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   1 <!DOCTYPE book PUBLIC "-//OASIS//DTD DocBook XML V4.2//EN"
   2                "http://www.oasis-open.org/docbook/xml/4.2/docbookx.dtd"
   3                [<!ENTITY mdash "&#8212;">]>
   4 <!--
   5  - Copyright (C) 2010, 2012  Internet Systems Consortium, Inc. ("ISC")
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  17  - PERFORMANCE OF THIS SOFTWARE.
  18 -->
  19
  20 <!-- $Id$ -->
  21
  22 <sect1 id="pkcs11">
  23   <title>PKCS #11 (Cryptoki) support</title>
  24   <para>PKCS #11 (Public Key Cryptography Standard #11) defines a
  25   platform- independent API for the control of hardware security
  26   modules (HSMs) and other cryptographic support devices.</para>
  27   <para>BIND 9 is known to work with two HSMs: The Sun SCA 6000
  28   cryptographic acceleration board, tested under Solaris x86, and
  29   the AEP Keyper network-attached key storage device, tested with
  30   Debian Linux, Solaris x86 and Windows Server 2003.</para>
  31   <sect2>
  32     <title>Prerequisites</title>
  33     <para>See the HSM vendor documentation for information about
  34     installing, initializing, testing and troubleshooting the
  35     HSM.</para>
  36     <para>BIND 9 uses OpenSSL for cryptography, but stock OpenSSL
  37     does not yet fully support PKCS #11. However, a PKCS #11 engine
  38     for OpenSSL is available from the OpenSolaris project. It has
  39     been modified by ISC to work with with BIND 9, and to provide
  40     new features such as PIN management and key by
  41     reference.</para>
  42     <para>The patched OpenSSL depends on a "PKCS #11 provider".
  43     This is a shared library object, providing a low-level PKCS #11
  44     interface to the HSM hardware. It is dynamically loaded by
  45     OpenSSL at runtime. The PKCS #11 provider comes from the HSM
  46     vendor, and and is specific to the HSM to be controlled.</para>
  47     <para>There are two "flavors" of PKCS #11 support provided by
  48     the patched OpenSSL, one of which must be chosen at
  49     configuration time. The correct choice depends on the HSM
  50     hardware:</para>
  51     <itemizedlist>
  52       <listitem>
  53         <para>Use 'crypto-accelerator' with HSMs that have hardware
  54         cryptographic acceleration features, such as the SCA 6000
  55         board. This causes OpenSSL to run all supported
  56         cryptographic operations in the HSM.</para>
  57       </listitem>
  58       <listitem>
  59         <para>Use 'sign-only' with HSMs that are designed to
  60         function primarily as secure key storage devices, but lack
  61         hardware acceleration. These devices are highly secure, but
  62         are not necessarily any faster at cryptography than the
  63         system CPU &mdash; often, they are slower. It is therefore
  64         most efficient to use them only for those cryptographic
  65         functions that require access to the secured private key,
  66         such as zone signing, and to use the system CPU for all
  67         other computationally-intensive operations. The AEP Keyper
  68         is an example of such a device.</para>
  69       </listitem>
  70     </itemizedlist>
  71     <para>The modified OpenSSL code is included in the BIND 9 release,
  72         in the form of a context diff against the latest verions of
  73         OpenSSL.  OpenSSL 0.9.8 and 1.0.0 are both supported; there are
  74         separate diffs for each version.  In the examples to follow,
  75         we use OpenSSL 0.9.8, but the same methods work with OpenSSL 1.0.0.
  76     </para>
  77     <note>
  78       The latest OpenSSL versions at the time of the BIND release
  79       are 0.9.8s and 1.0.0f.
  80       ISC will provide an updated patch as new versions of OpenSSL
  81       are released. The version number in the following examples
  82       is expected to change.</note>
  83     <para>
  84     Before building BIND 9 with PKCS #11 support, it will be
  85     necessary to build OpenSSL with this patch in place and inform
  86     it of the path to the HSM-specific PKCS #11 provider
  87     library.</para>
  88     <para>Obtain OpenSSL 0.9.8s:</para>
  89     <screen>
  90 $ <userinput>wget <ulink>http://www.openssl.org/source/openssl-0.9.8s.tar.gz</ulink></userinput>
  91 </screen>
  92     <para>Extract the tarball:</para>
  93     <screen>
  94 $ <userinput>tar zxf openssl-0.9.8s.tar.gz</userinput>
  95 </screen>
  96     <para>Apply the patch from the BIND 9 release:</para>
  97     <screen>
  98 $ <userinput>patch -p1 -d openssl-0.9.8s \
  99             &lt; bind9/bin/pkcs11/openssl-0.9.8s-patch</userinput>
 100 </screen>
 101     <note>(Note that the patch file may not be compatible with the
 102     "patch" utility on all operating systems. You may need to
 103     install GNU patch.)</note>
 104     <para>When building OpenSSL, place it in a non-standard
 105     location so that it does not interfere with OpenSSL libraries
 106     elsewhere on the system. In the following examples, we choose
 107     to install into "/opt/pkcs11/usr". We will use this location
 108     when we configure BIND 9.</para>
 109     <sect3>
 110       <!-- Example 1 -->
 111       <title>Building OpenSSL for the AEP Keyper on Linux</title>
 112       <para>The AEP Keyper is a highly secure key storage device,
 113       but does not provide hardware cryptographic acceleration. It
 114       can carry out cryptographic operations, but it is probably
 115       slower than your system's CPU. Therefore, we choose the
 116       'sign-only' flavor when building OpenSSL.</para>
 117       <para>The Keyper-specific PKCS #11 provider library is
 118       delivered with the Keyper software. In this example, we place
 119       it /opt/pkcs11/usr/lib:</para>
 120       <screen>
 121 $ <userinput>cp pkcs11.GCC4.0.2.so.4.05 /opt/pkcs11/usr/lib/libpkcs11.so</userinput>
 122 </screen>
 123       <para>This library is only available for Linux as a 32-bit
 124       binary. If we are compiling on a 64-bit Linux system, it is
 125       necessary to force a 32-bit build, by specifying -m32 in the
 126       build options.</para>
 127       <para>Finally, the Keyper library requires threads, so we
 128       must specify -pthread.</para>
 129       <screen>
 130 $ <userinput>cd openssl-0.9.8s</userinput>
 131 $ <userinput>./Configure linux-generic32 -m32 -pthread \
 132             --pk11-libname=/opt/pkcs11/usr/lib/libpkcs11.so \
 133             --pk11-flavor=sign-only \
 134             --prefix=/opt/pkcs11/usr</userinput>
 135 </screen>
 136       <para>After configuring, run "<command>make</command>"
 137       and "<command>make test</command>". If "<command>make
 138       test</command>" fails with "pthread_atfork() not found", you forgot to
 139       add the -pthread above.</para>
 140     </sect3>
 141     <sect3>
 142       <!-- Example 2 -->
 143       <title>Building OpenSSL for the SCA 6000 on Solaris</title>
 144       <para>The SCA-6000 PKCS #11 provider is installed as a system
 145       library, libpkcs11. It is a true crypto accelerator, up to 4
 146       times faster than any CPU, so the flavor shall be
 147       'crypto-accelerator'.</para>
 148       <para>In this example, we are building on Solaris x86 on an
 149       AMD64 system.</para>
 150       <screen>
 151 $ <userinput>cd openssl-0.9.8s</userinput>
 152 $ <userinput>./Configure solaris64-x86_64-cc \
 153             --pk11-libname=/usr/lib/64/libpkcs11.so \
 154             --pk11-flavor=crypto-accelerator \
 155             --prefix=/opt/pkcs11/usr</userinput>
 156 </screen>
 157       <para>(For a 32-bit build, use "solaris-x86-cc" and
 158       /usr/lib/libpkcs11.so.)</para>
 159       <para>After configuring, run
 160       <command>make</command> and
 161       <command>make test</command>.</para>
 162     </sect3>
 163     <sect3>
 164       <!-- Example 3 -->
 165       <title>Building OpenSSL for SoftHSM</title>
 166       <para>SoftHSM is a software library provided by the OpenDNSSEC
 167       project (http://www.opendnssec.org) which provides a PKCS#11
 168       interface to a virtual HSM, implemented in the form of encrypted
 169       data on the local filesystem.  It uses the Botan library for
 170       encryption and SQLite3 for data storage.  Though less secure
 171       than a true HSM, it can provide more secure key storage than
 172       traditional key files, and can allow you to experiment with
 173       PKCS#11 when an HSM is not available.</para>
 174       <para>The SoftHSM cryptographic store must be installed and
 175       initialized before using it with OpenSSL, and the SOFTHSM_CONF
 176       environment variable must always point to the SoftHSM configuration
 177       file:</para>
 178       <screen>
 179 $ <userinput> cd softhsm-1.3.0 </userinput>
 180 $ <userinput> configure --prefix=/opt/pkcs11/usr </userinput>
 181 $ <userinput> make </userinput>
 182 $ <userinput> make install </userinput>
 183 $ <userinput> export SOFTHSM_CONF=/opt/pkcs11/softhsm.conf </userinput>
 184 $ <userinput> echo "0:/opt/pkcs11/softhsm.db" > $SOFTHSM_CONF </userinput>
 185 $ <userinput> /opt/pkcs11/usr/bin/softhsm --init-token 0 --slot 0 --label softhsm </userinput>
 186 </screen>
 187       <para>SoftHSM can perform all cryptographic operations, but
 188       since it only uses your system CPU, there is no need to use it
 189       for anything but signing.  Therefore, we choose the 'sign-only'
 190       flavor when building OpenSSL.</para>
 191       <screen>
 192 $ <userinput>cd openssl-0.9.8s</userinput>
 193 $ <userinput>./Configure linux-x86_64 -pthread \
 194             --pk11-libname=/opt/pkcs11/usr/lib/libpkcs11.so \
 195             --pk11-flavor=sign-only \
 196             --prefix=/opt/pkcs11/usr</userinput>
 197 </screen>
 198       <para>After configuring, run "<command>make</command>"
 199       and "<command>make test</command>".</para>
 200     </sect3>
 201     <para>Once you have built OpenSSL, run
 202     "<command>apps/openssl engine pkcs11</command>" to confirm
 203     that PKCS #11 support was compiled in correctly. The output
 204     should be one of the following lines, depending on the flavor
 205     selected:</para>
 206     <screen>
 207         (pkcs11) PKCS #11 engine support (sign only)
 208 </screen>
 209     <para>Or:</para>
 210     <screen>
 211         (pkcs11) PKCS #11 engine support (crypto accelerator)
 212 </screen>
 213     <para>Next, run
 214     "<command>apps/openssl engine pkcs11 -t</command>". This will
 215     attempt to initialize the PKCS #11 engine. If it is able to
 216     do so successfully, it will report
 217     <quote><literal>[ available ]</literal></quote>.</para>
 218     <para>If the output is correct, run
 219     "<command>make install</command>" which will install the
 220     modified OpenSSL suite to
 221     <filename>/opt/pkcs11/usr</filename>.</para>
 222   </sect2>
 223   <sect2>
 224     <title>Building BIND 9 with PKCS#11</title>
 225     <para>When building BIND 9, the location of the custom-built
 226     OpenSSL library must be specified via configure.</para>
 227     <sect3>
 228       <!-- Example 4 -->
 229       <title>Configuring BIND 9 for Linux with the AEP Keyper</title>
 230       <para>To link with the PKCS #11 provider, threads must be
 231       enabled in the BIND 9 build.</para>
 232       <para>The PKCS #11 library for the AEP Keyper is currently
 233       only available as a 32-bit binary. If we are building on a
 234       64-bit host, we must force a 32-bit build by adding "-m32" to
 235       the CC options on the "configure" command line.</para>
 236       <screen>
 237 $ <userinput>cd ../bind9</userinput>
 238 $ <userinput>./configure CC="gcc -m32" --enable-threads \
 239            --with-openssl=/opt/pkcs11/usr \
 240            --with-pkcs11=/opt/pkcs11/usr/lib/libpkcs11.so</userinput>
 241 </screen>
 242     </sect3>
 243     <sect3>
 244       <!-- Example 5 -->
 245       <title>Configuring BIND 9 for Solaris with the SCA 6000</title>
 246       <para>To link with the PKCS #11 provider, threads must be
 247       enabled in the BIND 9 build.</para>
 248       <screen>
 249 $ <userinput>cd ../bind9</userinput>
 250 $ <userinput>./configure CC="cc -xarch=amd64" --enable-threads \
 251             --with-openssl=/opt/pkcs11/usr \
 252             --with-pkcs11=/usr/lib/64/libpkcs11.so</userinput>
 253 </screen>
 254       <para>(For a 32-bit build, omit CC="cc -xarch=amd64".)</para>
 255       <para>If configure complains about OpenSSL not working, you
 256       may have a 32/64-bit architecture mismatch. Or, you may have
 257       incorrectly specified the path to OpenSSL (it should be the
 258       same as the --prefix argument to the OpenSSL
 259       Configure).</para>
 260     </sect3>
 261     <sect3>
 262       <!-- Example 6 -->
 263       <title>Configuring BIND 9 for SoftHSM</title>
 264       <screen>
 265 $ <userinput>cd ../bind9</userinput>
 266 $ <userinput>./configure --enable-threads \
 267            --with-openssl=/opt/pkcs11/usr \
 268            --with-pkcs11=/opt/pkcs11/usr/lib/libpkcs11.so</userinput>
 269 </screen>
 270     </sect3>
 271     <para>After configuring, run
 272     "<command>make</command>",
 273     "<command>make test</command>" and
 274     "<command>make install</command>".</para>
 275     <para>(Note: If "make test" fails in the "pkcs11" system test, you may
 276     have forgotten to set the SOFTHSM_CONF environment variable.)</para>
 277   </sect2>
 278   <sect2>
 279     <title>PKCS #11 Tools</title>
 280     <para>BIND 9 includes a minimal set of tools to operate the
 281     HSM, including
 282     <command>pkcs11-keygen</command> to generate a new key pair
 283     within the HSM,
 284     <command>pkcs11-list</command> to list objects currently
 285     available, and
 286     <command>pkcs11-destroy</command> to remove objects.</para>
 287     <para>In UNIX/Linux builds, these tools are built only if BIND
 288     9 is configured with the --with-pkcs11 option. (NOTE: If
 289     --with-pkcs11 is set to "yes", rather than to the path of the
 290     PKCS #11 provider, then the tools will be built but the
 291     provider will be left undefined. Use the -m option or the
 292     PKCS11_PROVIDER environment variable to specify the path to the
 293     provider.)</para>
 294   </sect2>
 295   <sect2>
 296     <title>Using the HSM</title>
 297     <para>First, we must set up the runtime environment so the
 298     OpenSSL and PKCS #11 libraries can be loaded:</para>
 299     <screen>
 300 $ <userinput>export LD_LIBRARY_PATH=/opt/pkcs11/usr/lib:${LD_LIBRARY_PATH}</userinput>
 301 </screen>
 302     <para>When operating an AEP Keyper, it is also necessary to
 303     specify the location of the "machine" file, which stores
 304     information about the Keyper for use by PKCS #11 provider
 305     library. If the machine file is in
 306     <filename>/opt/Keyper/PKCS11Provider/machine</filename>,
 307     use:</para>
 308     <screen>
 309 $ <userinput>export KEYPER_LIBRARY_PATH=/opt/Keyper/PKCS11Provider</userinput>
 310 </screen>
 311     <!-- TODO: why not defined at compile time? -->
 312     <para>These environment variables must be set whenever running
 313     any tool that uses the HSM, including
 314     <command>pkcs11-keygen</command>,
 315     <command>pkcs11-list</command>,
 316     <command>pkcs11-destroy</command>,
 317     <command>dnssec-keyfromlabel</command>,
 318     <command>dnssec-signzone</command>,
 319     <command>dnssec-keygen</command>(which will use the HSM for
 320     random number generation), and
 321     <command>named</command>.</para>
 322     <para>We can now create and use keys in the HSM. In this case,
 323     we will create a 2048 bit key and give it the label
 324     "sample-ksk":</para>
 325     <screen>
 326 $ <userinput>pkcs11-keygen -b 2048 -l sample-ksk</userinput>
 327 </screen>
 328     <para>To confirm that the key exists:</para>
 329     <screen>
 330 $ <userinput>pkcs11-list</userinput>
 331 Enter PIN:
 332 object[0]: handle 2147483658 class 3 label[8] 'sample-ksk' id[0]
 333 object[1]: handle 2147483657 class 2 label[8] 'sample-ksk' id[0]
 334 </screen>
 335     <para>Before using this key to sign a zone, we must create a
 336     pair of BIND 9 key files. The "dnssec-keyfromlabel" utility
 337     does this. In this case, we will be using the HSM key
 338     "sample-ksk" as the key-signing key for "example.net":</para>
 339     <screen>
 340 $ <userinput>dnssec-keyfromlabel -l sample-ksk -f KSK example.net</userinput>
 341 </screen>
 342     <para>The resulting K*.key and K*.private files can now be used
 343     to sign the zone. Unlike normal K* files, which contain both
 344     public and private key data, these files will contain only the
 345     public key data, plus an identifier for the private key which
 346     remains stored within the HSM. The HSM handles signing with the
 347     private key.</para>
 348     <para>If you wish to generate a second key in the HSM for use
 349     as a zone-signing key, follow the same procedure above, using a
 350     different keylabel, a smaller key size, and omitting "-f KSK"
 351     from the dnssec-keyfromlabel arguments:</para>
 352     <screen>
 353 $ <userinput>pkcs11-keygen -b 1024 -l sample-zsk</userinput>
 354 $ <userinput>dnssec-keyfromlabel -l sample-zsk example.net</userinput>
 355 </screen>
 356     <para>Alternatively, you may prefer to generate a conventional
 357     on-disk key, using dnssec-keygen:</para>
 358     <screen>
 359 $ <userinput>dnssec-keygen example.net</userinput>
 360 </screen>
 361     <para>This provides less security than an HSM key, but since
 362     HSMs can be slow or cumbersome to use for security reasons, it
 363     may be more efficient to reserve HSM keys for use in the less
 364     frequent key-signing operation. The zone-signing key can be
 365     rolled more frequently, if you wish, to compensate for a
 366     reduction in key security.</para>
 367     <para>Now you can sign the zone. (Note: If not using the -S
 368     option to
 369     <command>dnssec-signzone</command>, it will be necessary to add
 370     the contents of both
 371     <filename>K*.key</filename> files to the zone master file before
 372     signing it.)</para>
 373     <screen>
 374 $ <userinput>dnssec-signzone -S example.net</userinput>
 375 Enter PIN:
 376 Verifying the zone using the following algorithms:
 377 NSEC3RSASHA1.
 378 Zone signing complete:
 379 Algorithm: NSEC3RSASHA1: ZSKs: 1, KSKs: 1 active, 0 revoked, 0 stand-by
 380 example.net.signed
 381 </screen>
 382   </sect2>
 383   <sect2>
 384     <title>Specifying the engine on the command line</title>
 385     <para>The OpenSSL engine can be specified in
 386     <command>named</command> and all of the BIND
 387     <command>dnssec-*</command> tools by using the "-E
 388     &lt;engine&gt;" command line option. If BIND 9 is built with
 389     the --with-pkcs11 option, this option defaults to "pkcs11".
 390     Specifying the engine will generally not be necessary unless
 391     for some reason you wish to use a different OpenSSL
 392     engine.</para>
 393     <para>If you wish to disable use of the "pkcs11" engine &mdash;
 394     for troubleshooting purposes, or because the HSM is unavailable
 395     &mdash; set the engine to the empty string. For example:</para>
 396     <screen>
 397 $ <userinput>dnssec-signzone -E '' -S example.net</userinput>
 398 </screen>
 399     <para>This causes
 400     <command>dnssec-signzone</command> to run as if it were compiled
 401     without the --with-pkcs11 option.</para>
 402   </sect2>
 403   <sect2>
 404     <title>Running named with automatic zone re-signing</title>
 405     <para>If you want
 406     <command>named</command> to dynamically re-sign zones using HSM
 407     keys, and/or to to sign new records inserted via nsupdate, then
 408     named must have access to the HSM PIN. This can be accomplished
 409     by placing the PIN into the openssl.cnf file (in the above
 410     examples,
 411     <filename>/opt/pkcs11/usr/ssl/openssl.cnf</filename>).</para>
 412     <para>The location of the openssl.cnf file can be overridden by
 413     setting the OPENSSL_CONF environment variable before running
 414     named.</para>
 415     <para>Sample openssl.cnf:</para>
 416     <programlisting>
 417         openssl_conf = openssl_def
 418         [ openssl_def ]
 419         engines = engine_section
 420         [ engine_section ]
 421         pkcs11 = pkcs11_section
 422         [ pkcs11_section ]
 423         PIN = <replaceable>&lt;PLACE PIN HERE&gt;</replaceable>
 424 </programlisting>
 425     <para>This will also allow the dnssec-* tools to access the HSM
 426     without PIN entry. (The pkcs11-* tools access the HSM directly,
 427     not via OpenSSL, so a PIN will still be required to use
 428     them.)</para>
 429 <!--
 430 If the PIN is not known, I believe the first time named needs the
 431 PIN to open a key, it'll ask you to type in the PIN, which will be
 432 a problem because it probably won't be running on a terminal
 433 -->
 434     <warning>
 435       <para>Placing the HSM's PIN in a text file in
 436       this manner may reduce the security advantage of using an
 437       HSM. Be sure this is what you want to do before configuring
 438       OpenSSL in this way.</para>
 439     </warning>
 440   </sect2>
 441   <!-- TODO: what is alternative then for named dynamic re-signing? -->
 442   <!-- TODO: what happens if PIN is not known? named will log about it? -->
 443 </sect1>