商用密碼模塊接口統(tǒng)一調(diào)用技術(shù)研究

宣兆新，馬 旭

（1.衛(wèi)士通信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，四川 成都 610041；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

商用密碼模塊是相對(duì)獨(dú)立的軟件或硬件模塊，它具有密碼運(yùn)算功能并提供調(diào)用接口，用于對(duì)不屬于國(guó)家秘密的敏感信息進(jìn)行加密保護(hù)或者安全認(rèn)證[1]。常用的密碼模塊有密碼機(jī)、密碼卡、智能密碼鑰匙（USB-KEY）、TF卡、貼芯卡、軟件密碼模塊等。因不同時(shí)期、不同廠商在設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)密碼模塊時(shí)所遵循的接口規(guī)范不同，導(dǎo)致了密碼模塊接口的多樣化。

隨著信息化進(jìn)程的推進(jìn)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息安全問(wèn)題越來(lái)越重要，已經(jīng)得到各國(guó)的高度重視。在信息化建設(shè)中，安全應(yīng)用系統(tǒng)通常要適配多種接口規(guī)范，調(diào)用不同廠商的不同密碼模塊，存在大量的適配、驗(yàn)證、集成、開(kāi)發(fā)工作。屏蔽密碼模塊的差異，面向應(yīng)用提供統(tǒng)一的密碼運(yùn)算接口，對(duì)降低密碼應(yīng)用門檻，減少適配驗(yàn)證工作，提高密碼應(yīng)用效率具有重要意義。

1 商用密碼模塊接口規(guī)范

目前，商用密碼模塊遵循的接口規(guī)范主要有國(guó)密智能密碼鑰匙密碼應(yīng)用接口規(guī)范（簡(jiǎn)稱SKF接口規(guī)范）、國(guó)密密碼設(shè)備密碼應(yīng)用接口規(guī)范（簡(jiǎn)稱SDF接口規(guī)范）、基于加密令牌的國(guó)際公鑰加密接口規(guī)范（簡(jiǎn)稱PKCS#11接口規(guī)范），以及各安全廠商自定義的密碼應(yīng)用接口規(guī)范等。

1.1 國(guó)密SKF標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范

國(guó)家密碼管理局發(fā)布的密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GM/T 0016—2012《智能密碼鑰匙密碼應(yīng)用接口規(guī)范》，規(guī)定了在公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用技術(shù)體系下，智能密碼鑰匙密碼應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)（即SKF接口標(biāo)準(zhǔn)），描述了密碼應(yīng)用接口的函數(shù)、數(shù)據(jù)類型、參數(shù)的定義和設(shè)備的安全要求[2]。目前，國(guó)內(nèi)很多密碼模塊廠商都為其產(chǎn)品提供了SKF接口的開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)統(tǒng)一的SKF接口開(kāi)發(fā)密碼應(yīng)用，訪問(wèn)USB-KEY、TF卡、智能卡等不同形態(tài)的密碼模塊，無(wú)須和某一個(gè)設(shè)備供應(yīng)商的專屬設(shè)備或?qū)俳涌诮壎?。SKF接口的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 SKF接口的邏輯結(jié)構(gòu)

在SKF接口的邏輯結(jié)構(gòu)中，一個(gè)密碼模塊（如智能密碼鑰匙）中存在一個(gè)設(shè)備認(rèn)證密鑰和多個(gè)應(yīng)用，應(yīng)用之間相互獨(dú)立。應(yīng)用由管理員PIN、用戶PIN、文件和容器組成，每個(gè)應(yīng)用可以存在多個(gè)文件和多個(gè)容器。容器中存放加密密鑰對(duì)、簽名密鑰對(duì)和會(huì)話密鑰。其中，加密密鑰對(duì)用于保護(hù)會(huì)話密鑰，簽名密鑰對(duì)用于數(shù)字簽名和驗(yàn)證，會(huì)話密鑰用于數(shù)據(jù)加解密和MAC運(yùn)算。容器中也可以存放與加密密鑰對(duì)對(duì)應(yīng)的加密證書和與簽名密鑰對(duì)對(duì)應(yīng)的簽名證書。其中，簽名密鑰對(duì)由內(nèi)部產(chǎn)生，加密密鑰對(duì)由外部產(chǎn)生并安全導(dǎo)入，會(huì)話密鑰可由內(nèi)部產(chǎn)生或者由外部產(chǎn)生并安全導(dǎo)入。

1.2 國(guó)密SDF標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范

國(guó)家密碼管理局發(fā)布的密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GM/T 0018—2012《密碼設(shè)備應(yīng)用接口規(guī)范》，規(guī)定了在公鑰密碼基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用技術(shù)體系下，密碼機(jī)、密碼卡等服務(wù)類密碼設(shè)備的應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)，即SDF接口標(biāo)準(zhǔn)[3]。密碼設(shè)備應(yīng)用接口向通用密碼服務(wù)層提供密鑰生成、密碼運(yùn)算、文件管理等基礎(chǔ)密碼服務(wù)。SDF接口的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SDF接口的邏輯結(jié)構(gòu)

在SDF接口的邏輯結(jié)構(gòu)中，一個(gè)密碼設(shè)備內(nèi)可以存在多個(gè)索引空間和多個(gè)文件。索引空間相互獨(dú)立，在索引層面進(jìn)行訪問(wèn)控制。每個(gè)索引空間存在一組加密密鑰對(duì)和一組簽名密鑰對(duì)。其中加密密鑰對(duì)用于保護(hù)會(huì)話密鑰，簽名密鑰對(duì)用于數(shù)字簽名和驗(yàn)證，會(huì)話密鑰用于數(shù)據(jù)加解密和MAC運(yùn)算。

1.3 PKCS#11標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范

PKCS#11接口規(guī)范由RSA實(shí)驗(yàn)室發(fā)布，是公鑰加密標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它定義了一套基于加密令牌的編程接口，通過(guò)該套接口可以在設(shè)備中保存加密信息和執(zhí)行加密操作。PKCS#11是一個(gè)較底層的編程接口，定義了令牌、會(huì)話、槽和對(duì)象的概念，用于抽象密碼模塊的使用過(guò)程。其中，令牌用來(lái)抽象TF卡等密碼模塊，會(huì)話用來(lái)抽象應(yīng)用與密碼模塊之間的連接，槽用來(lái)抽象卡槽或讀卡器，對(duì)象用來(lái)抽象加密公私鑰對(duì)、簽名公私鑰對(duì)、會(huì)話密鑰等。根據(jù)生命周期的長(zhǎng)短，對(duì)象分為持久對(duì)象和會(huì)話對(duì)象。持久對(duì)象保存在設(shè)備的安全區(qū)域中，直到應(yīng)用程序主動(dòng)刪除這些對(duì)象。會(huì)話對(duì)象只存在于運(yùn)行時(shí)建立的特定會(huì)話中，一旦會(huì)話結(jié)束，與之相關(guān)的會(huì)話對(duì)象也被刪除。按照訪問(wèn)權(quán)限，對(duì)象可以分為公開(kāi)對(duì)象和私有對(duì)象。公開(kāi)對(duì)象任何用戶都可以訪問(wèn)，私有對(duì)象只有身份認(rèn)證通過(guò)的用戶才可以訪問(wèn)[4]。基于PKCS#11接口實(shí)現(xiàn)商用密碼模塊的邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PKCS#11接口實(shí)現(xiàn)商用密碼模塊的邏輯結(jié)構(gòu)

PKCS#11遵循簡(jiǎn)單的基于對(duì)象的方法，把公鑰技術(shù)的設(shè)備無(wú)關(guān)性和資源共享性作為設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)。它定義了數(shù)據(jù)對(duì)象（或文件對(duì)象）、證書對(duì)象、密鑰對(duì)象三種基本對(duì)象類型，在設(shè)備層面進(jìn)行訪問(wèn)控制。在PKCS#11標(biāo)準(zhǔn)中，文件、私鑰、公鑰、證書都是對(duì)象，彼此之間不存在特定關(guān)系。PKCS#11是一套國(guó)際化的標(biāo)準(zhǔn)接口，對(duì)商用密碼算法標(biāo)識(shí)沒(méi)有明確定義，因此不同廠商提供的PKCS#11接口通常不具有通用性，即一個(gè)廠商提供的PKCS#11接口通常不能調(diào)用另一個(gè)廠商的商用密碼模塊。

2 基于SKF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備抽象模型

在工程實(shí)踐中，密碼應(yīng)用系統(tǒng)通常要調(diào)用一種或多種密碼模塊，進(jìn)行加密保護(hù)或者安全認(rèn)證。如何降低因密碼模塊和密碼應(yīng)用接口標(biāo)準(zhǔn)的多樣化帶來(lái)的適配驗(yàn)證工作是當(dāng)前信息安全建設(shè)中普遍面臨的問(wèn)題。構(gòu)建密碼設(shè)備的抽象模型，對(duì)屏蔽密碼設(shè)備的差異，統(tǒng)一密碼調(diào)用接口，實(shí)現(xiàn)密碼泛在化具有重要意義。

2.1 三種標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范的對(duì)比分析

從接口規(guī)范來(lái)看，SKF、SDF和PKCS#11接口都支持設(shè)備管理、訪問(wèn)控制、密鑰管理、密碼運(yùn)算、文件管理等功能接口。從邏輯結(jié)構(gòu)來(lái)看，SKF、SDF和PKCS#11接口都包含文件、加密公私鑰對(duì)、簽名公私鑰對(duì)、會(huì)話密鑰（對(duì)稱秘鑰）。三種接口規(guī)范不同的是：

（1）SKF引入了應(yīng)用和容器的概念，在應(yīng)用層面進(jìn)行訪問(wèn)控制，并在應(yīng)用層面對(duì)文件進(jìn)行管理，在容器層面對(duì)加密公私鑰、簽名公私鑰、加密證書、簽名證書進(jìn)行管理。SDF和PKCS#11沒(méi)有應(yīng)用和容器的概念。

（2）SDF引入了索引的概念，在索引層面進(jìn)行訪問(wèn)控制，并在索引層面對(duì)加密公私鑰對(duì)和簽名公私鑰對(duì)進(jìn)行管理。SDF在設(shè)備層面對(duì)文件進(jìn)行管理，加密證書和簽名證書均以文件形式存在，證書管理通過(guò)文件管理實(shí)現(xiàn)，沒(méi)有特定的證書管理類接口。

（3）PKCS#11引入了對(duì)象的概念，文件、加密公私鑰對(duì)、簽名公私鑰對(duì)、加密證書、簽名證書皆是對(duì)象，在設(shè)備層面進(jìn)行訪問(wèn)控制，PKCS#11在設(shè)備層面對(duì)文件、加密公私鑰對(duì)、簽名公私鑰對(duì)、加密證書、簽名證書進(jìn)行管理。

2.2 基于SKF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備抽象

隨著我國(guó)商用密碼體系建設(shè)的發(fā)展，SKF和SDF行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口得到國(guó)內(nèi)密碼廠商的高度認(rèn)可和廣泛使用，利用PKCS#11接口開(kāi)發(fā)的商用密碼模塊，在通用性和易用性等方面已不再占有明顯優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)用式(8)融合8位專家的證據(jù)，計(jì)算得出8位專家對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)因素e11所所隸屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的BPA：me11=(0.544 4，0.455 6，0，0，0)。同理算得其他風(fēng)險(xiǎn)因素所隸屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的BPA，組成矩陣M。

SDF接口主要應(yīng)用于密碼機(jī)、密碼卡等服務(wù)類的密碼設(shè)備。與SKF相比，SDF接口功能還不完備。例如，SDF沒(méi)有明確定義證書管理類接口。SKF則具有相對(duì)完備的接口體系，其覆蓋了設(shè)備管理、訪問(wèn)控制、文件管理、密鑰管理、證書管理、密碼運(yùn)算等六類功能接口。另外，與SDF和PKCS#11相比，SKF接口在邏輯結(jié)構(gòu)上做了更細(xì)粒度的劃分，SDF和PKCS#11兩種邏輯結(jié)構(gòu)均可以通過(guò)“對(duì)象虛擬化”手段，映射成SKF的邏輯結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)三種接口在邏輯結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一。

綜上所述，建立了基于SKF標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的商用密碼設(shè)備抽象模型，如圖4所示。

圖4 基于SKF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備抽象模型

在一個(gè)設(shè)備抽象模型中，存在一個(gè)設(shè)備認(rèn)證密鑰和多個(gè)虛擬應(yīng)用，虛擬應(yīng)用之間相互獨(dú)立。虛擬應(yīng)用由管理員PIN、用戶PIN、文件和虛擬容器組成，每個(gè)虛擬應(yīng)用可以存在多個(gè)文件和多個(gè)虛擬容器。虛擬容器中存放加密密鑰對(duì)、簽名密鑰對(duì)和會(huì)話密鑰。其中加密密鑰對(duì)用于保護(hù)會(huì)話密鑰，簽名密鑰對(duì)用于數(shù)字簽名和驗(yàn)證，會(huì)話密鑰用于數(shù)據(jù)加解密和MAC運(yùn)算。虛擬容器中也可以存放與加密密鑰對(duì)對(duì)應(yīng)的加密證書和與簽名密鑰對(duì)對(duì)應(yīng)的簽名證書。其中，簽名密鑰對(duì)由內(nèi)部產(chǎn)生，加密密鑰對(duì)由外部產(chǎn)生并安全導(dǎo)入，會(huì)話密鑰可由內(nèi)部產(chǎn)生或者由外部產(chǎn)生并安全導(dǎo)入。

2.3 SDF到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型

通過(guò)對(duì)象虛擬化手段，在SDF邏輯模型中引入了虛擬應(yīng)用和虛擬容器的概念，構(gòu)建了從SDF到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型，如圖5所示。

圖5 從SDF到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型

在SDF到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型中，索引與虛擬應(yīng)用之間建立了一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并在虛擬應(yīng)用（即索引）層面進(jìn)行訪問(wèn)控制。在邏輯上將文件劃分到特定的虛擬應(yīng)用中，建立文件對(duì)象與虛擬應(yīng)用之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在虛擬應(yīng)用中引入一個(gè)虛擬容器，建立虛擬容器與加密公私鑰對(duì)、虛擬容器與簽名公私鑰對(duì)的邏輯包含關(guān)系，并在虛擬容器層面對(duì)加密公私鑰對(duì)和簽名公私鑰對(duì)進(jìn)行管理。在虛擬容器中引入一個(gè)加密證書和一個(gè)簽名證書，建立虛擬容器與加密證書、虛擬容器與簽名證書的邏輯包含關(guān)系，并在虛擬容器層面上，通過(guò)文件管理接口對(duì)加密證書和簽名證書進(jìn)行管理。

2.4 PKCS#11到SKF邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型

通過(guò)對(duì)象虛擬化手段，在PKCS#11邏輯模型中引入一個(gè)虛擬應(yīng)用對(duì)象和多個(gè)虛擬容器對(duì)象，構(gòu)建了從PKCS#11到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型，如圖6所示。

圖6 從PKCS#11到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型

在PKCS#11到SKF的邏輯結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型中，設(shè)備與虛擬應(yīng)用對(duì)象之間建立了唯一的綁定關(guān)系，并在虛擬應(yīng)用（即設(shè)備）層面進(jìn)行訪問(wèn)控制。在邏輯上將文件對(duì)象劃分到虛擬應(yīng)用中，建立虛擬應(yīng)用與文件對(duì)象的包含關(guān)系，并在虛擬應(yīng)用層面對(duì)文件對(duì)象進(jìn)行管理。在虛擬應(yīng)用中引入虛擬容器概念，建立虛擬容器與加密公私鑰對(duì)、虛擬容器與簽名公私鑰對(duì)、虛擬容器與加密證書、虛擬容器與簽名證書的邏輯包含關(guān)系，在虛擬容器層面對(duì)加密公私鑰對(duì)、簽名公私鑰對(duì)、加密證書、簽名證書進(jìn)行管理。

3 商用密碼模塊接口統(tǒng)一調(diào)用框架

基于SKF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備抽象模型，設(shè)計(jì)了商用密碼模塊接口統(tǒng)一調(diào)用框架，如圖7所示。框架由密碼設(shè)備層、設(shè)備接入層、密碼應(yīng)用層三部分組成。

圖7 商用密碼模塊接口統(tǒng)一調(diào)用框架

密碼設(shè)備層是基礎(chǔ)層，包括軟件密碼模塊、TF卡、USB-KEY、密碼機(jī)、密碼卡等商用密碼設(shè)備，對(duì)外提供SM1/SM2/SM3/SM4的密碼運(yùn)算能力。

設(shè)備接入層是核心層，它基于SKF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備抽象模型而設(shè)計(jì)。設(shè)備接入層負(fù)責(zé)屏蔽底層密碼設(shè)備的差異，為密碼應(yīng)用層提供統(tǒng)一調(diào)用的接口。設(shè)備接入層向下支持SKF、SDF、PKCS#11三種標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了從SKF到SKF的接口透?jìng)?、從SDF接口到SKF接口的邏輯轉(zhuǎn)換、從PKCS#11接口到SKF接口的邏輯轉(zhuǎn)換。設(shè)備接入層向上提供了設(shè)備管理、訪問(wèn)控制、密鑰管理、證書管理、密碼運(yùn)算、文件管理等六類設(shè)備抽象接口。

密碼應(yīng)用層是關(guān)鍵層，它基于設(shè)備抽象模型，為上層應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單易用接口。按照使用場(chǎng)景又分為桌面客戶端、Web客戶端、Android客戶端、iOS客戶端、服務(wù)端等五類密碼應(yīng)用系統(tǒng)。密碼應(yīng)用層面向應(yīng)用提供文件管理、對(duì)稱加解密、非對(duì)稱加解密、簽名驗(yàn)簽、摘要計(jì)算、數(shù)字信封、簽章驗(yàn)章、大文件加解密、文件流加解密等“傻瓜式”易用接口。

密碼應(yīng)用層對(duì)外提供C/C++、JavaScript、Java、ObjectiveC等四種形態(tài)的接口，滿足桌面應(yīng)用、Web應(yīng)用、Android應(yīng)用、iOS應(yīng)用、服務(wù)端等多種密碼應(yīng)用需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

在信息化建設(shè)中，安全應(yīng)用系統(tǒng)通常要適配不同廠商的密碼模塊，因接口規(guī)范的不同，存在大量的適配驗(yàn)證工作。文中提出了一種基于SKF標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備抽象模型，并將其應(yīng)用到商用密碼模塊接口統(tǒng)一調(diào)用框架中，屏蔽了密碼設(shè)備的差異，面向應(yīng)用提供簡(jiǎn)單易用的接口，實(shí)現(xiàn)了密碼應(yīng)用接口的統(tǒng)一。在工程實(shí)踐中，密碼模塊接口統(tǒng)一調(diào)用框架降低了密碼應(yīng)用的門檻，減少了安全應(yīng)用系統(tǒng)在對(duì)接不同廠商、不同標(biāo)準(zhǔn)的密碼模塊時(shí)的重復(fù)適配驗(yàn)證工作。