inkwatch/shared/pairing.js

/**
 * 配对码契约 —— 网关与业务服务共用的**唯一真相源**（方案 6.3 / 9.4 / 表 13）
 *
 * ── 为什么必须单独成文件 ────────────────────────────────────────────
 * 本仓库同一模式已翻车四次：一份清单被多处各写一套，交集为空却全绿。
 *   1. 指标字段（Rust 采集 / 协议白名单 / 表列 / 仓储 INSERT）
 *   2. msgpack 线格式（客户端写法 vs 网关解包）
 *   3. Dockerfile COPY 清单
 *   4. **配对码**（本次）：`server/gateway/store.js` 里躺着完整的
 *      setPairingCode / consumePairingAttempt / checkPairingRateLimit，
 *      但**全仓库无人调用**；业务服务的 /api/pairing/verify 只做正则格式校验，
 *      从未比对配对码本身 → 任意 6 位数字都能建立设备授权（授权绕过）。
 *      实测证据：POST {"code":"000000","device_id":"mac-autostart-test"} 返回
 *      {"ok":true,"authorized":true}。
 *
 * 故此处收敛为**单一实现**：键名、TTL、失败次数、限流窗口一律从本模块派生，
 * 调用方不得再硬编码 `pairing:` 前缀或 300 / 5 / 10 这些数字。
 * 一致性由 `tests/pairing-security-test.js` 锁定（含源码解析型断言）。
 *
 * ── 键契约（方案表 13）────────────────────────────────────────────
 *   pairing:{code}          STRING  JSON 值，TTL 300 秒 —— 配对码本体
 *   pairing:device:{id}     STRING  该设备当前有效码，TTL 300 秒 —— 一设备仅一码
 *   ratelimit:pairing:acct:{account_id}  STRING  计数，TTL 3600 秒
 *   ratelimit:pairing:ip:{ip}            STRING  计数，TTL 3600 秒
 *
 *   ↑ 后三个键是本轮新增。方案表 13 只列了 pairing:{code}，但 6.3 明确要求
 *     「单账号每小时最多发起 10 次验证」「按来源 IP 限流」，这些约束必须有
 *     落脚点。已同步补进方案文档表 13，避免文档与实现再次分叉。
 *
 * ── 失败关闭（fail-closed）────────────────────────────────────────
 * Redis 故障时所有方法抛 PairingUnavailableError，调用方**必须**返回 503，
 * 绝不允许退化成「查不到记录即通过」。安全判定链路上不存在可用性降级路径：
 * 宁可配对功能整体不可用，也不能出现「谁都能授权」的窗口。
 */

'use strict';

const crypto = require('crypto');

/** 配对码有效期（秒）—— 方案 6.3：「300 秒有效」 */
const PAIRING_TTL_SEC = 300;

/** 配对码位数 —— 方案 6.3：「6 位数字」 */
const PAIRING_CODE_LENGTH = 6;

/** 单个配对码允许的最大失败次数 —— 方案 6.3：「验证失败 5 次即作废」 */
const PAIRING_MAX_ATTEMPTS = 5;

/** 单账号限流 —— 方案 6.3：「单账号每小时最多发起 10 次验证」 */
const PAIRING_ACCOUNT_LIMIT = 10;
const PAIRING_ACCOUNT_WINDOW_SEC = 3600;

/**
 * 单来源 IP 限流 —— 方案 6.3：「网关按来源 IP 限流」。
 *
 * 阈值取 30 而非 10：同一 NAT 出口（办公室/机房/移动网络）后面多个合法账号
 * 共享一个 IP，卡到 10 会把正常用户一起误伤。IP 维度的职责是拦住
 * 「同一来源批量扫号」，不是替代账号维度。可用 PAIRING_IP_LIMIT 覆盖。
 */
const PAIRING_IP_LIMIT = 30;
const PAIRING_IP_WINDOW_SEC = 3600;

/** 配对码格式（唯一判定处：业务服务与测试都从这里取，不再各写正则） */
const PAIRING_CODE_RE = new RegExp(`^\\d{${PAIRING_CODE_LENGTH}}$`);

/** 发码时的最大换码重试次数（防碰撞，见 issue 注释） */
const PAIRING_ISSUE_RETRY = 5;

/**
 * 单次存储操作的等待上限（毫秒）。
 *
 * 为什么安全路径必须有超时：Redis 可能"活着但不应答"——
 * 容器被 pause、宿主机网络黑洞、内核丢包。此时 TCP 连接仍然是 ESTABLISHED，
 * socket 既不关闭也不报错，node-redis 的离线队列机制也帮不上忙
 * （它只处理"连接已断"的情况），命令会**无限期挂起**。
 * 表现就是配对接口假死：客户端既拿不到通过也拿不到拒绝，挂起的请求
 * 还会持续占用服务端连接。
 *
 * 超时后统一抛 PairingUnavailableError → 调用方返回 503：
 * 语义从"悬而未决"变成"明确拒绝，可重试"，且等待时间有上界。
 * 1.5s 是权衡：正常 Redis 操作在毫秒级，留足数量级余量；
 * 又远小于客户端 10s 级超时，不会把挂起传导到用户侧。
 */
const PAIRING_OP_TIMEOUT_MS = Number(process.env.PAIRING_OP_TIMEOUT_MS || 1500);

/** 校验结果枚举 —— 调用方按此分支，禁止用字符串字面量比较 */
const PAIRING_RESULT = Object.freeze({
  OK: 'ok',
  NOT_FOUND: 'not_found',
  DEVICE_MISMATCH: 'device_mismatch',
  EXHAUSTED: 'exhausted',
});

/** Redis 不可用 —— 调用方必须映射为 503（失败关闭） */
class PairingUnavailableError extends Error {
  constructor(message = '配对码存储不可用（Redis 未就绪）') {
    super(message);
    this.name = 'PairingUnavailableError';
    this.code = 'E_PAIRING_UNAVAILABLE';
  }
}

const pairingKey = (code) => `pairing:${code}`;
const pairingDeviceKey = (deviceId) => `pairing:device:${deviceId}`;
const pairingAccountRateKey = (accountId) => `ratelimit:pairing:acct:${accountId}`;
const pairingIpRateKey = (ip) => `ratelimit:pairing:ip:${ip}`;

/** 6 位数字码用加密安全随机数（不用 Math.random） */
function generatePairingCode() {
  const max = 10 ** PAIRING_CODE_LENGTH;
  return String(crypto.randomInt(0, max)).padStart(PAIRING_CODE_LENGTH, '0');
}

/**
 * 配对码存储。
 *
 * **比对、一次性消费、失败扣次、限流计数** 全部集中在此处。
 * 调用方只消费返回值，不自行「先查记录是否存在、再决定是否授权」
 * —— 判定与授权写在两处，正是本次绕过缺陷的成因。
 */
class PairingStore {
  constructor(redis) {
    this.redis = redis;
  }

  /**
   * 统一出口：把任何 Redis 层异常收敛成 PairingUnavailableError，
   * 并给每次操作套上等待上限。
   *
   * 收敛异常是为了让调用方只需判一种错误即可保证失败关闭，不必知道
   * node-redis 各种连接异常的名字（ClientClosedError / SocketClosedUnexpectedlyError …）；
   * 套超时是为了覆盖"连接没断但对面不应答"这种默认会无限挂起的形态。
   */
  async _run(label, fn) {
    if (!this.redis) throw new PairingUnavailableError();
    const work = Promise.resolve().then(fn);
    // 超时后 work 可能才失败：先挂一个空 catch，避免变成 unhandledRejection
    // （Node ≥15 默认会因此终止进程 —— 一个卡住的 Redis 不该让服务整体退出）
    work.catch(() => {});
    let timer = null;
    try {
      return await Promise.race([
        work,
        new Promise((_resolve, reject) => {
          timer = setTimeout(
            () => reject(new PairingUnavailableError(
              `配对码存储超时（${label} > ${PAIRING_OP_TIMEOUT_MS}ms，连接存在但不应答）`)),
            PAIRING_OP_TIMEOUT_MS,
          );
        }),
      ]);
    } catch (e) {
      if (e instanceof PairingUnavailableError) throw e;
      throw new PairingUnavailableError(`配对码存储故障（${label}）：${e.message}`);
    } finally {
      if (timer) clearTimeout(timer);
    }
  }

  /** GET + DEL 同事务取走，返回值；未取到返回 null */
  async _claimAtomically(key) {
    const [raw] = await this.redis.multi().get(key).del(key).exec();
    return raw || null;
  }

  /**
   * 发码：写 pairing:{code} 与 pairing:device:{id}，TTL 均 300 秒。
   *
   * SET NX 防碰撞：6 位空间 90 万，同一时刻有效码不多，但一旦碰撞而直接覆盖，
   * 先发码那台设备的码会指向新设备 → 授权串号。NX 失败即换码重试。
   *
   * 同时作废旧码：屏幕只显示一个码，那台设备就只能有一个有效码。
   * 否则设备连点两次「生成」会留下两个可用的码，攻击面翻倍。
   */
  issue(deviceId) {
    return this._run('issue', async () => {
      for (let i = 0; i < PAIRING_ISSUE_RETRY; i++) {
        const code = generatePairingCode();
        const record = {
          device_id: deviceId,
          issued_at: Date.now(),
          attempts_left: PAIRING_MAX_ATTEMPTS,
        };
        const written = await this.redis.set(pairingKey(code), JSON.stringify(record), {
          EX: PAIRING_TTL_SEC,
          NX: true,
        });
        if (!written) continue;   // 撞上已有码，换一个

        const prev = await this._claimAtomically(pairingDeviceKey(deviceId));
        if (prev && prev !== code) await this.redis.del(pairingKey(prev));
        await this.redis.set(pairingDeviceKey(deviceId), code, { EX: PAIRING_TTL_SEC });
        return {
          code,
          ttl_seconds: PAIRING_TTL_SEC,
          expires_at: Date.now() + PAIRING_TTL_SEC * 1000,
        };
      }
      throw new PairingUnavailableError('配对码生成失败（连续碰撞，请重试）');
    });
  }

  /** 只读查询，不消费（供设备重绘界面与排障用） */
  peek(code) {
    return this._run('peek', async () => {
      const raw = await this.redis.get(pairingKey(code));
      if (!raw) return null;
      try {
        return JSON.parse(raw);
      } catch {
        // 值损坏：当作无效并清掉，避免它卡在 TTL 里反复进入判定
        await this.redis.del(pairingKey(code));
        return null;
      }
    });
  }

  /** 该设备当前有效码（界面重绘复用，避免刷码） */
  currentCode(deviceId) {
    return this._run('currentCode', () => this.redis.get(pairingDeviceKey(deviceId)));
  }

  /**
   * 校验并**消费**配对码（一次性，方案 6.3）。
   *
   * 成功路径用 MULTI 包住 GET + DEL：Redis 的 MULTI 原子执行，并发两个请求
   * 都拿正确码时只有一个能取到值，另一个拿到 null → 判为 not_found。
   * 若拆成「先 GET 再 DEL」两步，两步之间就是重放窗口。
   *
   * 设备绑定：码由设备 A 生成，就只能授权设备 A。缺这一条，
   * 任何知道码的人都能拿它去认领任意设备（码劫持）。
   *
   * 扣次对象（易错，单独说明）：
   *   方案 6.3 的「单个配对码验证失败 5 次即作废」在本接口里只能落在
   *   **目标设备当前展示的那个码**上 —— 因为攻击者猜的码根本不存在于 Redis
   *   （每个猜测值都是一条独立记录），拿猜测值去扣次会扣空气，
   *   5 次作废的约束就完全失效（本套件 D19 曾因此变红）。
   *   故：
   *     - 提交的码存在 → 扣**它自己**（含跨设备滥用）
   *     - 提交的码不存在 → 扣**该设备当前待用码**
   *   这带来一个固有副作用：攻击者可以靠连猜 5 次作废掉用户正在展示的码
   *   （轻量 DoS）。这是方案原文取舍的一部分，用户重新生成一次即可；
   *   真正的护栏是账号级与 IP 级限流（见 consumeAccountRate / consumeIpRate）。
   */
  verify(code, deviceId) {
    return this._run('verify', async () => {
      const submittedKey = pairingKey(code);
      const raw = await this.redis.get(submittedKey);

      if (raw) {
        let record;
        try {
          record = JSON.parse(raw);
        } catch {
          await this.redis.del(submittedKey);
          return { status: PAIRING_RESULT.NOT_FOUND };
        }

        if (!record.device_id || record.device_id !== deviceId) {
          const left = await this._registerFailure(submittedKey, record);
          return {
            status: left <= 0 ? PAIRING_RESULT.EXHAUSTED : PAIRING_RESULT.DEVICE_MISMATCH,
            attemptsLeft: left,
            boundDeviceId: record.device_id || null,
          };
        }

        const claimed = await this._claimAtomically(submittedKey);
        if (!claimed) return { status: PAIRING_RESULT.NOT_FOUND };   // 被并发请求取走

        await this.redis.del(pairingDeviceKey(deviceId));
        return { status: PAIRING_RESULT.OK, issuedAt: record.issued_at || null };
      }

      // 提交的码不存在：把这次失败记到该设备当前展示的码上
      const left = await this._registerFailureOnPending(deviceId);
      return {
        status: PAIRING_RESULT.NOT_FOUND,
        attemptsLeft: left,
        // 仅用于服务端审计：告诉运维"用户屏幕上那个码刚被猜废了"，
        // 客户端响应对此保持沉默（统一 E_CODE_INVALID）。
        pendingBurned: left === 0,
      };
    });
  }

  /** 提交的码不存在时，扣该设备当前待用码的次数；归零即连带作废索引键 */
  async _registerFailureOnPending(deviceId) {
    const code = await this.redis.get(pairingDeviceKey(deviceId));
    if (!code) return null;
    const key = pairingKey(code);
    const raw = await this.redis.get(key);
    if (!raw) {
      await this.redis.del(pairingDeviceKey(deviceId));
      return 0;
    }
    let record;
    try {
      record = JSON.parse(raw);
    } catch {
      await this.redis.del(key, pairingDeviceKey(deviceId));
      return 0;
    }
    const left = await this._registerFailure(key, record);
    if (left <= 0) await this.redis.del(pairingDeviceKey(deviceId));
    return left;
  }

  /** 显式撤销（设备侧取消展示配对码时用） */
  revoke(code, deviceId) {
    return this._run('revoke', async () => {
      await this.redis.del(pairingKey(code));
      if (deviceId) {
        const cur = await this.redis.get(pairingDeviceKey(deviceId));
        if (cur === code) await this.redis.del(pairingDeviceKey(deviceId));
      }
    });
  }

  /**
   * 失败扣次：attempts_left 减一，归零即删码作废（方案 6.3）。
   *
   * 写回时保留**剩余 TTL**而不是重置为 300：否则反复试错能把码的寿命
   * 无限续下去，「5 次作废」的约束就被稀释了。
   */
  async _registerFailure(key, record) {
    const left = Number(record.attempts_left ?? PAIRING_MAX_ATTEMPTS) - 1;
    if (left <= 0) {
      await this.redis.del(key);
      return 0;
    }
    const ttl = await this.redis.ttl(key);
    await this.redis.set(key, JSON.stringify({ ...record, attempts_left: left }), {
      EX: ttl > 0 ? ttl : PAIRING_TTL_SEC,
    });
    return left;
  }

  /**
   * 限流计数：**进入即计数**。
   *
   * 本次修复的第二个要点。旧实现把限流建立在
   * 「audit_log 里 event='pairing_verify' 的行数」上，而审计只在**成功**时写
   * → 计数恒为 0，10 次/小时的约束形同虚设，爆破者可以无限试。
   * 现在计数发生在任何结果之前（成功/失败都算），失败尝试同样消耗额度。
   */
  async _consumeRate(key, limit, windowSec) {
    const count = await this.redis.incr(key);
    if (count === 1) await this.redis.expire(key, windowSec);
    let retryAfterSec = await this.redis.ttl(key);
    if (retryAfterSec < 0) retryAfterSec = windowSec;
    return { allowed: count <= limit, count, limit, retryAfterSec };
  }

  consumeAccountRate(accountId, limit = PAIRING_ACCOUNT_LIMIT, windowSec = PAIRING_ACCOUNT_WINDOW_SEC) {
    return this._run('consumeAccountRate', () => this._consumeRate(pairingAccountRateKey(accountId), limit, windowSec));
  }

  consumeIpRate(ip, limit = PAIRING_IP_LIMIT, windowSec = PAIRING_IP_WINDOW_SEC) {
    return this._run('consumeIpRate', () => this._consumeRate(pairingIpRateKey(ip), limit, windowSec));
  }
}

module.exports = {
  PAIRING_TTL_SEC,
  PAIRING_CODE_LENGTH,
  PAIRING_MAX_ATTEMPTS,
  PAIRING_ACCOUNT_LIMIT,
  PAIRING_ACCOUNT_WINDOW_SEC,
  PAIRING_IP_LIMIT,
  PAIRING_IP_WINDOW_SEC,
  PAIRING_CODE_RE,
  PAIRING_ISSUE_RETRY,
  PAIRING_OP_TIMEOUT_MS,
  PAIRING_RESULT,
  PairingUnavailableError,
  PairingStore,
  generatePairingCode,
  pairingKey,
  pairingDeviceKey,
  pairingAccountRateKey,
  pairingIpRateKey,
};