基于國密算法SM2的IPSecVPN技術(shù)

程鳳偉

（太原學(xué)院，山西 太原 030032）

1 引 言

計算機的飛速發(fā)展對社會產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，并將長期持續(xù)下去，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也隨之亦步亦趨。隨之凸顯的就是網(wǎng)絡(luò)安全，其中安全隱患是制約公共網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個重要因素。在日常生活中，人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴性越來越強，但是網(wǎng)絡(luò)遭到的惡意攻擊也呈現(xiàn)出越來越頻繁的態(tài)勢，這種情況需要安全設(shè)備來保護(hù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的用戶不被破壞，并能夠及時發(fā)現(xiàn)主動抵御其攻擊，為用戶的正常網(wǎng)絡(luò)訪問提供一個安全隧道。近些年，VPN 技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)設(shè)施當(dāng)中，起到了重要的作用。

考慮到算法的容錯性，本文所提出的算法不僅要符合國際通信標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)國家密碼局[5,6]發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)安全算法，更要實現(xiàn)安全I(xiàn)PSecVPN 的國產(chǎn)化。安全通信領(lǐng)域的常見安全算法有以下幾種，根據(jù)其安全功能的不同可以分為對稱算法、非對稱的公鑰算法、摘要算法、簽名算法（公鑰算法也能夠作為簽名算法使用），這幾種都屬于最基本的算法，在特殊的使用情形下，可能會衍生出新的算法。近幾年，這些算法得到了廣泛的應(yīng)用，能夠非常成熟地應(yīng)用到各個領(lǐng)域。

2 IPSecVPN技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IPSecVPN 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)安全功能分為幾個大塊：AH 通信、ESP 加密、IKE 密鑰管理協(xié)商[6]以及應(yīng)用客戶端幾個部分。其中除了應(yīng)用客戶端是部署在客戶機上以外，其他的幾個部分，都是部署在Struts 架構(gòu)的JSP 服務(wù)器上，通過調(diào)用系統(tǒng)集成模塊，為實際應(yīng)用的提供服務(wù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 IPSecVPN 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所示：

圖1 IPSecVPN 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

IPSecVPN 加密算法的主要步驟總結(jié)如下：

Step1：IPSecVPN 通信模塊在4043 端口監(jiān)聽訪問請求。

Step2：用戶通過客戶端JApplet 發(fā)起IPSecVPN對應(yīng)所在地址的服務(wù)請求之后，用戶通過JSP 服務(wù)器用戶名、密碼認(rèn)證，通過AH 建立和IPSecVPN 服務(wù)器的連接。

Step3：通過IKE 部分進(jìn)行密鑰協(xié)商，建立會話密鑰。

Step4：建立IPSec 隧道，同時建立和制定IP 對應(yīng)的服務(wù)器以上述同樣的方式建立IPSec 隧道，實現(xiàn)雙方的IPSec 隧道互聯(lián)。

3 IPSecVPN加密技術(shù)的安全功能設(shè)計

基于國密算法IPSevVPN 技術(shù)的安全設(shè)計包括以下幾個方面：簽名設(shè)計、國密密匙交換設(shè)計和安全隧道設(shè)計。

簽名設(shè)計是通過前面k 倍點的運算得知公鑰加密算法的基本原理，G 點是生成元，dA 是用戶持有的私鑰，PA 是dA 倍點下計算得出的公鑰。將ZA 的公共信息以及公鑰等其他標(biāo)識一起構(gòu)成M0`，通過散列計算得出e，在通過生產(chǎn)的k 隨機數(shù)計算k 倍點（x1，y1）。通過e 和x1 的相加操作得出r，以及（1+dA）的逆和k-r*dA 的乘積，作為s 部分。兩個作為最終輸出校驗發(fā)送給用戶B，當(dāng)然M 也發(fā)送給用戶B。用戶同樣通過公共信息ZA 和M`構(gòu)成M1`。在同樣的方式計算e`，而x1`，和y1` 通過s` 倍點和t 倍的PA 公鑰計算得出。同樣的方式計算得出R，然后和傳送的r 進(jìn)行比對，完成驗證簽名工作。下面的過程中，r 為：BCDCC3FB2，B976F821，012ABDC0，6B6 D4D60，87E9B71B，7E2D9A60，DD3F6463，39E2522C。國密簽名運算方式如下表1 國密簽名所示：

表1 國密簽名

國密密匙交換設(shè)計是通過兩個用戶之間建立會話以后協(xié)商會話密鑰的具體取值，它們通過一方發(fā)起，另外一方被動響應(yīng)，最終一致決定采取密鑰Key。這里假設(shè)A 發(fā)起、B 響應(yīng)。變量w 為n 的以2為底的對數(shù)取值折半求頂部函數(shù)減一。n 為隨機數(shù)的值域上限也是G 生成元的階，rA 的整體取值是[1，n-1]。用戶A：完成如下事件，產(chǎn)生隨機數(shù)rA，計算橢圓曲線的rA 倍點RA，并求得x，y 坐標(biāo)；將橢圓曲線隨機數(shù)RA 發(fā)送給對方用戶B。用戶B：并行完成如下事件，同樣的方式產(chǎn)生隨機數(shù)rB，RB。并將x2 坐標(biāo)對應(yīng)bit 位進(jìn)行取反操作，即0 變1，1 變0。得出x2`。結(jié)合用戶私鑰導(dǎo)出隨機運算后的tB。然后驗證RA 的橢圓曲線域合法性，同樣方式計算法x1`，以及橢圓曲線點V，驗證V 的橢圓曲線域合法性。通過密鑰派生函數(shù)KDF 將V 以及A、B 的標(biāo)識特征、還有密鑰長度作為參數(shù)生成派生密鑰KB。將這些信心進(jìn)行連接以及摘要生成記作SB，把RB，SB發(fā)送給用戶A。用戶A：計算x1`，計算tA，驗證RB，計算x2`。（注：這里的計算方式同用戶B 的過程完全相同）計算對應(yīng)的橢圓點U，將U 作為參數(shù)同樣生產(chǎn)派生密鑰KA，并計算S1，并和用戶B 傳送過來的SB 比較，不同則失敗。同樣計算SA，并發(fā)送給用戶B。B：計算摘要結(jié)果S2，并檢驗S2 和SA 的相同性，不同則失敗。詳情見表2 密鑰交換協(xié)議數(shù)據(jù)實例所示：

表2 密鑰交換協(xié)議數(shù)據(jù)實例

密鑰交換協(xié)議通過用戶A，B 的相互協(xié)商，共同產(chǎn)生了會話密鑰：D417B800，6C48CE08，F(xiàn)EB57500，74FC56E8，4FBB20F4，A90B2A34，DCFCF150，1A48 7D1F，292BA942，0E30F3C3,BB78AEE3，5A14534D。

安全隧道設(shè)計包括應(yīng)用層設(shè)計和內(nèi)核設(shè)計，本系統(tǒng)在Linux 平臺下集成實現(xiàn)IPSecVPN 技術(shù)的VPN 服務(wù)器，最終使得服務(wù)器能夠進(jìn)行IKE 密鑰協(xié)商交換，運用已實現(xiàn)的加密模塊實現(xiàn)VPN 連接后的數(shù)據(jù)報加密解密功能。通過在Linux 系統(tǒng)下結(jié)合已有的OpenSwan 軟件系統(tǒng)完成系統(tǒng)調(diào)用級別的設(shè)計；在應(yīng)用層次使用pluto 進(jìn)程，實現(xiàn)服務(wù)的提供和模塊嵌入；系統(tǒng)內(nèi)核層的IPSec 實現(xiàn)，采用NETKEY。在該內(nèi)核部分，將國密算法的實現(xiàn)作為模塊加入，使系統(tǒng)能夠載入該模塊，并能夠在合適的時機和其他應(yīng)用請求程序交互，完成VPN 服務(wù)。其應(yīng)用層和內(nèi)核部分各自完成自身的任務(wù)，其中應(yīng)用層包括基本的系統(tǒng)配置、IKE 協(xié)商功能以及身份的驗證等應(yīng)用功能。內(nèi)核層面完成IP 數(shù)據(jù)包VPN 封裝以及拆封功能、數(shù)據(jù)的安全功能。內(nèi)核設(shè)計又包括策略配置和IP 數(shù)據(jù)包封裝和接封裝。策略配置：NETKEY 在數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收的時候，都要對其包進(jìn)行檢查和判別。在這個過程當(dāng)中，通過SP 和SA數(shù)據(jù)庫檢索實現(xiàn)隧道通信轉(zhuǎn)發(fā)。對于數(shù)據(jù)庫的配置策略以及資源分配，需要在conf.xml 文件當(dāng)中對應(yīng)實現(xiàn)配置，結(jié)合實際部署運行需求配置最佳的分配策略使得服務(wù)器性能能夠得到最大化的發(fā)揮，取得良好的VPN 服務(wù)效果。IP 數(shù)據(jù)包封裝以及解封裝：在該部分，通過對PF_KEY 密鑰管理套接字接口的實現(xiàn)來完成具體的國密加密和通信解密。IP 頭后面的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)發(fā)的時候完成對應(yīng)數(shù)據(jù)報部分的加密，在接受數(shù)據(jù)的時候，按照會話密鑰協(xié)定信息，完成對應(yīng)數(shù)據(jù)信息的解密。在數(shù)據(jù)的完整性保證方面，還要附加一段簽名信息，在簽名信息實現(xiàn)的過程當(dāng)中也需要用到摘要和公鑰，數(shù)據(jù)完整性保證在前面的算法協(xié)議中已經(jīng)做了充分的敘述，這里不再具體展開說明。

4 IPSecVPN加密技術(shù)的注冊和數(shù)據(jù)完整性驗證

IPSec 數(shù)據(jù)包可以通過SA 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查找自動獲取管理信息，找到對應(yīng)的加密算法，從而把協(xié)商密鑰提取出來。對該數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密操作，通過SP數(shù)據(jù)庫的相關(guān)鏈接信息判斷該數(shù)據(jù)包該采取何種算法加密解密，引導(dǎo)系統(tǒng)采取正群的算法庫進(jìn)行加解密操作。內(nèi)核的密碼算法庫需要在其根目錄crypto下面提供新加入國密算法的注冊信息，這樣才能讓系統(tǒng)在調(diào)用系統(tǒng)加密模塊階段正確找到模塊位置執(zhí)行代碼調(diào)入操作。

Linux 內(nèi)核提供加解密核心調(diào)用框架，該部分既包括了算法模塊的注冊機制，也提供數(shù)據(jù)分組加密機制的提供，常見的直接支持的有CBC 與CCM，但是我們這里采用了CTR 高效并發(fā)運作的機制，因此也需要在這個部分添加這種分組機制，提供加解密效率。

算法的注冊機制通過內(nèi)核全局鏈表來反應(yīng)這種注冊情況，通過定義該加解密數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并將調(diào)用注冊函數(shù)實現(xiàn)算法的注冊和注銷。注冊算法名稱為Crypto_register_alg（），注銷算法名稱為Crypto_unregi ster_alg（）。要想進(jìn)一步了解加解密算法的具體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，要到include/crypto 下面看其頭文件。

分組模式和加解密函數(shù)的聯(lián)合調(diào)用是系統(tǒng)內(nèi)部可以自動完成的工作，只需要在配置文件完成配置即可，因此在函數(shù)實現(xiàn)的部分，采用了直接的一個分組下的數(shù)據(jù)數(shù)組進(jìn)行加解密操作，作為加解密引擎模塊嵌入系統(tǒng)。例如SM2 的256 位實現(xiàn)，只需要完成256 位數(shù)組的加密引擎算法即可。

在算法配置部分，對通信分組模式進(jìn)行設(shè)定，OTR 通信模式設(shè)計，將消息按照OTR 方式分組傳送OTR 模式運行方式如圖2 所示：

圖2 通信OTR 分組數(shù)據(jù)加密

在ESP 協(xié)議對其數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理之后，數(shù)據(jù)包尾部加入簽名信息，確保數(shù)據(jù)信息的完整性，能夠抵御敵手在篡改密文的情況下不被發(fā)現(xiàn)。這對應(yīng)予接受端用戶首先要根據(jù)IPSecSA 頭部信息規(guī)定的協(xié)議要求進(jìn)行完整性驗證，即把簽名先提取出來，然后進(jìn)行完整性匹配，只有通過該驗證的才執(zhí)行下面的操作，否則丟棄數(shù)據(jù)包并要求對方重新發(fā)送。驗證算法同樣和加密算法在crypto 根目錄下面添加注冊信息，將國密驗證簽名算法加載到算法模塊當(dāng)中，使得在數(shù)據(jù)插入簽名段和驗證完整性簽名之前能夠正確找到該算法。

5 整體組網(wǎng)設(shè)計和測試

用同樣的方式部署兩臺Linux 服務(wù)器，并能夠互相之間建立網(wǎng)絡(luò)連接，它們下面都有自己的子網(wǎng)，Linux 上面部署了IPSec 工具箱，部署編譯好的國密算法模塊，并添加系統(tǒng)加密庫注冊，以及安裝Tcpdump 檢測工具，能夠?qū)崟r抓包，發(fā)現(xiàn)其報文數(shù)據(jù)內(nèi)容的變化。簽發(fā)證書通過創(chuàng)建證書界面完成證書的創(chuàng)建工作。

創(chuàng)建證書之后，在命令行完成簽署證書的工作，然后配置系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)配置、證書路徑、證書的名稱、IKE 配置、信息通信模式、加密算法、簽名算法、摘要算法、DH 隨機算法、以及ESP 協(xié)議配置、AH 配置等。完成IPSec 基本連接和加解密參數(shù)的相關(guān)配置，實現(xiàn)可連接。

子網(wǎng)設(shè)備通過通信聊天工具和對方的通信聊天工具進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過Tcpdump 進(jìn)行抓包，分析其數(shù)據(jù)的格式，查看器VPN 工作狀態(tài)。

6 結(jié)束語

本文主要對基于國密算法的IPSecVPN 進(jìn)行了設(shè)計，從國密算法以及安全隧道應(yīng)用層以及內(nèi)核層進(jìn)行了研究和設(shè)計，該方案對于IPSecVPN 的國產(chǎn)化提供了一個安全解決方案，對安全產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)[7]有重要的應(yīng)用價值。