加密。

以上时连接方发起的，下面看接收连接方时如何工作的：
接收连接方的入口在src/msg/simple/Pipe.cc的accept()函数：

而vierfy_authorizer函数最终会执行到:

我们看到这个函数最终获得对方的caps_info也即权限信息，对方的名称，对方的全局id, 对方的session_key，以及uid.




而cephx_verify_authorizer做了什么？ 它用get_service_secret(service_id, ticket.secret_id, service_secret)得到临时密钥，然后decode_decrypt_enc_bl(cct, ticket_info, service_secret, ticket.blob, error)把票子解密。检验票子中的global id是否和明文发送过来的global id相同，不相同就会返回失败。

最后它做一些nonce的解密，这不太重要，没有什么信息量。


双方握手成功后，都会创建一个消息处理器，主要起到数据报的加密和检验。


以后双方发送数据都用sign_message签名：



而当前cephx 的sign_message依赖crc数据,只使用头尾几个crc字段来计算签名：


而接收数据方调用check_message_signature来验证签名：