# EnvelopeGenerator.Infrastructure.Crypt

Umfassende technische Dokumentation der PKCS#11/SoftHSM-Integration fuer `EnvelopeGenerator`.

Dieses Dokument konsolidiert und ersetzt die verteilten Runbooks aus:

- `pkcs11-proxy-production/README.md`
- `pkcs11-proxy-production/SSH_TEMP_ACCESS_MUST_DO.md`
- aeltere Abschnitte in diesem README

Zielgruppe: Senior Developer, Platform Engineers, DevOps, Security Owner.

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## 1. Architekturueberblick

### 1.1 Ziel

`EnvelopeGenerator.Infrastructure.Crypt` stellt die kryptographische Infrastruktur fuer PDF-Signaturen bereit:

- Signaturerzeugung mit Schluesseln in SoftHSM/PKCS#11
- Zertifikat-Auslese aus Token
- Signaturpruefung auf PDF-Ebene
- Health/Startup-Selbsttest fuer Betriebsfaehigkeit

### 1.2 Topologie (aktueller Betriebsmodus)

Der aktuell implementierte Produktions-nahe Pfad ist:

1. Linux hostet SoftHSM + `pkcs11-daemon` (Proxy-Server).
2. Windows hostet `EnvelopeGenerator.Server`.
3. Windows laedt ein Windows-kompatibles Proxy-PKCS#11-Modul (`libpkcs11-proxy.dll`).
4. PKCS#11-Operationen werden ueber Socket (`PKCS11_PROXY_SOCKET`) an Linux weitergeleitet.

Wichtig:

- Ein Windows-Prozess kann **kein Linux `.so`** direkt laden.
- Private Keys verbleiben im Token (nicht exportierbar).

### 1.3 Laufzeitpfade in der Anwendung

`Pkcs11InteropBootstrap` loest Assets relativ zu `Crypt:Pkcs11:AssetsRootPath` auf:

- Modul: `pkcs11\windows\proxy\libpkcs11-proxy.dll`
- Tool-Fallback: `pkcs11\windows\opensc\tools\pkcs11-tool.exe`

Wenn `AssetsRootPath` leer ist, wird `AppContext.BaseDirectory` verwendet.

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## 2. Linux-Seite: SoftHSM + Proxy Setup

### 2.1 Basispakete

Beispiel (Debian/Ubuntu):

```bash
sudo apt-get update && sudo apt-get install -y softhsm2 opensc p11-kit libengine-pkcs11-openssl
```

### 2.2 SoftHSM-Modulpfad pruefen

```bash
ldconfig -p | grep softhsm
find /usr -name "libsofthsm2.so" 2>/dev/null
```

### 2.3 Token initialisieren

```bash
softhsm2-util --show-slots
softhsm2-util --init-token --slot <uninitialized-slot> --label CompanyProdToken --so-pin <so-pin> --pin <user-pin>
softhsm2-util --show-slots
```

Hinweis: Nach `--init-token` wird der Slot i. d. R. neu zugewiesen.

### 2.4 Schluesselpaar erzeugen

```bash
pkcs11-tool --module /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so \
  --slot <slot-id> --login --pin <user-pin> \
  --keypairgen --key-type rsa:3072 --label company-sign-key-v1 --id 01
```

### 2.5 Zertifikat importieren

```bash
pkcs11-tool --module /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so \
  --slot <slot-id> --login --pin <user-pin> \
  --write-object ./company-sign-cert-v1.der --type cert --id 01 --label company-sign-cert-v1
```

### 2.6 Objektzustand verifizieren

```bash
pkcs11-tool --module /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so --slot <slot-id> --login --pin <user-pin> --list-objects
pkcs11-tool --module /usr/lib/softhsm/libsofthsm2.so --slot <slot-id> --login --pin <user-pin> --list-objects --type cert
```

### 2.7 Proxy-Daemon endpoint stabilisieren

Ein wiederkehrendes Betriebsproblem war ein zufaelliger/local-only Listener. Fix:

```bash
sudo mkdir -p /etc/systemd/system/pkcs11-proxy.service.d
printf "[Service]\nEnvironment=PKCS11_DAEMON_SOCKET=tcp://0.0.0.0:5657\n" | sudo tee /etc/systemd/system/pkcs11-proxy.service.d/override.conf
sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl restart pkcs11-proxy.service
```

Pruefung:

```bash
systemctl show pkcs11-proxy.service -p Environment --no-pager
ss -ltnp | grep 5657
```

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## 3. Web-API/Server-Seite: Installation und Asset-Bereitstellung

### 3.1 Bezugsquellen der Windows-Artefakte

Fuer den Proxy-Betrieb werden auf Windows benoetigt:

1. Proxy-PKCS#11-DLL (`libpkcs11-proxy.dll`)
2. Abhaengige Runtime-DLLs (z. B. MinGW runtime, je nach Build)
3. `pkcs11-tool.exe` + zugehoerige OpenSC-DLLs fuer Fallback

Beschaffung:

- Build aus derselben `pkcs11-proxy`-Codebasis/Commit wie Linux-Daemon (Kompatibilitaet sicherstellen)
- oder kontrolliert bereitgestellte, intern freigegebene Binaries

### 3.2 Empfohlene Ablage im Repo

Bundled Assets liegen unter:

- `EnvelopeGenerator.Infrastructure.Crypt/resources/pkcs11/windows/proxy/`
- `EnvelopeGenerator.Infrastructure.Crypt/resources/pkcs11/windows/opensc/tools/`
- `EnvelopeGenerator.Infrastructure.Crypt/resources/pkcs11/windows/opensc/pkcs11/`

Diese werden beim Build in den Output kopiert (siehe `.csproj`-Copy-Regeln).

### 3.3 Deployment-Muster

Es gibt zwei gueltige Wege:

1. **Bundled (Dev/QA, schnelle Reproduzierbarkeit)**
   - Assets werden mit dem Build ausgeliefert.
   - `AssetsRootPath = null` -> Aufloesung via `AppContext.BaseDirectory`.

2. **Zentraler Asset-Root (Prod, betriebliche Kontrolle)**
   - Assets in zentralem Pfad (z. B. `E:\DataFiles\Digital Data\EnvelopeGenerator`).
   - `AssetsRootPath` in `appsettings.json` auf diesen Root setzen.

### 3.4 Anwendungskonfiguration (`Crypt:Pkcs11`)

Beispiel:

```json
{
  "Crypt": {
    "Pkcs11": {
      "AssetsRootPath": "E:\\DataFiles\\Digital Data\\EnvelopeGenerator",
      "SlotId": 2021549410,
      "TokenLabel": "CompanyProdToken",
      "ProxySocket": "tcp://172.24.12.64:5657",
      "UserPin": "<secret>",
      "PrivateKeyLabel": "company-sign-key-v1",
      "CertificateLabel": "company-sign-cert-v1",
      "ApplicationName": "signFLOW",
      "DefaultReason": null,
      "UseUtcSigningTime": true,
      "DefaultCertificationLevel": "NoCertification"
    }
  }
}
```

Sicherheitsregel:

- `UserPin` niemals in versionierte Dateien einchecken.
- Secrets nur in Secret Store / nicht versionierte `appsettings.Secrets.json` / Vault.

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## 4. Implementierte Services, Modelle, DTOs

### 4.1 DI und Startverhalten

- `AddCryptInfrastructure(...)` in `DependencyInjection/ServiceCollectionExtensions.cs`
  - bindet `Pkcs11Options`
  - registriert `IPdfDigitalSignatureService`
  - registriert Startup-Self-Test Hosted Service

### 4.2 Konfigurationsmodell

- `Pkcs11Options` (`EnvelopeGenerator.Application/Common/Configurations/Pkcs11Options.cs`)
  - `AssetsRootPath`, `SlotId`, `TokenLabel`, `ProxySocket`
  - `UserPin`, `PrivateKeyLabel`, `CertificateLabel`
  - `ApplicationName`, `DefaultReason`, `UseUtcSigningTime`, `DefaultCertificationLevel`
  - `ResolvedLibraryPath`, `ResolvedToolPath` (Runtime-resolved)

### 4.3 Kernservices

1. `PdfDigitalSignatureService`
   - Signiert PDF via DevExpress `PdfDeferredSignatureBuilder`
   - Nutzt `Pkcs11ExternalSigner` fuer externe Signatur
   - Erzwingt `ApplicationName` aus Config (nicht client-overridable)
   - Erweitert `Reason` um strukturiertes Metaformat:
     - `SFMETA:v1;doc=<uuid>;sha256=<hash>`
   - Parse beim Verify und Mapping in DTO

2. `Pkcs11InteropBootstrap`
   - Loest Modul-/Toolpfade auf
   - Setzt `PKCS11_PROXY_SOCKET`/`PKCS11_DAEMON_SOCKET`
   - PATH-Ergaenzung fuer native Abhaengigkeiten
   - Warmup via `pkcs11-tool -L`

3. `Pkcs11SessionRunner`
   - Interop Library-Load mit mehreren Init-Modi (Fallback-Reihenfolge)
   - Slot-Resolution (`SlotId`/`TokenLabel`)
   - Session Login/Logout

4. `Pkcs11ToolBridge`
   - Fallback via Prozessaufruf von `pkcs11-tool`
   - Cert read und DigestInfo-Signatur

5. `Pkcs11StartupSelfTestHostedService`
   - Fuehrt beim Start Interop-Probe aus
   - Fallback-Probe bei Interop-Fehler
   - Schreibt strukturierten Status

### 4.4 Wichtige Interfaces/DTOs

- `IPdfDigitalSignatureService`
  - `SignPdfAsync(...)`, `CheckPdfSignatureAsync(...)`, `ExtractOriginalPdfAsync(...)`
- `IPkcs11SelfTestStatusProvider`
- `PdfSignOptionsDto`
  - `UUID`, `Reason`, `Name`, `Location`, `ContactInfo`, `SigningTime`, `CertificationLevel`
- `PdfSignatureCheckResultDto` / `PdfSignatureCheckItemDto`
  - inklusive `BusinessReason`, `UUID`, `OriginalDocumentSha256`
- `Pkcs11SelfTestStatusDto`

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## 5. Betriebserfahrungen und Challenges

### 5.1 Interop vs Tool-Verhalten

Beobachtetes Muster in der realen Umgebung:

- `pkcs11-tool` konnte erfolgreich auf Token zugreifen und signieren.
- `Pkcs11Interop` scheiterte mit `CKR_FUNCTION_NOT_SUPPORTED` bzw. fehlendem `C_Initialize` Pointer in bestimmten Modi.

Konsequenz:

- Architektur wurde auf **interop-first + controlled tool-fallback** erweitert.
- Health-Endpunkt differenziert Modus (`interop`, `pkcs11-tool`, `failed`).

### 5.2 Typische Fehlbilder

- `CKR_DEVICE_ERROR` bei Socket-/Proxy-Problemen
- `CRYPT_PROVIDER_UNAVAILABLE` bei Pfad/ABI/Dependency-Mismatch
- `CRYPT_SLOT_NOT_FOUND` bei Slot-/Label-Mismatch
- `CKR_PIN_INCORRECT` bei PIN-Fehler
- 307 Redirects bei HTTP/HTTPS-Mix in manuellen Tests

### 5.3 Plattformfallen

- MSVC vs MinGW Build-Unterschiede fuer Proxy-Client
- fehlende Laufzeit-DLLs (`PATH`/Side-by-side)
- Architektur-Mismatch x86 vs x64
- Daemon-Bindings nicht stabil (random localhost port statt fixed endpoint)

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## 6. Health, Monitoring und Verifikation

### 6.1 API Health

- Endpoint: `GET /api/health/crypt`
- Liefert:
  - `success`, `mode`, `summary`, `interopError`, `toolError`, `checkedAtUtc`

Empfehlung:

- In Monitoring aufnehmen und bei `mode=pkcs11-tool` ueber laengere Zeit Warnung triggern.

### 6.2 Smoke-Test (empfohlen vor Release)

1. `GET /api/health/crypt` -> `success=true`
2. `POST /api/PdfSignature/sign` mit Test-PDF
3. `POST /api/PdfSignature/is-signed`
4. Pruefen:
   - `signed=true`
   - `allSignaturesCryptographicallyValid=true`
   - `UUID`/`OriginalDocumentSha256` korrekt gemappt

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## 7. Sicherheits- und Betriebsrichtlinien

### 7.1 Geheimnisse

- PIN, SO-PIN, Root-Creds niemals in Doku/Screenshots/Repo.
- Nach Troubleshooting: Credentials rotieren.

### 7.2 Temporare SSH-Freigaben zwingend rueckbauen

Wenn SSH temporaer geoeffnet wurde, MUSS danach Rollback erfolgen:

```bash
sudo systemctl disable --now ssh && sudo ufw delete allow from 172.24.10.11 to any port 22 proto tcp && sudo ufw status verbose && sudo systemctl status ssh --no-pager
```

Optional harte Bereinigung:

```bash
sudo apt-get purge -y openssh-server && sudo apt-get autoremove -y
```

### 7.3 Schluesselrotation

- Neue Labels (`...-v2`) anlegen
- App umkonfigurieren
- Sign/Verify Regression testen
- Altmaterial erst nach Freigabe entfernen

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## 8. API-Verhalten bei Signaturmetadaten

Aktueller Standard:

- `UUID` kommt aus Sign-Input (nullable string). Wenn ungeltig/leer -> neue Guid wird erzeugt.
- `Reason` wird intern angereichert mit strukturiertem Meta (`SFMETA:v1`).
- `ApplicationName` ist rein serverseitig aus `appsettings` gesetzt.
- `SigningTime` ist rein serverseitig und wird automatisch gesetzt (`UseUtcSigningTime=true` => `UtcNow`, sonst lokale Zeit).
- `CertificationLevel` wird im Controller serverseitig gesetzt (`FormFillingAndAnnotations`), nicht vom Client.

Damit ist das Verhalten deterministisch und manipulationsaermer fuer Integrationsclients.

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## 9. Troubleshooting-Checkliste (praxisnah)

1. Erreichbarkeit Linux Proxy:
   - `Test-NetConnection <linux-host> -Port 5657`
2. Token sichtbar?
   - `pkcs11-tool --module <dll> -L -v`
3. Zertifikat lesbar?
   - `--read-object --type cert --label <cert-label>`
4. Signatur technisch moeglich?
   - `--sign -m SHA256-RSA-PKCS ...`
5. App-Health check:
   - `/api/health/crypt`
6. App-sign/verify end-to-end:
   - `/api/PdfSignature/sign` + `/api/PdfSignature/is-signed`

Wenn Interop scheitert, aber Tool funktioniert:

- Betrieb bleibt verfuegbar (Fallback),
- aber Incident/Bug fuer Interop-Kompatibilitaet erfassen.

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## 10. Ausblick / empfohlene Verbesserungen

1. Binary Transport statt Base64 bei grossen PDFs in Render/Sign-Pipelines.
2. Persistente Metriken fuer Fallback-Quote (`interop` vs `tool`).
3. Zertifikatskette/OCSP/CRL Validierung als optionales Policy-Modul.
4. CI-Pruefung auf unsichere SQL-Muster (parallel zum Security-Workstream).
5. Standardisierte Toast/UX-Rueckmeldungen fuer Signierfehler in UI.

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## 11. Referenzen

- SoftHSMv2: `https://github.com/softhsm/SoftHSMv2`
- OpenSC / pkcs11-tool: `https://github.com/OpenSC/OpenSC/wiki/Using-pkcs11-tool-and-OpenSSL`
- PKCS#11 Standard: `https://www.oasis-open.org/committees/pkcs11/`