详解GaussDB(DWS)通信安全的小妙招：连接认证机制
本文分享自华为云社区《GaussDB(DWS)数据库安全系列之通信安全》，作者：yd_262982826。
1. 前言
适用版本：【8.1.3及以上】网络是一个开放的环境，仅仅依靠用户名和密码难以应对复杂的网络环境，针对可能存在的身份伪造的欺骗行为，以及监听通信内容的窃听行为，为了确保通信双方身份的真实性和通信内容的私密性，防止非法用户对GaussDB(DWS)系统、其他用户造成不利影响，GaussDB(DWS)建立了一套完整而严密的防护机制——连接认证机制，可以有效防止非法用户入侵。
2. 证书校验&&秘钥协商
证书校验和秘钥协商在SSL的握手阶段实现，握手协议如下：
2.1 准备证书
在华为云CA认证中心申请到服务器、客户端的证书和密钥。（如：服务器的私钥为server.key，证书为server.crt，客户端的私钥为client.key，证书为client.crt，CA根证书名称为cacert.pem。）
为了安全性，私钥通常采用了密码保护，在此可以通过gs_guc encrypt工具生成私钥的两个密码保护文件（.key.rand、.key.cipher），命令如下：
gs_guc encrypt [-M keymode] -K password -D DATADIR
说明：
- -M是加密类型，服务端选择server，客户端选择client。默认值为server。
- -K是用户私钥的密码，密码需要满足要求：长度（8≤len≤16）、复杂度（需至少包含小写字母、大写字母、数字、特殊字符中的三种）
- -D生成的密码保护文件的存放地址
2.2 服务器参数配置
通过调用工具gs_guc实现服务器配置文件postgresql.conf有关参数设置，命令如下：
gs_guc set -Z coordinator -D ${BIGDATA_DATA_HOME}/mppdb/data1/coordinator -c "ssl=on"
说明：
- -Z coordinator表示实例类型为coordinator；
- -D 数据目录
- -c 指定设置postgresql.conf文件
服务器需设置SSL相关参数如下：
| 参数 | 描述 | 取值范围 |
|---|---|---|
| ssl | 表示是否启动SSL功能 | on：开启SSL功能 off：关闭SSL功能 默认值： on |
| require_ssl | 服务器是否强制要求SSL连接，只有当参数ssl为on时才有效 | on：强制要求SSL连接 off：不强制要求SSL连接 默认值： off |
| ssl_cert_file | 指定服务器证书文件 | 请以实际证书名为准。必须使用相对路径（相对于数据目录 默认值： server.crt |
| ssl_key_file | 指定服务器私钥文件 | 请以实际的私钥名称为准。必须使用相对路径（相对于数据目录 默认值： server.key |
| ssl_ca_file | 服务器侧CA根证书，需验证客户端证书合法性时才配置 | 请以实际CA根证书名称为准 默认值： 空，表示不对客户端的合法性进行校验 |
| ssl_crl_file | 证书吊销列表 | 请以实际证书吊销列表名称为准 默认值： 空，表示没有吊销列表 |
| ssl_ciphers | SSL通讯使用的加密算法，目前已升级至TLS1.3 | TLS1_3_RFC_AES_128_GCM_SHA256 TLS1_3_RFC_AES_256_GCM_SHA384 TLS1_3_RFC_CHACHA20_POLY1305_SHA256 TLS1_3_RFC_AES_128_CCM_SHA256 TLS1_3_RFC_AES_128_CCM_8_SHA256 默认值： ALL，表示允许对端使用以上所有加密算法，在满足条件的算法中按照安全强度最高的匹配 |
2.3 客户端参数配置
客户端设置SSL连接参数，按照模式分为：单向认证和双向认证。
-
单向认证，仅客户端验证服务器证书的合法性，设置参数：PGSSLMODE、PGSSLROOTCERT；
-
双向认证，客户端验证服务器证书的合法性，同时客户端向服务器发送证书，由服务器验证客户端证书的合法性，设置参数：PGSSLCERT、PGSSLKEY、PGSSLMODE、PGSSLROOTCERT；
客户端需设置SSL相关参数如下：
| 环境变量 | 描述 | 取值范围 |
|---|---|---|
| PGSSLCERT | 指定客户端证书文件 | 绝对路径，如： export PGSSLCERT=’/home/omm/client.crt’ |
| PGSSLKEY | 指定客户端私钥文件 | 必须包含文件的绝对路径，如： export PGSSLKEY=’/home/omm/client.key’ |
| PGSSLMODE | 设置是否和服务器进行SSL连接协商，以及指定SSL连接的优先级 | 取值及含义： disable： 只尝试非SSL连接 allow： 首先尝试非SSL连接，如果连接失败，再尝试SSL连接 prefer： 首先尝试SSL连接，如果连接失败，将尝试非SSL连接 require： 只尝试SSL连接。如果存在CA文件，则按设置成verify-ca的方式验证 verify-ca： 只尝试SSL连接，并验证服务器是否具有由可信任证书机构签发的证书 verify-full： 只尝试SSL连接，并验证服务器是否具有由可信任的证书机构签发的证书，以及验证服务器主机名是否与证书中的一致 默认值： prefer |
| PGSSLROOTCERT | 指定客户端侧根证书，验证服务器证书有效性 | 必须包含文件的绝对路径，如： export PGSSLROOTCERT=’/home/omm/certca.pem’ |
| PGSSLCRL | 指定证书吊销列表文件 | 必须包含文件的绝对路径，如： export PGSSLCRL=’/home/omm/sslcrl-file.crl’ |
备注：假设证书，私钥和根证书都放在“/home/omm”目录。
3. 用户名和密码验证
用户名和密码的验证在服务器侧进行，其逻辑如下：
如果某主机需要远程连接到GaussDB(DWS)，必须在GaussDB(DWS)系统的配置文件中增加此主机的信息，并且进行客户端接入认证。配置文件（pg_hba.conf）存放在数据目录里。hba（host-based authentication）表示是基于主机的认证。
通过调用工具gs_guc实现服务器配置文件pg_hba.conf有关参数设置，每次向配置文件中增加一条连接认证规则，命令如下：
gs_guc set -Z coordinator -N all -I all -h "host all jack 10.10.0.30/32 sha256"
说明：
- -Z coordinator表示实例类型为coordinator；
- -N all 表示集群的所有主机
- -I all表示主机的所有实例
- -h 表示指定需要在“pg_hba.conf”增加的语句
- all 表示允许客户端连接到任意的数据库
- jack表示允许连接数据库的用户
- 10.10.0.30/32表示只允许IP地址为10.10.0.30的主机连接
- sha256表示连接时jack用户的密码使用sha256算法加密
配置文件pg_hba.conf中的每条记录可以是以下四种格式之一：
local DATABASE USER METHOD [OPTIONS]
host DATABASE USER ADDRESS METHOD [OPTIONS]
hostssl DATABASE USER ADDRESS METHOD [OPTIONS]
hostnossl DATABASE USER ADDRESS METHOD [OPTIONS]
说明：
- local：只接受通过Unix域套接字进行的连接。
- host：既接受一个普通的TCP/IP套接字连接，也接受一个SSL加密的TCP/IP套接字连接。
- hostssl：只接受一个经过SSL加密的TCP/IP套接字连接。
- hostnossl：只接受一个普通的TCP/IP套接字连接。
- DATABASE：声明记录所匹配且允许访问的数据库：a) all：表示该记录匹配所有数据库；b) sameuser：表示如果请求访问的数据库和请求的用户同名，则匹配；c) samerole/ samegroup：表示请求的用户必须是与数据库同名角色中的成员；d) 一个包含数据库名的文件或者文件中的数据库列表：文件可以通过在文件名前面加前缀@来声明；e) 特定的数据库名称或者用逗号分隔的数据库列表；
- USER：声明记录所匹配且允许访问的数据库用户。a) all：表明该记录匹配所有用户；b) 用户角色：表示匹配任何直接或者间接属于这个角色的成员；c) 一个包含用户名的文件或者文件中的用户列表：文件可以通过在文件名前面加前缀@来声明；d) 特定的数据库用户名或者用逗号分隔的用户列表；
- ADDRESS：指定与记录匹配且允许访问的IP地址范围，支持IPv4和IPv6，可以使用如下两种形式来表示：a) IP地址/掩码长度。例如：10.10.0.0/24；b) IP地址子网掩码。例如：10.10.0.0 255.255.255.0
- METHOD：声明连接时使用的认证方法。a) trust：只完全信任从服务器本机使用gsql且不指定-U参数的连接，此时不需要口令；b) reject：无条件地拒绝连接。常用于过滤某些主机；c) md5：要求客户端提供一个md5加密的口令进行认证（不推荐使用）；d) sha256：要求客户端提供一个sha256算法加密的口令进行认证；e) cert：客户端证书认证模式，必须是SSL连接且客户端须提供有效的SSL证书，用户名必须与证书所有者同名；f) gss：使用基于gssapi的kerberos认证；g) ldap：ldap认证；
4. 异常处理
| 问题现象 | 解决方法 |
|---|---|
| 用户名或密码错误 FATAL: invalid username/password,login denied |
说明用户名或者密码错误，请检查输入是否有误 |
| 连接的数据库不存在 FATAL: database “TESTDB” does not exist |
说明尝试连接的数据库不存在，请检查连接的数据库名输入是否有误 |
| 未找到客户端匹配记录 FATAL: no pg_hba.conf entry for host “10.10.0.60”, user “ANDYM”, database “TESTDB” |
说明已经连接了服务器，但服务器拒绝了连接请求，因为没有在pg_hba.conf配置文件里找到匹配的记录。请联系管理员在pg_hba.conf配置文件加入用户的信息 |
| 证书校验失败 SSL error: certificate verify failed |
说明客户端CA校验服务器证书失败，请检查客户端CA证书配置是否有误 |
| 无效CA SSL error: tlsv1 alert unknown ca |
说明客户端发送的证书，服务器侧CA校验失败，请检查客户端证书配置是否有误 |
| 服务器不支持SSL，但客户端要求SSL连接 server does not support SSL, but SSL was required |
说明服务器关闭SSL建连，而客户端强制要求建连SSL连接，请联系管理员开启SSL连接（或客户端采用非SSL连接） |
| 服务器强制要求SSL连接，客户端不支持 FATAL: SSL connection is required by the database system |
说明客户端不支持SSL建连，请检查客户端SSL建连相关参数配置是否有误 |
| 服务端认证模式选择证书认证，校验失败 FATAL: certificate authentication failed for user “user01” |
说明服务端认证模式选择证书认证，而客户端登录用户user01与证书不匹配，请检查客户端证书配置是否有误 |
| 校验服务端证书失败 server common name “server” does not match host name |
说明客户端认证模式选择verify-full，而校验的服务器主机名与服务器证书中名称不一致，请检查“/etc/hosts”中配置的服务器主机名是否有误 |
| 错误的版本 SSL error: wrong version number |
说明服务器无法读取到服务器证书，请联系管理员检查服务器证书配置是否有误 |
5. 总结
连接认证机制就是GaussDB(DWS)数据安全的一套有效防护机制，连接认证机制可以防止非法用户入侵GaussDB(DWS)系统内部。GaussDB(DWS)是基于客户端/服务器（C/S）架构的系统，通信过程是基于TPC/IP协议，为了确保用户访问的可信，建立了连接认证机制：通过安全套接字层（SSL）实现通信双方的证书校验和秘钥协商从而保护网络连接，通过服务端的认证模块确保用户名和密码合法。
关于SSL，SSL（及其继任者TLS）是在应用程序级实现的，位于应用层协议（HTTP、FTP）和传输层协议（TCP）之间。如果正确地配置了SSL，则第三方观察者最多只能获得连接参数、传输频率和大概数据量，但是无法读取或更改这些信息。基于SSL的证书校验可以确保通信双方（客户端和服务端）身份的真实性、秘钥协商可以确保数据的完整性和私密性。SSL/TLS在Internet协议栈中的位置如图所示：
关于认证模块，在建立的TCP/IP通道（SSL）的基础上，根据服务器配置文件pg_hba.conf中限定的合法用户名、数据库名、IP地址以及认证方式等信息，GaussDB(DWS)认证模块对用户名和密码进行校验，确保合法用户能正常连接到GaussDB(DWS)。
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