自动加密可序列化的类

在Coursera安全性最高项目的验尸讨论中提出了一个疯狂的想法。类可以在序列化期间对其自身进行加密吗？

这主要是一项学术性的“假设”练习。很难想到这样一种情况，我们希望在持久性期间依靠对象自加密而不是使用显式加密机制。我只能确定一种情况，我们不能简单地使类无法序列化：

HTTPSession钝化

Appserver可以钝化不活动的HTTPSession，以节省空间或将会话从一台服务器迁移到另一台服务器。这就是会话应该只包含可序列化对象的原因。（在可以安装在单个服务器上的小型应用程序中，通常会忽略此限制，但是如果需要扩展或扩展实现，则会导致问题。）

一种方法（也是首选方法？）是使会话在钝化过程中将其自身写入数据库，并在激活过程中将其自身重新加载。实际保留的唯一信息是重新加载数据所需的内容，通常只是用户ID。这给HTTPSession实现增加了一些复杂性，但是有很多好处。一个主要好处是确保敏感信息被加密很简单。

这不是唯一的方法，某些站点可能更喜欢使用标准序列化。一些应用服务器可能会将“实时”会话的序列化副本的副本保留在H2等嵌入式数据库中。谨慎的开发人员可能希望确保敏感信息在序列化期间进行加密，即使它永远不会发生。

注意：可以提出一个强烈的论点，即敏感信息不应该首先出现在会话中–仅在必要时检索它，并在不再需要时安全地丢弃它。

该方法

我采用的方法基于有效Java中的序列化一章。广义上讲，我们希望使用序列化代理来处理实际的加密。该行为是：

行动	方法	受保护的序列化类	序列化代理
序列化	writeReplace（）	创建代理	不适用
writeObject（）	抛出异常	将加密的内容写入ObjectOutputStream
反序列化	readObject（）	从ObjectInputStream读取加密的内容
readResolve（）	构造受保护的类对象

调用反序列化方法时，受保护的类引发异常的原因是，它防止了攻击者生成的序列化对象的攻击。请参阅上述书籍中有关虚假字节流攻击和内部字段盗窃攻击的讨论。

这种方法有很大的局限性-如果没有子类重新实现代理，则无法扩展该类。我认为这不是实际问题，因为该技术仅用于保护包含敏感信息的类，并且很少希望添加超出设计人员期望的方法的方法。

代理类处理加密。下面的实现显示了使用随机盐（IV）和加密强消息摘要（HMAC）来检测篡改。

编码

public class ProtectedSecret implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;private final String secret;/*** Constructor.* * @param secret*/public ProtectedSecret(final String secret) {this.secret = secret;}/*** Accessor*/public String getSecret() {return secret;}/*** Replace the object being serialized with a proxy.* * @return*/private Object writeReplace() {return new SimpleProtectedSecretProxy(this);}/*** Serialize object. We throw an exception since this method should never be* called - the standard serialization engine will serialize the proxy* returned by writeReplace(). Anyone calling this method directly is* probably up to no good.* * @param stream* @return* @throws InvalidObjectException*/private void writeObject(ObjectOutputStream stream) throws InvalidObjectException {throw new InvalidObjectException("Proxy required");}/*** Deserialize object. We throw an exception since this method should never* be called - the standard serialization engine will create serialized* proxies instead. Anyone calling this method directly is probably up to no* good and using a manually constructed serialized object.* * @param stream* @return* @throws InvalidObjectException*/private void readObject(ObjectInputStream stream) throws InvalidObjectException {throw new InvalidObjectException("Proxy required");}/*** Serializable proxy for our protected class. The encryption code is based* on https://gist.github.com/mping/3899247.*/private static class SimpleProtectedSecretProxy implements Serializable {private static final long serialVersionUID = 1L;private String secret;private static final String CIPHER_ALGORITHM = "AES/CBC/PKCS5Padding";private static final String HMAC_ALGORITHM = "HmacSHA256";private static transient SecretKeySpec cipherKey;private static transient SecretKeySpec hmacKey;static {// these keys can be read from the environment, the filesystem, etc.final byte[] aes_key = "d2cb415e067c7b13".getBytes();final byte[] hmac_key = "d6cfaad283353507".getBytes();try {cipherKey = new SecretKeySpec(aes_key, "AES");hmacKey = new SecretKeySpec(hmac_key, HMAC_ALGORITHM);} catch (Exception e) {throw new ExceptionInInitializerError(e);}}/*** Constructor.* * @param protectedSecret*/SimpleProtectedSecretProxy(ProtectedSecret protectedSecret) {this.secret = protectedSecret.secret;}/*** Write encrypted object to serialization stream.* * @param s* @throws IOException*/private void writeObject(ObjectOutputStream s) throws IOException {s.defaultWriteObject();try {Cipher encrypt = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);encrypt.init(Cipher.ENCRYPT_MODE, cipherKey);byte[] ciphertext = encrypt.doFinal(secret.getBytes("UTF-8"));byte[] iv = encrypt.getIV();Mac mac = Mac.getInstance(HMAC_ALGORITHM);mac.init(hmacKey);mac.update(iv);byte[] hmac = mac.doFinal(ciphertext);// TBD: write algorithm id...s.writeInt(iv.length);s.write(iv);s.writeInt(ciphertext.length);s.write(ciphertext);s.writeInt(hmac.length);s.write(hmac);} catch (Exception e) {throw new InvalidObjectException("unable to encrypt value");}}/*** Read encrypted object from serialization stream.* * @param s* @throws InvalidObjectException*/private void readObject(ObjectInputStream s) throws ClassNotFoundException, IOException, InvalidObjectException {s.defaultReadObject();try {// TBD: read algorithm id...byte[] iv = new byte[s.readInt()];s.read(iv);byte[] ciphertext = new byte[s.readInt()];s.read(ciphertext);byte[] hmac = new byte[s.readInt()];s.read(hmac);// verify HMACMac mac = Mac.getInstance(HMAC_ALGORITHM);mac.init(hmacKey);mac.update(iv);byte[] signature = mac.doFinal(ciphertext);// verify HMACif (!Arrays.equals(hmac, signature)) {throw new InvalidObjectException("unable to decrypt value");}// decrypt dataCipher decrypt = Cipher.getInstance(CIPHER_ALGORITHM);decrypt.init(Cipher.DECRYPT_MODE, cipherKey, new IvParameterSpec(iv));byte[] data = decrypt.doFinal(ciphertext);secret = new String(data, "UTF-8");} catch (Exception e) {throw new InvalidObjectException("unable to decrypt value");}}/*** Return protected object.* * @return*/private Object readResolve() {return new ProtectedSecret(secret);}}
}

毋庸置疑，加密密钥不应如图所示进行硬编码或缓存。这是一条捷径，让我们可以专注于实施的细节。

密码和消息摘要应使用不同的密钥。如果使用相同的密钥，则将严重损害系统的安全性。

任何生产系统都应处理另外两件事：密钥轮换以及更改密码和摘要算法。前者可以通过在有效负载中添加“密钥ID”来处理，后者可以通过绑定序列化版本号和密码算法来处理。例如，版本1使用标准AES，版本2使用AES-256。解串器应该能够处理旧的加密密钥和密码（在合理范围内）。

测试码

测试代码很简单。它创建一个对象，对其进行序列化，反序列化，然后将结果与原始值进行比较。

public class ProtectedSecretTest {/*** Test 'happy path'.*/@Testpublic void testCipher() throws IOException, ClassNotFoundException {ProtectedSecret secret1 = new ProtectedSecret("password");ProtectedSecret secret2;byte[] ser;// serialize objecttry (ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutput output = new ObjectOutputStream(baos)) {output.writeObject(secret1);output.flush();ser = baos.toByteArray();}// deserialize object.try (ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(ser); ObjectInput input = new ObjectInputStream(bais)) {secret2 = (ProtectedSecret) input.readObject();}// compare values.assertEquals(secret1.getSecret(), secret2.getSecret());}/*** Test deserialization after a single bit is flipped.*/@Test(expected = InvalidObjectException.class)public void testCipherAltered() throws IOException, ClassNotFoundException {ProtectedSecret secret1 = new ProtectedSecret("password");ProtectedSecret secret2;byte[] ser;// serialize objecttry (ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();ObjectOutput output = new ObjectOutputStream(baos)) {output.writeObject(secret1);output.flush();ser = baos.toByteArray();}// corrupt ciphertextser[ser.length - 16 - 1 - 3] ^= 1;// deserialize object.try (ByteArrayInputStream bais = new ByteArrayInputStream(ser); ObjectInput input = new ObjectInputStream(bais)) {secret2 = (ProtectedSecret) input.readObject();}// compare values.assertEquals(secret1.getSecret(), secret2.getSecret());}
}