基于CNG API實(shí)現(xiàn)國密算法注冊(cè)及應(yīng)用*

夏 凡，文 剛，朱紅宏

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

關(guān)鍵字：下一代加密技術(shù)接口；商密算法；SM2 證書；加密服務(wù)提供程序

0 引 言

目前，國內(nèi)主流企業(yè)所采用的密碼算法都是國際公開算法。國家密碼管理局早在2012年起就頒布了一系列的商密算法實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用的規(guī)范文件。國內(nèi)的一些信息安全廠商和一些開源程序，例如，基于開放式安全套接層協(xié)議（Open Secure Sockets Layer，OpenSSL）實(shí)現(xiàn)的支持國密算法和標(biāo)準(zhǔn)的OpenSSL 分支（GmSSL）和天安版國密OpenSSL（TaSSL）也基于該系列規(guī)范實(shí)現(xiàn)了國密標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱、非對(duì)稱、散列算法及接口規(guī)范。但基于該規(guī)范的實(shí)現(xiàn)與操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有較大差異，目前，國密算法SM2 雖已被納入國際標(biāo)準(zhǔn)，但在各大操作系統(tǒng)上依然沒有內(nèi)置該算法的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際使用時(shí)仍是由應(yīng)用程序開發(fā)人員使用各廠商提供的算法庫來實(shí)現(xiàn)對(duì)國密算法的使用。一些利用操作系統(tǒng)應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）實(shí)現(xiàn)密碼算法調(diào)用的應(yīng)用程序?qū)⒚媾R重新開發(fā)和定制的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，證書信任是使用安全套接層（Secure Sockets Layer，SSL）的基本要求，各種瀏覽器、使用SSL 的客戶端在面對(duì)不信任的證書時(shí)都會(huì)彈出警告，甚至是直接斷開連接，但目前系統(tǒng)中并沒有實(shí)現(xiàn)SM2 證書的驗(yàn)證，導(dǎo)致無法對(duì)某些安全性要求較強(qiáng)的業(yè)務(wù)進(jìn)行訪問。因此，本文通過研究微軟提出的新一代密碼應(yīng)用服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)國密算法在Windows 系統(tǒng)中的注冊(cè)及使用。在不修改原應(yīng)用程序的情況下，使應(yīng)用程序正確調(diào)用新注冊(cè)的國密算法以實(shí)現(xiàn)密碼服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)國密算法在Windows 操作系統(tǒng)中的無縫集成，完成國密證書在Windows 系統(tǒng)中的直接驗(yàn)證及P12 格式的國密證書導(dǎo)入。

1 CNG 簡(jiǎn)介

下一代加密技術(shù)接口（Cryptographic Next Generation API，CNG API）是微軟在Windows Vista 及之后的操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的取代上一代CryptoAPI 的密碼服務(wù)接口。相對(duì)于上一代的CryptoAPI，它具備的優(yōu)勢(shì)如下：（1）更靈活的配置模型，支持更多的密鑰存儲(chǔ)配置、算法配置、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器等；（2）完全兼容上一代CryptoAPI 接口；（3）支持內(nèi)核模式下的算法配置；（4）支持自定義的證書格式；（5）支持SSL/安全傳輸層（Transport Layer Security，TLS）的協(xié)議配置。在Windows Vista 及之后的操作系統(tǒng)中，默認(rèn)使用的密碼服務(wù)接口已經(jīng)替換為CNG API，CryptoAPI 也只是對(duì)CNG 的封裝調(diào)用。

CNG 允許密碼服務(wù)實(shí)現(xiàn)方以“Provider”的形式向系統(tǒng)添加密碼服務(wù)實(shí)現(xiàn)，并向開發(fā)者提供軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），極大地方便了密碼服務(wù)提供商向系統(tǒng)注冊(cè)自己專有算法或者對(duì)密碼硬件的調(diào)用。CNG允許第三方密碼服務(wù)提供商提供的程序的主要功能如下文所述。

（1）密鑰存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)。第三方提供商以自己的方式實(shí)現(xiàn)密鑰的管理、產(chǎn)生、銷毀、使用等。例如，實(shí)現(xiàn)密鑰存儲(chǔ)可通過結(jié)合密碼硬件來實(shí)現(xiàn)私鑰的保存和使用，使私鑰既不出硬件，又能通過Windows 標(biāo)準(zhǔn)接口供應(yīng)用程序使用。密鑰存儲(chǔ)僅支持在用戶模式下注冊(cè)。

（2）密碼算法實(shí)現(xiàn)。第三方提供商可通過注冊(cè)密碼算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)稱、摘要、非對(duì)稱加解密、簽名驗(yàn)簽、隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、密鑰衍生等功能。通過該方式，可以將一些專用的非公開算法方便地新增到系統(tǒng)中并由原生的Windows API使用。密碼算法可在用戶模式下和內(nèi)核模式下進(jìn)行注冊(cè)，在內(nèi)核模式下注冊(cè)后，驅(qū)動(dòng)程序中也可以使用用戶自定義的密碼算法。

（3）密鑰衍生、協(xié)商實(shí)現(xiàn)。第三方提供商可注冊(cè)自己的密鑰衍生、密鑰協(xié)商實(shí)現(xiàn)類。

（4）SSL 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。第三方提供商可注冊(cè)自己的協(xié)議實(shí)現(xiàn)類，實(shí)現(xiàn)TLS 協(xié)議交互過程中使用私有算法或者數(shù)據(jù)格式的認(rèn)證、密鑰協(xié)商、加密等功能。

2 國密算法在系統(tǒng)中的注冊(cè)

在系統(tǒng)中注冊(cè)自定義算法時(shí)需要先注冊(cè)一個(gè)Provider，一個(gè)Provider 可包含多種算法實(shí)現(xiàn)的接口。Provider 及支持的接口關(guān)系如圖1所示。

由Provider 的結(jié)構(gòu)可以看出它涵蓋了密碼算法的所有功能，通過接口將算法注冊(cè)到系統(tǒng)后，即可實(shí)現(xiàn)算法接口的相關(guān)功能。本文通過將SM2 算法、SM3 算法注冊(cè)到Windows操作系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)國密證書在Windows 中的識(shí)別、簽發(fā)、驗(yàn)證。此外，還需要實(shí)現(xiàn)隨機(jī)數(shù)發(fā)生接口，以產(chǎn)生符合國密隨機(jī)數(shù)檢測(cè)規(guī)范的隨機(jī)數(shù)。

2.1 算法OID 的注冊(cè)

在數(shù)字證書中，以對(duì)象標(biāo)識(shí)符（Object Identifier，OID）來唯一標(biāo)識(shí)一種算法。密碼服務(wù)提供商通過Windows 標(biāo)準(zhǔn)接口CryptRegisterOIDInfo 來實(shí)現(xiàn)密碼算法OID 向操作系統(tǒng)的注冊(cè)，當(dāng)注冊(cè)算法時(shí)，在結(jié)構(gòu)CRYPT_OID_INFO 中填寫對(duì)應(yīng)的算法所屬的組（國密各算法及參數(shù)的OID 可在標(biāo)識(shí)規(guī)范中查詢）。根據(jù)實(shí)際需要，SM3 所屬組為BCRYPT_HASH_INTERFACE，SM2 作為公鑰算法時(shí)，其所屬的組為CRYPT_PUBKEY_ALG_OID_GROUP_ID；SM2 作為簽名算法時(shí)，其所屬的組為CRYPT_SIGN_ALG_OID_GROUP_ID。支持SM2 算法時(shí)，還需要根據(jù)用途填充OID 擴(kuò)展參數(shù)，用作加密和驗(yàn)簽時(shí)，則擴(kuò)展參數(shù)為3 個(gè)整型：第一個(gè)參數(shù)為公鑰用途，加密（CRYPT_OID_PUBKEY_ENCRYPT_ONLY_FLAG）、驗(yàn)簽（CRYPT_OID_PUBKEY_SIGN_ONLY_FLAG）或兩者都支持；第二個(gè)參數(shù)為公鑰所屬算法的標(biāo)識(shí)；第三個(gè)參數(shù)為橢圓曲線算法（Elliptic Curve Cryptography，ECC）公鑰模長(zhǎng)。用作簽名時(shí)，則擴(kuò)展參數(shù)為整型，值恒為CALG_OID_INFO_PARAMETERS。SM2 算法OID 注冊(cè)成功后，在Windows 下雙擊國密SM2 證書，可在證書詳細(xì)信息里面查看到公鑰、公鑰參數(shù)、簽名算法等值顯示為SM2、SM3 等注冊(cè)過的值[1]。注冊(cè)算法OID 前，系統(tǒng)則只能顯示出算法OID對(duì)應(yīng)的可識(shí)別文本信息，因算法的實(shí)現(xiàn)還需要通過Provider 的注冊(cè)后，才會(huì)被系統(tǒng)調(diào)用。在Windows 下未注冊(cè)O(shè)ID 和已注冊(cè)O(shè)ID 的國密證書顯示對(duì)比如圖2所示。

2.2 算法Provider 的注冊(cè)

CNG 開發(fā)包提供了BCryptRegisterProvider 函數(shù)用于向系統(tǒng)中注冊(cè)Provider，本文討論的是應(yīng)用層的算法注冊(cè)，因此必須在BCryptRegisterProvider函數(shù)的PCRYPT_PRVIDER_REG 參數(shù)中填充SM2和SM3 算法，指定Provider 所處的動(dòng)態(tài)庫文件名稱以及Provider 提供的算法類型。

Provider 注冊(cè)成功后，還需要向配置節(jié)點(diǎn)中添加各個(gè)算法的配置，CNG 開發(fā)包提供BCryptAddContextFunctionProvider 函數(shù)用于向Provider 中添加算法實(shí)現(xiàn)。

OID、Provider 及配置的算法在CNG 開發(fā)包中也提供了相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，若操作系統(tǒng)中不再需要新注冊(cè)的算法，則調(diào)用函數(shù)CryptUnregisterOIDInfo 卸載已注冊(cè)的OID，調(diào)用函數(shù)BCryptUnregisterProvider卸載已注冊(cè)的Provider。

2.3 Provider 庫的實(shí)現(xiàn)

Provider 以動(dòng)態(tài)庫的形式提供算法，為保證Windows 操作系統(tǒng)正確使用Provider 所提供的算法，動(dòng)態(tài)庫必須實(shí)現(xiàn)導(dǎo)出函數(shù)來支持注冊(cè)到Provider 中的算法，導(dǎo)出的函數(shù)及含義如表1所示。

表1 Provider 導(dǎo)出函數(shù)及含義

根據(jù)微軟提供的CNG 開發(fā)包及其示例，在Provider 中實(shí)現(xiàn)了SM3 算法、SM2 算法及其相關(guān)函數(shù)接口。Windows 應(yīng)用程序調(diào)用的算法實(shí)際是由Provider 所提供的算法接口實(shí)現(xiàn)的。

2.3.1 SM3 的實(shí)現(xiàn)

Provider 中實(shí)現(xiàn)雜湊功能的函數(shù)接口GetHashInterface 原型如下：

在GetHashInterface 的實(shí)現(xiàn)代碼中以SM3 的實(shí)現(xiàn)函數(shù)填充返回的結(jié)構(gòu)體列表ppFunctionTable，其對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)SM3 在系統(tǒng)中的注冊(cè)。完成SM3 算法注冊(cè)和相應(yīng)的功能后，可通過如下的示例代碼進(jìn)行驗(yàn)證：

根據(jù)驗(yàn)證程序的輸入和輸出結(jié)果，與國密SM3 密碼雜湊算法規(guī)范對(duì)比，兩者結(jié)果一致[2]。

2.3.2 SM2 的實(shí)現(xiàn)

Provider 中實(shí)現(xiàn)SM2 的簽名/驗(yàn)簽、加密/解密以及公私鑰的導(dǎo)入和密鑰對(duì)產(chǎn)生等，需在CNG中分別對(duì)相應(yīng)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行填充。簽名以結(jié)構(gòu)體BCRYPT_SIGNATURE_FUNCTION_TABLE 定義各個(gè)操作回調(diào)，非對(duì)稱加密以結(jié)構(gòu)體BCRYPT_ASYMMETRIC_ENCRYPTION_FUNCTION_TABLE定義各個(gè)操作回調(diào)。Provider 中實(shí)現(xiàn)SM2 簽名驗(yàn)簽的接口原型如下：

在以上GetSignatureInterface 的實(shí)現(xiàn)代碼中，以SM2 的實(shí)現(xiàn)函數(shù)填充返回的結(jié)構(gòu)體列表ppFunctionTable，其對(duì)應(yīng)的回調(diào)函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)SM2算法的簽名、驗(yàn)簽功能在系統(tǒng)中的注冊(cè)。然后應(yīng)用程序采用Windows 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的CNG API 完成對(duì)SM2 算法的調(diào)用，調(diào)用流程與SM3 類似，細(xì)節(jié)可參考CNG 開發(fā)包提供的示例以及幫助文檔。

根據(jù)密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GM/T 0009—2012《SM2 密碼算法使用規(guī)范》，使用SM2 的簽名功能需利用簽名方的用戶身份標(biāo)識(shí)和簽名方公鑰，通過SM3 運(yùn)算得到Z 值[2]，再將Z 值與待簽名消息通過SM3 計(jì)算哈希后簽名/驗(yàn)簽[3]。該使用規(guī)范為SM2 特有，公開算法無此應(yīng)用方式。因此，應(yīng)用程序除通過擴(kuò)展BCRYPT_SIGNATURE_FUNCTION_TABLE 中的BCryptExportKeyFn 接口外，還需擴(kuò)展一個(gè) BCRYPT_SM2Z_BLOB=L"SM2ZBLOB"的數(shù)據(jù)類型。通過調(diào)用BCryptExportKey，并指定數(shù)據(jù)類型為BCRYPT_SM2Z_BLOB，可計(jì)算出公鑰的Z 值，應(yīng)用程序?qū)⒋薢 值與待簽名數(shù)據(jù)計(jì)算哈希后再進(jìn)行簽名/驗(yàn)簽。

3 國密算法的實(shí)際應(yīng)用

將國密算法在操作系統(tǒng)中注冊(cè)完成后，以中國金融認(rèn)證中心（China Financial Certification Authority，CFCA）提供的SM2 測(cè)試證書鏈為例，驗(yàn)證此國密SM2 證書能否通過驗(yàn)證。

在Windows 系統(tǒng)中，證書都是通過 WinVerify TrustEx 接口函數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證的，在該接口里面內(nèi)置有證書解碼、證書完整性、有效性、證書鏈校驗(yàn)等函數(shù)?；赟M2 算法的應(yīng)用規(guī)范[3]，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簽名/驗(yàn)簽時(shí)，先使用簽名公鑰與用戶標(biāo)識(shí)計(jì)算Z 值，然后與源數(shù)據(jù)合并計(jì)算SM3，最后對(duì)SM3 的結(jié)果進(jìn)行簽名/驗(yàn)簽。

通過對(duì)Windows 系統(tǒng)中證書驗(yàn)證的過程進(jìn)行分析[4]，對(duì)證書完整性和有效性的驗(yàn)證實(shí)際就是直接使用CryptDecodeObjectEx 接口對(duì)證書解碼，然后根據(jù)解碼后的數(shù)據(jù)計(jì)算哈希值，再將哈希值驗(yàn)簽。該操作流程與SM2 的使用規(guī)范不符，無法通過SM2 的驗(yàn)簽。為符合SM2 使用規(guī)范，需要在證書解碼后的數(shù)據(jù)前面添加簽發(fā)者Z 值。Windows系統(tǒng)提供 CryptInstallOIDFunctionAddress函數(shù)用于注冊(cè)自定義的編解碼函數(shù)，通過該函數(shù)對(duì)X509_ASN_ENCODING 編碼類型注冊(cè)自定義編解碼。從簽名算法使用SM2 的證書獲取到簽發(fā)者的公鑰，并計(jì)算Z 值，再與系統(tǒng)自動(dòng)編/解碼后的證書數(shù)據(jù)合并，以使簽名/驗(yàn)簽的數(shù)據(jù)符合SM2 使用規(guī)范。

分別使用CFCA 提供的測(cè)試證書SM2 的根證書、下級(jí)證書為例，驗(yàn)證未注冊(cè)國密算法的Windows 操作系統(tǒng)和已注冊(cè)國密算法的操作系統(tǒng)，通過直接雙擊SM2 證書文件得到如圖3、圖4和圖5的結(jié)果。

通過圖片可直觀地看出：在系統(tǒng)中注冊(cè)國密算法后，操作系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國密算法證書的驗(yàn)證。使用Windows 的標(biāo)準(zhǔn)接口 WinVerifyTrustEx驗(yàn)證證書，同樣能得到證書驗(yàn)證通過的結(jié)果。

4 結(jié) 語

本文通過對(duì)Windows 系統(tǒng)下新一代密碼接口的功能分析，完成了國密SM2、SM3 算法向系統(tǒng)中注冊(cè)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)國密算法簽發(fā)的證書驗(yàn)證，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)國密SSL 協(xié)議[5]在Windows 系統(tǒng)中的集成奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為其他非公開算法向系統(tǒng)中注冊(cè)提供了一種實(shí)現(xiàn)思路。