Bakgrund¶
Välkommen till “Vad är klockan?”
(Det här är ungefär samma information som på huvudsidan, men från innan översättningen till engelska gjordes och kan därmed vara daterad. För de senaste uppdateringarna se den engelska varianten.
För att kunna kommunicera säkert på internet så är det viktigt att kunna svara på frågan “vad är klockan”, alltså säga vad aktuell tidpunkt är, både datum och klockslag på dygnet. Utan korrekt tid är det flera säkerhetskritiska protokoll som antingen helt slutar fungera eller som tappar mycket av sin säkerhet.
DNSSEC, som behövs för att kunna slå upp namn på internet, fungerar inte alls om klockan i en klient går mer än fem minuter fel. Det går att falla tillbaka till äldre DNS utan säkerhet. Men då tappar man också säkerhet: någon som kan påverka kommunikationen mellan klient och server kan ge fel svar på namnuppslagningar. När man tror att man pratar med “example.com” så pratar man egentligen med någon helt annan.
TLS (tidigare känt som SSL) behöver korrekt tid för att verifiera giltigheten på de certifikat som används. TLS ligger till grund för många andra protokoll som används på internet.
HTTPS används för att säkra upp WWW och är baserat på TLS. Utan säker TLS så kan man inte heller få säker HTTPS. Det finns HTTP utan säkerhet, men då kan någon som kan påverka trafiken mellan en klient och en server avlyssna och påverka trafiken.
Samma gäller protkollen SMTPS, IMAPS och POP3S som används för e-mail, alla de är baserade på TLS. Det finns osäkra varianter, SMTP, IMAP och POP3 men de är också känsliga för avlyssning och påverkan.
Tid kan även vara viktiga för själva applikationen. Det är inte bra om ett styrsystem som ska låsa upp en dörr mellan 07:00-17:00 på vardagar får fel tid så att dörren står öppen mitt i natten eller på en helg.
Många internet-anslutna enheter vet inte vad klockan är när de startar upp. En del enheter är konstruerade på det viset, för att hålla ned priset så har de inget batteri och när de förlorar strömmen så glömmer den vad klockan är. Även enheter med batteri kan glömma vad klockan är om man byter batteri. Andra enheter har en “shipping mode” där de för att spara batteri medans de ligger i lager inte startar sin interna klocka förrän de får ström första gången. Det gör att den första gången de startas kommer de inte veta vad klockan är.
Målet med projektet “vad är klockan” är att låta en internet-ansluten enhet hämta tid på ett säkert sätt under uppstart. Det handlar till att börja med om principer, att hitta på en metod att göra detta. Utöver det så ska projektet ta fram ett bibliotk som implementerar denna metod som ska kunna vara till nytta för så många som möjligt.
Metod¶
Metoden kan konceptuellt delas upp i två delar:
Att på ett säkert sätt få svar på frågan “vad är klockan?” genom att prata med en tids-server. Det finns en IETF draft av ett protokoll som heter “Roughtime” som gör detta och som vi valt att använda.
Även om man kan ställa säkra frågor så är det inte säkert att tids-servern man pratar med ger korrekt tid. En tids-server kan ha gått sönder så att den ger felaktig tid av misstag. En tids-server kan också ha tagits över av någon annan och medvetet ge fel tid. För att vara någorlunda säker på att den tid man får är korrekt så bör man ställa frågor till flera olika tids-servrar och baserat på de svar man får tillbaka välja ut de svar som verkar rimliga, t.ex. genom att kräva att en majoritet av svaren ligger överensstämmer. Vi har valt att utgå från den “selection and clustering algorithm” som beskrivs i RFC5906.
Genom att separera protokollet för att prata med tids-servrar från algoritmen för att välja ut vilka man ska lita på så är det relativt lätt att byta ut någon av delarna i framtiden. Framför allt så kommer med stor sannolikhet Roughtime-protokollet att få inkompatibla ändringar innan det nått fram till att bli en IETF RFC. Det kan även hända att något annat protokoll för att ställa frågor till tids-servrar blir mer populärt i framtiden.
Implementation¶
För implementations-delen av har vi valt att göra två implementationer.
En implementation i Python vars mål är att vara lätt att förstå. Vi har utgått från en befintlig implementation av Roughtime-protokollet som heter “pyroughtime” av Marcus Dansarie. Algoritmen för att välja ut vilka tids-servrar man skall lita på är nyskriven från grunden. En av fördelarna med Python är att det har varit relativt lätt att simulera och visualisera de algoritmer som används.
En implementation i C vars mål är att vara liten, kompakt, säker och som ska gå att använda på så många internet-anslutna enheter som möjligt. De flesta plattformar, allt från små IoT-enheter baserade på Arduino, Raspberry Pi, eller en riktig dator som kör Linux, Windows eller MacOS kan köra kod skriven i C. Stödet för Roughtime-protokollet baseras på en implementation som heter “vroughtime” av Oscar Reparaz. Algoritmen för att välja ut vilka tids-servrar som ska lita på är en port av Python-koden ovan.
Referensplattformar¶
Dessa implementationer behöver sedan lite klisterkod för att köra på den målplattform man har valt. Vi har valt två målplattformar till att börja med, men det bör vara enkelt att porta koden till andra plattformar.
Utvecklingen av både Python- och C-implementationerna har skett på en dator körandes Linux. Den mesta koden är plattformsoberoende, men det har behövs lite plattformsspecifik klisterkod. Samma kod borde fungera på även Windows och Unix-baserade operativysstem som MacOS men har inte testats på de plattformarna.
Utöver det har vi valt att porta implementationen tll en liten ESP32-baserad enhet med WiFi för att visa att det även fungerar på mindre IoT-enheter. Den ESP32-baserade plattformen kan köra en bantad version av Python-implementationen i en MicroPython-miljö och C-implementationen i en Arduino-miljö. Den ESP32-enheten heter “TTGO” men koden borde gå att köra på de flesta ESP32-enheter och eventuellt även på ESP8266-enheter.
Implementationsdetaljer Python¶
“pyroughtime” har från början stöd både för draft 06 och äldre versioner av Roughtime.
Python på Linux¶
Python-implementationen för Linux finns i examples/python.
Endast några smärre ändringar behövde göras för att fungera med “vad är klockan”.
MicroPython på ESP32¶
Python-implementationen för TTGO ESP32 finns i examples/micropython-esp32-ttgo.
MicroPython på ESP32 har mycket ont om minne och skiljer sig ganska mycket från mainline Python. För att få plats har “pyroughtime” behövt bantas och anpassas rejält.
MicroPython för ESP32 har utökats med stöd för de krypterings-primitiver som behövs för Roughtime (ed25519, sha512) och för att kunna ställa klockan från Python-kod (settimeofday).
Implementationsdetaljer C¶
“vroughtime” hade från början inte stöd för draft 06 så koden har modifierats så att den stödjer både draft 06 och äldre versioner av Roughtime. Samma kod används både på Linux och på ESP32.
C på Linux¶
C-implementationen för Linux finns i examples/C.
Lite klisterkod behövde skrivas för att köra på Linux och för UDP-kommunikation via BSD sockets API. Koden stödjer både IPv4 och IPv6.
C på ESP32.¶
C-implementationen för Linux finns i examples/esp32..
Lite klisterkod behövde skrivas för att använda WiFi och UDP på ESP32. Koden klarar än så länge bara IPv4.
Roughtime-protokollet¶
Eftersom Roughtime-protokollet än så länge bara är en “draft” så finns det inte så många användsbara tids-servar. Framför allt finns det bara en enda sever-implementation som fullt stödjer IETF draft version 06 av Roughtime. Även denna implementation, skriven i C, är gjord av Marcus Dansarie.
Netnod har valt att sätta upp flera Roughtime-servrar med denna implementation (sth1.roughtime.netnod.se och sth2.roughtime.netnod.se). För att underlätta test av hela “vad är klockan”-projektet, inklusive delarna med att välja ut servrar som svarar med orrekt tid, så har Netnod även satt upp flera Roughtime-srvrar som svarar med inkorrekt tid (falseticker.roughtime.netnod.se).
Genomförande¶
Projektet “Vad är klockan?” har genomförts under 2022 av Calle Lindkvist (C-implementation), Filip Eriksson (Python-implementation) under handledning av Christer Weinigel (C/Python och severinfrastruktur hos Netnod samt paketering och dokumentation).