一種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案

戴聰

【摘要】? ? 本文主要論述一種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案，該方案基于國(guó)產(chǎn)商用密碼算法，描述了注冊(cè)信息、密鑰傳輸、應(yīng)用數(shù)據(jù)安全防護(hù)方法，實(shí)現(xiàn)了客戶端和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)、客戶端和客戶端間通信時(shí)的數(shù)據(jù)安全和訪問(wèn)控制。

【關(guān)鍵字】? ? 數(shù)據(jù)安全? ? 訪問(wèn)控制? ? 國(guó)密算法

引言

目前移動(dòng)應(yīng)用普及生活方方面面，通常移動(dòng)設(shè)備上的客戶端和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)具有一定的密碼運(yùn)算能力，但通信網(wǎng)絡(luò)中少有配備帶有硬件密碼設(shè)備的密碼服務(wù)組件提供密鑰管理、密碼運(yùn)算等服務(wù)，一般也不支持國(guó)產(chǎn)商用密碼算法。本文提出的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案基于國(guó)產(chǎn)商用密碼算法，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1） 保護(hù)通信數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

（2） 控制應(yīng)用服務(wù)訪問(wèn)權(quán)限。

（3） 密碼運(yùn)算過(guò)程安全高效。

一、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案由客戶端、應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)和密碼服務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其中客戶端安裝于移動(dòng)設(shè)備上;應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)為客戶端提供應(yīng)用各項(xiàng)業(yè)務(wù)服務(wù);密碼服務(wù)系統(tǒng)帶有服務(wù)器密碼機(jī)，為客戶端和應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)、客戶端和客戶端間業(yè)務(wù)通信提供密碼服務(wù)，包括證書(shū)簽發(fā)服務(wù)、公鑰查詢服務(wù)、派生密鑰服務(wù)等。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案包括注冊(cè)信息安全防護(hù)方案、密鑰傳輸安全防護(hù)方案和應(yīng)用數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案。

1.1 注冊(cè)信息安全防護(hù)方案

客戶端與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)通信前，二者都需要（1） 使用SM2橢圓曲線公鑰密碼算法[1]產(chǎn)生私鑰和公鑰，私鑰僅用于本地密碼運(yùn)算對(duì)外不可見(jiàn)，公鑰則對(duì)外發(fā)布;（2） 在密碼服務(wù)系統(tǒng)注冊(cè)，注冊(cè)流程如圖1所示。

（1）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)獲取移動(dòng)設(shè)備/服務(wù)器硬件序列號(hào)SN，使用SM3算法[2]計(jì)算SN的雜湊值，所得32字節(jié)雜湊值作為客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的唯一標(biāo)識(shí)UID。

（2）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)使用SM2算法產(chǎn)生私鑰SK和公鑰PK，并將UID和PK發(fā)送至密碼服務(wù)系統(tǒng)。

（3）密碼服務(wù)系統(tǒng)緩存UID和PK。

（4）密碼服務(wù)系統(tǒng)中的服務(wù)器密碼機(jī)預(yù)裝16字節(jié)通信保護(hù)根密鑰CPRK，CPRK及其派生密鑰都用于SM4算法[3]加解密運(yùn)算。CPRK分散（即SM4算法加密）UID得到16字節(jié)通信保護(hù)主密鑰CPMK，具體方法為CPMK = Enc（UID后16字節(jié)， Enc（UID前16字節(jié)， CPRK）），PK加密CPMK得到Enc（CPMK， PKM）返回至客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

（5）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)SK解密Enc（CPMK， PK）得到CPMK，并產(chǎn)生16字節(jié)隨機(jī)數(shù)R，CPMK加密R得到Token1發(fā)送至密碼服務(wù)系統(tǒng)。

（6）密碼服務(wù)系統(tǒng)中的服務(wù)器密碼機(jī)產(chǎn)生16字節(jié)隨機(jī)數(shù)RCS，Token1分散RCS得到會(huì)話密鑰SessKey，CPMK解密Token1得到R并取反得到～R，CPMK加密（～R）RCS得到Token2返回至客戶端。

（7）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)CPMK解密Token2得到（～R）RCS，比較所得～R是否正確，當(dāng)且僅當(dāng)～R正確時(shí)Token1分散RCS得到會(huì)話密鑰SessKey，否則結(jié)束整個(gè)流程。SessKey加密注冊(cè)數(shù)據(jù)（硬件信息如序列號(hào)SN等）得到Enc（注冊(cè)數(shù)據(jù)， SessKey），以所得密文和原文的SM3雜湊值作為注冊(cè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)發(fā)送至密碼服務(wù)系統(tǒng)。

（8）密碼服務(wù)系統(tǒng)SessKey解密Enc（注冊(cè)數(shù)據(jù)， SessKey）得到注冊(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)且僅當(dāng)雜湊值驗(yàn)證并注冊(cè)數(shù)據(jù)審核通過(guò)時(shí)根據(jù)硬件信息構(gòu)造證書(shū)主題項(xiàng)并簽發(fā)證書(shū)，否則結(jié)束整個(gè)流程。持久化UID和PK，SessKey加密證書(shū)得到Enc（證書(shū)， SessKey），以所得密文和原文的SM3雜湊值作為注冊(cè)響應(yīng)數(shù)據(jù)返回至客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。

（9）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)SessKey解密Enc（證書(shū)， SessKey）得到證書(shū)，當(dāng)且僅當(dāng)雜湊值驗(yàn)證通過(guò)時(shí)寫(xiě)入證書(shū)，否則注冊(cè)失敗。

注冊(cè)流程中通過(guò)客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)與密碼服務(wù)系統(tǒng)雙向認(rèn)證協(xié)商會(huì)話密鑰來(lái)實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)，步驟（5）～（7）即為雙向認(rèn)證過(guò)程。雙向認(rèn)證協(xié)商會(huì)話密鑰的過(guò)程采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)密碼運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)公鑰發(fā)布和證書(shū)下發(fā)。

1.2 密鑰傳輸安全防護(hù)方案

客戶端與客戶端、客戶端與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)通信安全由密碼服務(wù)系統(tǒng)派生加解密密鑰實(shí)現(xiàn)，加解密密鑰傳輸流程如圖2所示。

（1）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)將16字節(jié)隨機(jī)數(shù)R、UID和應(yīng)用名稱作為派生密鑰請(qǐng)求參數(shù)發(fā)送至密碼服務(wù)系統(tǒng)，其中請(qǐng)求派生加密密鑰時(shí)R由客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生，請(qǐng)求派生解密密鑰時(shí)R由客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)從交互方接收。

（2）收到派生加密密鑰請(qǐng)求時(shí)，密碼服務(wù)系統(tǒng)中的服務(wù)器密碼機(jī)產(chǎn)生索引為IDRK的16字節(jié)隨機(jī)密鑰RK，和應(yīng)用名稱綁定;收到派生解密密鑰請(qǐng)求時(shí)，密碼服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用名稱查詢得到RK。RK分散R得到加解密密鑰EDK，構(gòu)造密鑰密文結(jié)構(gòu)體返回至客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。密鑰密文結(jié)構(gòu)體分為四部分，第一部分為IDRK + EDK密文，服務(wù)器密碼機(jī)產(chǎn)生16字節(jié)隨機(jī)數(shù)RCS，RCS加密IDRK + EDK得到Enc（IDRK + EDK， RCS），算法為SM4;第二部分為隨機(jī)密鑰RCS密文，密碼服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)UID查詢得到客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)公鑰PK加密RCS得到Enc（RCS， PK），算法為SM2;第三部分為簽名值，密碼服務(wù)系統(tǒng)中的服務(wù)器密碼機(jī)所存儲(chǔ)私鑰SKCS對(duì)前兩部分的雜湊值簽名，雜湊算法為SM3，簽名算法為SM2;第四部分為密碼服務(wù)系統(tǒng)中的UIDCS和客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的UID。

（3）客戶端/應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)密鑰密文結(jié)構(gòu)體的第四部分UIDCS從密碼服務(wù)系統(tǒng)查詢得到其公鑰PKCS，依次計(jì)算雜湊值、驗(yàn)證簽名值、解密隨機(jī)數(shù)RCS密文、解密IDRK + EDK密文，當(dāng)且僅當(dāng)以上操作全部成功緩存元組（R， IDRK + EDK），否則密鑰傳輸失敗。

密鑰傳輸流程中采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱算法和對(duì)稱算法密碼運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了加解密密鑰的安全傳輸。

1.3 應(yīng)用數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案

客戶端與客戶端、客戶端與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)通信流程如圖3所示。

（1）通信發(fā)起方按照1.2所述流程獲取加解密密鑰EDK，構(gòu)造通信數(shù)據(jù)密文結(jié)構(gòu)體發(fā)送至接收方。通信數(shù)據(jù)密文結(jié)構(gòu)體分為四部分，第一部分為用于派生密鑰的隨機(jī)數(shù)R;第二部分為通信數(shù)據(jù)密文，EDK加密通信數(shù)據(jù)Data得到Enc（Data， EDK），算法為SM4;第三部分為通信數(shù)據(jù)雜湊值，算法為SM3;第四部分為發(fā)起方UID和索引IDRK。

（2）通信接收方按照1.2所述流程獲取加解密密鑰EDK，依次解密通信數(shù)據(jù)密文、驗(yàn)證雜湊值，當(dāng)且僅當(dāng)以上操作全部成功通信成功，否則通信失敗。

為了實(shí)現(xiàn)高效的通信數(shù)據(jù)傳輸，通信流程中采用對(duì)稱算法實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)安全，加解密密鑰EDK優(yōu)先從本地緩存的元組（R， IDRK + EDK）獲取，設(shè)定的緩存有效期過(guò)后再重新從密碼服務(wù)系統(tǒng)請(qǐng)求派生新的加解密密鑰。

二、結(jié)語(yǔ)

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)安全防護(hù)方案實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

2.1數(shù)據(jù)安全性和完整性

方案中使用隨機(jī)密鑰加密保護(hù)數(shù)據(jù)安全性，雜湊值驗(yàn)證保證數(shù)據(jù)完整性。注冊(cè)流程中的隨機(jī)密鑰由雙向認(rèn)證協(xié)商產(chǎn)生，僅用于在內(nèi)存中進(jìn)行密碼運(yùn)算，雙向認(rèn)證結(jié)束后失效;通信流程中的隨機(jī)密鑰由服務(wù)器密碼機(jī)產(chǎn)生并加密傳輸，僅用于在內(nèi)存中進(jìn)行密碼運(yùn)算，超過(guò)規(guī)定的時(shí)效或使用次數(shù)后失效。方案實(shí)現(xiàn)了通信安全防護(hù)所需密鑰安全，從而實(shí)現(xiàn)通信安全。

2.2訪問(wèn)權(quán)限控制

方案要求客戶端與客戶端、客戶端與應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)通信前必需從密碼服務(wù)系統(tǒng)獲取加解密密鑰，密鑰傳輸流程中基于SM2簽名驗(yàn)簽實(shí)現(xiàn)了通信各方的身份驗(yàn)證，僅允許在密碼服務(wù)系統(tǒng)中注冊(cè)了的通信方獲取加解密密鑰，從而實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)權(quán)限控制。同時(shí)，方案中的密鑰密文結(jié)構(gòu)體和通信數(shù)據(jù)密文結(jié)構(gòu)體中都包含通信發(fā)起方的唯一標(biāo)識(shí)UID，允許通信接收方記錄訪問(wèn)者并進(jìn)行安全審計(jì)。

2.3密碼運(yùn)算過(guò)程安全高效

方案中所涉及到的密碼算法為國(guó)產(chǎn)商用密碼算法SM2、SM3、SM4，采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)密碼運(yùn)算，使整個(gè)方案具有安全高效的特點(diǎn)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] GB/T 35276-2017， 信息安全技術(shù) SM2密碼算法使用規(guī)范[S]. 中華人民共和國(guó)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2017

[2] GB/T 32905-2016， 信息安全技術(shù) SM3密碼雜湊算法[S]. 中華人民共和國(guó)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2016

[3] GB/T 32907-2016， 信息安全技術(shù) SM4分組密碼算法[S]. 中華人民共和國(guó)：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)， 2016