基于OpenCryptoki實(shí)現(xiàn)國密算法功能的研究*

謝 演，劉 陟，魏貴鵬

（成都三零嘉微電子有限公司，四川 成都 610041）

0 引 言

在密碼系統(tǒng)中，PKCS#11是公鑰加密標(biāo)準(zhǔn)（Public-Key Cryptography Standards，PKCS） 中的一份子，由RSA實(shí)驗(yàn)室（RSA Laboratories）發(fā)布，為加密令牌定義了一組平臺無關(guān)的API，如USBKEY、密碼TF卡和智能卡等。當(dāng)前，PKCS#11已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)通用的加密令牌的抽象層。OpenCryptoki是PKCS#11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)源碼，實(shí)現(xiàn)了協(xié)議規(guī)定的槽管理、對象管理、會話管理、算法功能及密碼管理體系等。

為了提高國密算法應(yīng)用的接口標(biāo)準(zhǔn)化，基于OpenCryptoki將國密算法集成到PKCS#11密碼體系中，實(shí)現(xiàn)了通過PKCS#11標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行密鑰證書管理，可調(diào)用支持國密算法的安全硬件設(shè)備內(nèi)部算法資源，使業(yè)務(wù)和應(yīng)用得到了國密算法的安全保障。

1 OpenCryptoki說明

1.1 工程架構(gòu)

OpenCryptoki工程架構(gòu)為主庫和令牌庫的雙庫式架構(gòu)，業(yè)務(wù)應(yīng)用加載主API庫libpkcs11.so（以下簡稱主API庫）。根據(jù)配置文件，主庫自主加載令牌庫（libtoken.so），將其作為一個(gè)設(shè)備令牌掛載在槽[1]（slot）上的，最大可支持6個(gè)槽，如圖1所示。

主API庫：實(shí)現(xiàn)協(xié)議規(guī)范的控制和管理，向上層提供標(biāo)準(zhǔn)密碼函數(shù)接口，向下調(diào)用令牌庫。

令牌庫：實(shí)現(xiàn)與硬件密碼設(shè)備的交互和適配，完成對PKCS#11規(guī)范及功能的支撐。

圖1 工程架構(gòu)

1.2 工程體系機(jī)制

OpenCryptoki工程自帶一套本地機(jī)制實(shí)現(xiàn)了PKCS#11規(guī)范。當(dāng)在無任何槽掛載條件下，OpenCryptoki使用缺省本地機(jī)制（如openssl、軟件算法、本地存儲等）支持PKCS#11標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。如果用戶開發(fā)新的令牌庫完成與對應(yīng)硬件安全設(shè)備適配后，主API庫會自主加載用戶令牌庫，調(diào)用用戶令牌庫實(shí)現(xiàn)的功能。由于架構(gòu)的靈活性，它可以實(shí)現(xiàn)管理功能函數(shù)功能，使用缺省本地機(jī)制。令牌庫僅實(shí)現(xiàn)其余密碼接口功能。

令牌庫為用戶自行實(shí)現(xiàn)，由主API庫加載。令牌庫可以是純軟件實(shí)現(xiàn)的軟令牌，也可以是能提供密碼安全服務(wù)的硬件密碼設(shè)備（如USBKEY、智能卡、密碼TF卡等），且OpenCryptoki已定義了用戶擴(kuò)展能力（VERDOR_DEFINED），可方便基于原架構(gòu)和體系進(jìn)行擴(kuò)展開發(fā)，支撐新的密碼能力。

2 實(shí)現(xiàn)原理及方式

本文以成都三零嘉微公司研制已獲得國家密碼管理局認(rèn)證的商用密碼TF卡（以下簡稱密碼卡）作為硬件密碼設(shè)備，并以集成SM2/SM3/SM4和ZUC具體算法為例。

原OpenCryptoki已實(shí)現(xiàn)了對PKCS#11規(guī)范的體系架構(gòu)和功能，并且設(shè)計(jì)了擴(kuò)展能力來支撐新的密碼及功能。因此，基于OpenCryptoki架構(gòu)可以方便地實(shí)現(xiàn)對國密算法的支持。

主體實(shí)現(xiàn)策略：密碼卡實(shí)現(xiàn)和提供國密算法（加解密、摘要、簽名驗(yàn)證功能）、PIN和登錄功能，以SD接口實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信通路，并掛載于主機(jī)文件系統(tǒng)下；實(shí)現(xiàn)密碼卡令牌，完成與密碼卡適配，并實(shí)現(xiàn)PIN、登陸和國密算法功能，供主API庫調(diào)用。主API庫實(shí)現(xiàn)API接口對國密算法的適配，包含國密算法定義擴(kuò)展、標(biāo)準(zhǔn)接口新增國密功能和重新擴(kuò)展新國密算法接口。會話管理、對象管理和槽管理使用原OpenCryptoki現(xiàn)成的缺省本地機(jī)制，無需重新實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，該方式依托OpenCryptoki擴(kuò)展能力和缺省本地機(jī)制，設(shè)計(jì)簡單，對嵌入式密碼卡的CPU和存儲資源要求不高，密碼設(shè)備執(zhí)行效率高。

圖2 實(shí)現(xiàn)流程

3 國密算法功能實(shí)現(xiàn)

3.1 算法定義擴(kuò)展

原生OpenCryptoki對算法種類和使用有明確的定義和說明，每種算法由算法類型和算法機(jī)制進(jìn)行描述和定義。國密算法在原生OpenCryptoki中沒有定義，因此需要利用用戶擴(kuò)展定義（VERDOR_DEFINED）新增算法定義。

算法類型CKK_XXX是對算法種類名稱的定義，如DSA、RSA、AES等。算法機(jī)制為一個(gè)描述組，包含算法模式類型CKM_XXX，是對一種算法的不同模式的定義，如DES_CBC、SHA256_HMAC等；算法可支持的最大和最小密鑰長度支持；算法功能CKF_XXX是對該算法模式的加解密，簽名多項(xiàng)功能類型的說明，如CKF_ENCRYPT、CKF_SIGN、CKF_DIGEST、CKF_GENERATE_KEY_PAIR等。以集成SM4算法為例，算法類型定義為CKK_SM4，算法模式類型定義為CKM_SM4_CBC、CKM_SM4_EBC、CKM_SM4_OFB[2]等，最大和最小密鑰支持均填16，算法功能定義為CKF_ENCRYPT|CKF_DECRYPT|CKF_WARP|CKF_UNWARP（詳細(xì)WARP描述請參考PKCS#11規(guī)范）。完成算法描述擴(kuò)展后，才能使OpenCryptoki識別一種新的算法。

3.2 密碼函數(shù)功能擴(kuò)展

標(biāo)準(zhǔn)PKCS#11整套密碼服務(wù)功能包括密鑰（對）生成、加解密、簽名驗(yàn)證和摘要等。密碼體系規(guī)范除隨機(jī)數(shù)生成。密鑰（對）生成功能外加解密、簽名驗(yàn)證、摘要均使用三段式（init-update-final）和兩段式（init-func）結(jié)構(gòu)。國密算法使用模式可無縫對接，基于算法定義擴(kuò)展，采用標(biāo)準(zhǔn)密碼API函數(shù)接口基礎(chǔ)上擴(kuò)展新的功能定義進(jìn)行支持，無法兼容標(biāo)準(zhǔn)API重新擴(kuò)展新的API功能函數(shù)接口。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)密碼接口擴(kuò)展國密算法功能

此處以摘要初始化接口擴(kuò)展國密SM3和ZUCHASH算法舉例說明。

標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)原型：CK_DEFINE_FUNCTION(CK_RV,C_DigestInit)(CK_SESSION_HANDLE hSession, CK_MECHANISM_PTR pMechanism)

參數(shù)：

hSession：會話句柄；

pMechanism：機(jī)制結(jié)構(gòu)體指針；

mechanism：機(jī)制，可使用CKM_ZUC_EIA[3]、CKM_HMAC_SM3[4]和 CKM_HASH_SM3；

pParameter：傳入存放IV或WorkKey數(shù)據(jù)空間指針；

ulParameterLen：傳入pParameter所指向空間的數(shù)據(jù)的長度；

SM3-HASH：不需要任何IV和WorkKey，pParameter為 NULL；

SM3-HMAC：pParameter指 向 WorkKey數(shù) 據(jù)空間；

ZUC-EIA：pParameter指 向 IV（16B）+WorkKey（16B）（IV在前）的數(shù)據(jù)空間。

SM3算法和ZUC-HASH算法均可以兼容使用PKCS#11標(biāo)準(zhǔn)摘要密碼接口。而對于差異和區(qū)分，擴(kuò)展定義了新算法類型，并對pMechanism機(jī)制進(jìn)行特殊定義以滿足參數(shù)輸入，以此來完成適配。其余加解密、簽名驗(yàn)證算法接口適配方式與上同，均使用對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)密碼接口，擴(kuò)展新功能定義，此處不再累述。

3.2.2 國密算法擴(kuò)展接口

國密算法點(diǎn)乘[5]功能并沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)接口可以直接適配，因此需進(jìn)行新接口擴(kuò)展，具體擴(kuò)展說明如下。

擴(kuò)展函數(shù)原型：

CK_DEFINE_FUNCTION(CK_RV,C_PointMultiply)

(CK_SESSION_HANDLE hSession,CK_MECHANISM_PTR pMechanism,CK_OBJECT_HANDLE hKey, CK_BYTE_PTR pOutData,CK_ULONG_PTR pOutLen)

參數(shù)：

hSession：會話句柄；

pMechanism：機(jī)制結(jié)構(gòu)體指針；

mechanism：CKM_SM2_POINT_MULT；

pParameter：傳入公鑰；

ulParameterLen：傳入公鑰長度，即64字節(jié)；

hKey：私鑰句柄；

pOutData：得到點(diǎn)乘結(jié)果；

pOutLen：得到點(diǎn)乘結(jié)果長度。

3.3 令牌庫實(shí)現(xiàn)

3.3.1 實(shí)現(xiàn)原理

密碼卡通過SD接口掛載于主機(jī)，令牌庫通過操作SD接口與密碼卡進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)PIN管理、登陸以及各類算法業(yè)務(wù)功能，即可實(shí)現(xiàn)向下對密碼卡的適配。同時(shí)，將已在OpenCryptoki定義好的令牌功能函數(shù)（token_specific_xxx）入口地址賦值給庫函數(shù)列表（結(jié)構(gòu)體指針），供主API初始化即可向上實(shí)現(xiàn)套接，不需或未實(shí)現(xiàn)的函數(shù)指針賦值為NULL，主API調(diào)用判斷為NULL則使用缺省機(jī)制功能，不為NULL則向下調(diào)用令牌庫功能函數(shù)。

3.3.2 結(jié)構(gòu)層級實(shí)現(xiàn)

令牌庫結(jié)構(gòu)，如圖3所示。令牌庫位于主機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)文件系統(tǒng)和文件操作之上，分為設(shè)備通信層和業(yè)務(wù)適配層。

圖3 令牌庫結(jié)構(gòu)

設(shè)備通信層以系統(tǒng)文件操作fopen、fwrite、fread、fclose為基礎(chǔ)，建立與密碼卡的通信通路，設(shè)立統(tǒng)一的通信格式，并將各業(yè)務(wù)交互數(shù)據(jù)按通信協(xié)議封包發(fā)送，接收設(shè)備處理結(jié)果，判定通信狀態(tài)。

業(yè)務(wù)適配層主要完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接和適配，以約定的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理格式進(jìn)行緩存封包處理、參數(shù)及安全檢查，然后交給通信層獲得處理的數(shù)據(jù)或結(jié)果。

3.3.3 函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)適配層函數(shù)已由OpenCryptoki工程定義好，具體為token_specific_xxx，不需要重新實(shí)現(xiàn)直接使用即可。

設(shè)備通信層函數(shù)接口：

登錄管理類

CK_INT AG_Device_Init(void)

CK_INT AG_Login(CK_BYTE *pinBuf,CK_UINT inLen)

……

密碼功能類：

CK_INT AG_SM2_DSA_Init(void)

CK_INT AG_SM2_Sign (CK_BYTE *pinBuf,CK_UINT iLen,CK_BYTE *poutBuf,CK_UINT iOutLen)

……

（由于篇幅此處不累述）

3.4 通信協(xié)議幀實(shí)現(xiàn)

通信協(xié)議幀由兩部分組成：業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（payload）和控制頭（ctrl_head）。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緊跟在控制頭之后，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)最大僅支持4 096 B，如圖4所示。

圖4 協(xié)議幀

控制頭（必須）主要完成主體業(yè)務(wù)功能定義，結(jié)構(gòu)體內(nèi)每個(gè)字段域意義進(jìn)行統(tǒng)一的宏定義，庫和固件均按該控制頭協(xié)議及定義進(jìn)行解析和處理，結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct_ctrl_

{

unsigned int direction;//傳輸方向

unsigned int cmd_id;//業(yè)務(wù)功能命令碼

unsigned int alg_id;//算法類型

unsigned int mode;//算法模式

unsigned int length;//業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)長度

unsigned int result;//處理結(jié)果

unsigned int reserved_1;

unsigned int reserved_2;

}CTRL_INFO;

業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（可選）主要完成每個(gè)業(yè)務(wù)具體數(shù)據(jù)的格式約定。由于PKC11業(yè)務(wù)功能多，不同業(yè)務(wù)類型數(shù)據(jù)含義不一致，因此業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也需要約定。

由于篇幅限制，此處以pin碼管理的set_pin（設(shè)置pin碼）舉例說明。從用戶端輸入的新pin和老pin的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按此數(shù)據(jù)域和順序組合：oldpinlen(4)+oldpin(pinlen)+newpinlen(4)+newpin(pinlen)；固件端解析完控制頭協(xié)議為set_pin操作命令后，后續(xù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)按上述格式進(jìn)行解析和處理完成set_pin功能，其余業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的格式自行約定。

3.5 密碼卡固件實(shí)現(xiàn)

3.5.1 固件主體結(jié)構(gòu)

密碼卡作為從設(shè)備的角色來響應(yīng)主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)命令，只負(fù)責(zé)接收主機(jī)端的命令數(shù)據(jù)，協(xié)議幀解析，并完成指定的功能和處理，向主機(jī)端上傳狀態(tài)、結(jié)果、數(shù)據(jù)等。整個(gè)固件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為簡單的主循環(huán)調(diào)用，層級如圖5所示。

驅(qū)動(dòng)庫直接操作和訪問硬件模塊寄存器，可提供各硬件模塊的驅(qū)動(dòng)接口函數(shù)，供業(yè)務(wù)調(diào)用。

業(yè)務(wù)功能基于模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)主要業(yè)務(wù)函數(shù)及功能，包含SD通信、初始化配置、pin碼設(shè)置管理、登錄及狀態(tài)管理、國密算法加解密、簽名驗(yàn)證、摘要等處理（SM2/SM3/SM4和ZUC等）、密鑰（密鑰對）生成和隨機(jī)數(shù)生成等主要功能。

圖5 主體結(jié)構(gòu)

主調(diào)用即固件主體調(diào)度主函數(shù)，主要實(shí)現(xiàn)初始化及配置，讓固件進(jìn)入正常工作狀態(tài)，并對下發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議解析，然后按解析結(jié)果調(diào)用具體業(yè)務(wù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能，并上報(bào)結(jié)果。

3.5.2 固件處理流程

如圖6所示，固件設(shè)計(jì)采用中斷子程序加主循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)。中斷子程序用來處理指定事件，主要是SD通信數(shù)據(jù)接收和回復(fù)，實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互；主循環(huán)程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，并準(zhǔn)備處理后數(shù)據(jù)或結(jié)果數(shù)據(jù)，主要功能有通信協(xié)議解析，對各業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)按約定數(shù)據(jù)域進(jìn)行分析和處理，調(diào)用相對應(yīng)的算法資源，完成指定安全算法功能，向主機(jī)返回處理結(jié)果等。設(shè)計(jì)主循環(huán)程序與中斷子程序通過一個(gè)數(shù)據(jù)接收標(biāo)志進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換和調(diào)度，數(shù)據(jù)傳遞和交互通過定義兩個(gè)讀寫RAM空間實(shí)現(xiàn)，兩個(gè)程序分時(shí)獨(dú)立訪問和操作管理。

圖6 固件處理流程

3.5.3 固件功能函數(shù)接口

登錄管理類

UINT16 bs_system_init(void)

UINT16 bs_system_finalize(void)

UINT16 bs_user_login(UINT8 *pinbuf,UINT32 length)

……

密碼功能類：

UINT16 bs_sm2_dsa_init(void)

UINT16 bs_sm2_signature(UINT8 *pinbuf,

UINT32 length,UINT8 *outbuf,UINT32 *pout_len)

……

（由于篇幅此處不累述）

4 結(jié) 語

本文介紹了一種實(shí)現(xiàn)方法可以實(shí)現(xiàn)PKCS#11接口對國密算法體系的集成和支撐，由庫層進(jìn)行高效管理，嵌入式密碼安全設(shè)備處理具體安全密碼業(yè)務(wù)，既保證了算法安全性，又對嵌入式密碼安全設(shè)備要求低，占用資源少，執(zhí)行高效，且使用統(tǒng)一的接口規(guī)范，極大地提高了國密接口友好性和開發(fā)者的效率，促使國密算法得到更廣泛的推廣和應(yīng)用。