# Hyperledger Fabric Extension

Autor: Cem Basoglu

"Hyperledger ist eine bereichsübergreifende Open-Source-Initiative zur Förderung branchenübergreifender Blockchain-Technologien. An diesem weltweiten Kooperationsprojekt, das von The Linux Foundation gehostet wird, nehmen führende Unternehmen aus Branchen wie Banken und Finanzen, Internet of Things, Supply-Chain, Fertigung und IT teil" [HYPE18].

Zu den von der Hyperledger Initiative geförderten Projekten gehört unter anderem auch das von IBM initiierte Fabric Framework. Das Fabric Framework besteht aus einer Distributed Ledger Plattform und diversen Client Bibliotheken zum Zugriff auf den Ledger. Weitere Informationen zum Fabric Framework sind im Kapitel Populäre Blockchain Plattformen verfügbar.

Um aus einer Webapplikation heraus mit dem Distributed Ledger zu kommunizieren, erfordert das derzeitige Fabric SDK zwangsläufig eine serverseitige Schnittstelle zwischen Hyperledger Fabric und der clientseitigen Webapplikation. Diese Restriktion ist darin begründet, dass der Fabric Client zum einen das fs und path-Modul aus Node.js benötigt und zum anderen eine gRPC-Implementierung verwendet, die nicht im Browser lauffähig ist [SANG18].

Für die Authentifizierung eines Nutzers gegenüber dem Distributed Ledger, verwendet das Hyperledger Fabric Framwork x509-Zertfikate. Der mit dem Zertifikat verbundene private Schlüssel hingegen wird für die Signierung der Anfragen verwendet. Da das Fabric SDK die Aufgabe der Authentifizierung gegenüber dem Distributed Ledger und die Signierung der Anfragen übernimmt, müssen die Zertifikate und die privaten Schlüssel, je nach Implementierung der serverseitigen Schnittstelle, auf dem Server vorgehalten oder an diesen mit jeder Anfrage übertragen werden. Beide Varianten der Implementierung stellen jedoch ein großes Sicherheitsrisko dar, da der private Schlüssel nur clientseitig vorgehalten werden sollte [MINY18].

Moderne Browser wie Chrome, Firefox, Opera oder auch Microsoft Edge, erlauben es Entwicklern eigene Erweiterungen zu implementieren. Durch die Implementierung einer Erweiterung können die oben genannten Sicherheitsrisiken umgangen werden, indem die Erweiterung die Verwahrung der Zertifikate und die Signierung der Anfragen übernimmt. Diese Erweiterung kann anschließend aus der clientseitigen Webapplikation genutzt werden, um mit dem Distributed Ledger zu interagieren. Somit verbleiben privaten Schlüssel jederzeit beim Client und nur die mit privaten Schlüssel signierten Anfragen werden über das Netzwerk übertragen.

# Anforderungen

Die sichere Verwahrung der Zertifikate und privaten Schlüssel ist die zentrale Anforderung an die Fabric Chrome Erweiterung. Dazu müssen die Zertifikate und privaten Schlüssel vor einem unberechtigten Zugriff auf Dateisystemebene und auch aus einer Webapplikation heraus geschützt werden.

Des Weiteren muss der Benutzer die Möglichkeit haben, neue Zertifikate zu hinterlegen und bestehende Zertifikate zu verwalten. Dies soll direkt über die Erweiterung im Browser möglich sein und muss zusätzlich mit einem Passwort gesichert werden.

Für die Interaktion mit der Erweiterung muss es eine Javascript-Schnittstelle bereitgestellt werden, die in die clientseitige Webapplikation eingebunden werden kann. Diese soll berechtigten Webapplikationen die Möglichkeit geben zu prüfen, ob ein Zertifikat für die aktuelle Webapplikation vorhanden ist. Zusätzlich müssen allgemeine Informationen über das Zertifikat abgerufen werden können. Für die Interaktion mit dem Distributed Ledger müssen beliebige Chaincode Funktionen aufgerufen werden können.

# Analyse

Um die Anforderungen umzusetzen, muss zunächst untersucht werden welche Möglichkeiten bestehen, um aus einer Chrome Extension mit einem gRPC-Dienst zu interagieren und wie aus einer clientseitigen Webapplikation mit der Extension kommuniziert werden kann.

# Fabric Client

Wie bereits einleitend erwähnt, benötigt das Fabric SDK die Module fs und path aus Node.js, um Zertifikate für die Wiederverwendung abzulegen. Diese Module sind jedoch nicht in einer Browser bzw. Extension Umgebung verfügbar, sodass für die Persistierung eine alternative Lösung verwendet werden muss. Zusätzlich verwendet das SDK die gRPC-Node Bibliothek um mit dem Fabric Netzwerk zu kommunizieren. Dieser Client ist jedoch als natives C++ Module für Node.js implementiert, was die Verwendbarkeit im Browser weiter einschränkt.

Für die Implementierung einer Chrome-Extension müssen daher die Funktionalitäten der Fabric SDK neu implementiert werden. Zu diesen Funktionalitäten zählt die Interaktion mit der gRPC-Schnittstelle des Fabric Netzwerks und das Erzeugen der kryptografischen Signatur zur Signierung der Anfragen. Um auch aus der Chrome-Extension auf das Fabric Netzwerk zugreifen zu können, muss auf eine gRPC Bibliothek zurückgegriffen werden, die auch aus dem Browser heraus genutzt werden kann. Zu diesem Zweck sollen an dieser Stelle alternative gRPC Bibliotheken, auf die Verwendbarkeiten im Browser betrachtet werden.

# gRPC-js

Die gRPC-js Bibliothek ist ein, ausschließlich in Javascript implementierter, experimenteller gRPC-Client, wodurch die Abhängigkeit zu der C++ Implementierung wegfällt [GRJS18]. Diese Bibliothek verwendet das HTTP/2-Modul aus Node.js um mit dem gRPC-Server zu kommunizieren und unterstützt somit ebenfalls Dienste mit bidirektionalen Datenströmen zwischen Client und Server.

Das HTTP/2-Protokoll wird zwar ebenfalls von modernen Browsern unterstützt, diese stellen das Protokoll aber nur implizit über die fetch- bzw. XMLHttpRequest-Schnittstelle bereit. Daher kann die gRPC-js Bibliothek nicht im Browser eingesetzt werden, da die Schnittstelle des HTTP/2-Moduls in Node.js nicht kompatibel ist, mit der Schnittstelle im Browser.

# gRPC-Web

Für den Zugriff auf einen gRPC-Dienst aus dem Browser gibt es seit Anfang 2018 eine öffentliche Betaphase der offiziellen gRPC-Web-Bibliothek [GRWE18]. Diese nutzt, je nach Browser und Verfügbarkeit, die fetch- bzw. XMLHttpRequest-Schnittstelle um gRPC-Dienste über HTTP/2-Requests anzusprechen.

Aufgrund einiger Einschränkungen im Browser, wie z.B. die fehlende Unterstützung für HTTP/2-Trailers oder der fehlende Zugriff auf das HTTP/2 framing, verwendet die gRCP-Web-Bibliothek eine vom nativen gRPC Protokoll abweichende Implementierung [GRWP18]. Das gRPC-Web-Protokoll wird jedoch mit zunehmender Browserunterstützung der Streams Spezifikation obsolet werden, sodass auch im Browser das native gRPC Protokoll implementiert werden kann.

Daher ist für die Nutzung dieser Bibliothek zwangsläufig ein Proxy notwendig, der die Anfragen von dem gRPC-Web-Protokoll in das native gRPC-Protokoll umformt und an den gRPC-Dienst weiterleitet. Dazu stellt die Bibliothek ein nginx Module bereit, die vor der Verwendung jedoch zunächst noch kompiliert werden muss [NGIN18].

# gRPC-Web-Client

Ähnlich wie die gRPC-Web-Bibliothek, ist auch diese inoffizielle Bibliothek explizit für die Verwendung im Browser konzipiert [INWE18]. Dazu implementiert es jedoch ebenfalls ein vom nativen gRPC-Protokoll abweichendes Protokoll, um die Limitierung im Browser zu umgehen.

Im Gegensatz zu der gRPC-Web-Bibliothek, bietet diese Bibliothek jedoch die Möglichkeit, aus den Protcol Buffers einen entsprechenden gRPC-Server zu generieren, mit dem direkt aus dem Browser kommuniziert werden kann.

Für eine fremde gRPC-Schnittstelle, die das native gRPC-Protkoll implementieren, ist jedoch weiterhin ein Proxy für die Konvertierung zwischen Protokollen notwendig. Dazu stellt die Bibliothek ein generisches golang-Tool bereit, der über Startparameter konfiguriert werden kann.

Ein weiteres nützliches Feature ist die Möglichkeit aus den Protocol Buffers entsprechende DTO und Service Klassen für Typescript zu generieren.

# Chrome Extension

Für den Entwurf einer geeigneten Architektur und Wahl der zusätzlich benötigten Bibliotheken muss der grundsätzliche Aufbau einer Chrome Extensions betrachtet werden. Die Kernfunktionen der Erweiterung sind die verschlüsselte Persistierung der Zertifikate inkl. der privaten Schlüssel und die Kommunikation mit der Webapplikation.

Dazu wird zunächst untersucht, wie die Kommunikation zwischen der im Browser ausgeführten Webapplikation und er Erweiterung realisiert werden kann. Anschließend werden die Möglichkeiten zur Persistierung der Zertifikate und privaten Schlüssel betrachtet.

# Kommunikation

Die Kommunikation zwischen den in Abbildung 2.2.2.2 abgebildeten Komponenten einer Chrome Extension, kann mittels der Message-Schnittstelle realisiert werden [CHMA18].

Abbildung 2.2.2.2 - Chrome Extension Architektur Quelle: [CHEX18]

# Background Script

Das Background Script wird als Singleton initial beim Browserstart geladen und ist während der gesamten Laufzeit des Browsers verfügbar. Es ist der zentrale Event-Handler der Erweiterung und kann ebenfalls für Seitenübergreifende State Persistierung verwendet werden.

# Popup

Diese Komponente einer Chrome Erweiterung enthält dass als Popup angezeigte User Interface und die dazugehörige Applikationslogik. Die Anzeige des Popups kann nur vom Benutzer durch den Klick auf die Schaltfläche initiiert werden, wodurch die Komponente erst erzeugt und initialisiert wird. Beim Schließen des Popup werden auch die Komponenten wieder zerstört, sodass State-Informationen anderweitig persistiert werden müssen.

# Content Script

Für jeden offenen Tab im Browser wird ein sogenanntes Content Script geladen, das in Kontext der aktuellen Webapplikation läuft. Obwohl das Content Script und die Webapplikation einen Kontext teilen, sind die Laufzeitumgebungen strikt voneinander isoliert. Ein Content Script kann daher zwar auf den DOM der aktuellen Seite zugreifen und diesen manipulieren, aber keine Javascript-Objekte oder Funktion der Seite benutzen. Im Umkehrschluss kann daher auch die Seite keine Funktion aus dem Content Script verwenden.

Damit eine berichtigte Webapplikation dennoch auf die Zertifikate zugreifen und mittels der Extension Daten vom Distributed Ledger abrufen kann, kann die window.postMessage für das Marshalling und das Dispatchen der Funktionsaufrufe verwendet werden [CHPC18]. Um diesen Vorgang zu vereinfachen, kann ebenfalls die post-message-stream-Bibliothek verwendet werden.

# Persistierung

Ähnlich wie in der Browser Umgebung, kann auch in einer Chrome Extension die LocalStorage-Schnittstelle verwendet werden, um die Zertifikate und privaten Schlüssel zu persistieren. Für die Verschlüsselung der Daten kann die CryptoJS-Bibliothek genutzt werden.

# Entwurf

Für die Verschlüsselung der im Browser Storage abgelegten Zertifikate wird das vom Benutzer eingegebene Passwort verwendet, welches gleichzeitig die Fabric Extension vor fremden Zugriff schützt. Für den Zugriff aus einer berechtigten Webapplikation muss die Fabric Extension einmalig entsperrt werden. Anschließend kann aus der Webapplikation, mittels einer Javascript Bibliothek, auf die Zertifikate zugegriffen werden. In den Attributen der Zertifikate ist eine URL in Form eines regulären Ausdrucks hinterlegt der eine Webapplikation autorisiert auf das Zertifikat zuzugreifen.

Wie bereits in der Analyse erläutert, ist für die Kommunikation mit einem gRPC-Dienst zwangsläufig eine serverseitige Schnittstelle zwischen der clientseitigen Webapplikation und dem Hyperledger Fabric Netzwerk notwendig. Da aus den vorgestellten Bibliotheken nur gRPC-Web und gRPC-Web-Client tatsächlich für die Verwendung im Browser konzipiert wurden, wird aus folgenden Gründen die gRPC-Web-Client-Bibliothek für die Implementierung der Fabric Extension eingesetzt.

• Typescript Code Generator für Protocol Buffers
• golang-Tool für Reverse-Proxy verfügbar
• NPM Paket verfügbar mit 4077 wöchentliche NPM Installationen
• Erste Version seit März 2017 öffentlich verfügbar

Mit der gRPC-Web-Client-Bibliothek ist zwar nach wie vor eine serverseitige Schnittstelle notwendig, jedoch können nun die Authentifizierung und die Signierung der Anfragen, in den Browser verlagert werden. Damit stellt die serverseitige Schnittstelle lediglich einen Reverse-Proxy dar, wodurch der private Schlüssel zu keinem Zeitpunkt über Netzwerk übertragen oder auf dem Server vorgehalten werden muss.

# Architektur

Abbildung 2.2.3.1 - Fabric Extension Architektur

# Fabric Client (reimplemented)

Diese Komponente ersetzt die offiziele Fabric Node SDK Bibliothek und implementiert daher alle für die Signierung und Authentifizierung notwendigen Funktionalitäten. Zusätzlich nutzt es die gRPC-Web-Client-Bibliothek für die Interaktion mit dem Hyperledger Fabric Framework.

# Background Script

Für die Fabric Extension übernimmt das Background Script die Persistierung der Zertifikate und privaten Schlüssel und stellt diese, nach erstmaliger Eingabe des Passworts im Popup, über die Messaging-Schnittstelle den restlichen Komponenten bereit.

# Popup / Certificate Service

Die Benutzerschnittstelle wird unter der Nutzung des Angular Frameworks in dieser Komponente implementiert. Über diese kann der Benutzer, nach der Eingabe des Passworts, die Zertifikate einsehen und verwalten. Über das Certificate Service werden dabei die Zertifikate vom Background Script abgerufen bzw. neue Zertifikate persistiert.

# Fabric Extension Client

Die Fabric Extension Client stellt die Funktionalitäten zum Zugriff auf die Zertifikate sowie die Interaktion mit dem Distributed Ledger bereit. Dazu kapselt es die Logik, um mit dem Content Script zu kommunizieren und bietet der clientseitigen Webapplikation, eine Javascript-Schnittstelle zur Interaktion mit der Erweiterung an.

# Content Script

Die Komponente hält den State der aktuellen Webapplikation und dient als Schnittstelle zwischen dem Fabric Client und dem Fabric Extension Client. Dazu wird die post-message-stream-Bibliothek verwendet, um die Funktionsaufrufe über das Fenster-Objekt aus der Webapplikation an das Content Script weiterzuleiten und Ergebnisse zurückzuliefern.

# Evaluation

Zur Evaluation der Fabric Extension wird eine Webapplikation implementiert, die Information aus der digitalen Patientenakte vom Health Ledger Projekt anzeigt. Dabei steht jedoch die Demonstration der Funktionalität der Erweiterung im Vordergrund.

# Referenzen

[CHEX18] Google Chrome Extension Dokumentation - Content Scripts Online

[CHMA18] Google Chrome Extension Dokumentation - Message Passing Online

[CHPC18] Google Chrome Extension Dokumentation - Host Page Communication Online

[GRWE18] Github: gRPC for Web Clients Online

[GRJS18] Github: Pure JavaScript gRPC Client Online

[GRWP18] Github: gRPC Web Protocol Online

[HYPE18] IBM Blockchain auf Basis von Hyperledger Fabric der Linux Foundation Online

[INWE18] Github: gRPC Web implementation for Golang and TypeScript Online

[MINY18] Min Yu: 2018 Projects - Project 5: Hyperledger Fabric Chrome Extension Online

[NGIN18] Github: nginx Gateway Online

[SANG18] Siddesh Sangodkar: Browser compatible fabric-node-sdk Online