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国内做2B(to Biz)或2G(to Gov)产品和解决方案的企业都绕不过国密算法,越来越多的国内甲方在采购需求中包含了基于国密算法的认证、签名、加密等需求。对于国内的车联网平台来说,支持基于国密的双向认证也是大势所趋。在这篇文章中,我就来说说如何基于国密算法实现双向认证,即使用国密算法的安全传输层双向认证


一. 简要回顾基于TLS的双向认证

《Go语言精进之路》第2册的第51条中,我详细介绍了TLS的建连握手与双向认证过程,并对非对称加密与公钥证书的原理做了系统全面的讲解。为了让大家更好地理解后面的内容,这里简单回顾一下基于TLS的双向认证

TLS,全称Transport Layer Security,即安全传输层。其前身为SSL(Secure Socket Layer)。TLS是建构在TCP传输层之上和应用层之下的、为应用层提供端到端安全连接和传输服务的虚拟协议层

应用层基于TLS的通信都是加密的(如上图所示),保证了传输数据的安全,即便被窃听,攻击者也无法拿到明文数据(密钥够长,加密算法强度够强的前提下)。对于应用开发者而言,重点在于TLS连接的建立过程,连接一旦建立,后续的加解密传输过程就很容易了。

TLS连接的建立过程称为TLS握手(handshake),握手的过程见下图(适用于TLS 1.2):


上图引自《Go语言精进之路》第2册的图51-5

关于握手的各个步骤的详细说明,大家可以参考《Go语言精进之路》第2册的第51条中的内容,这里不赘述。

从图中我们可以看到:TLS连接的建立过程需要数字证书的参与,而数字证书主要用于对通信双方的身份进行验证以及参与双方会话密钥的协商与生成。一般情况下,客户端会校验服务端的公钥证书,服务端不会校验客户端公钥证书。但在一些安全级别较高的系统中,服务端也会要求校验客户端的公钥证书(TLS握手阶段,服务端向客户端发送CertificateRequest请求)。

下面我们就来看一个基于TLS的双向认证的实例。

二. 基于TLS双向认证的示例

我们先来看看示例开发与执行的环境并创建相关的数字证书。

1. 环境与数字证书

我们在Ubuntu 20.04.3 LTS环境使用Go 1.18版本开发和执行该示例。示例是一个echo server,即将client端发来的数据重新发回client端,下面是示意图:

开发基于TLS的应用离不开数字证书,因此在开发程序之前,我们先来生成server与client所用的各类公钥数字证书。

在开发和测试环境,我们可以使用自签发的公钥数字证书。我们可以先生成自用的CA私钥与证书,然后利用该CA签发我们所需的服务端和客户端的公钥证书。制作证书最著名的工具是openssl,不过openssh使用起来较为复杂,这些年一些开发者体验更好的工具也逐渐成熟,比如由Go项目前安全负责人Filippo Valsorda开源的mkcert就是一个不错的工具,本文就使用这个工具建立CA并签发制作各类证书。

我们先来安装mkcert工具:

$go install filippo.io/mkcert@latest
go: downloading filippo.io/mkcert v1.4.4
go: downloading golang.org/x/net v0.0.0-20220421235706-1d1ef9303861
go: downloading software.sslmate.com/src/go-pkcs12 v0.2.0
go: downloading golang.org/x/crypto v0.0.0-20220331220935-ae2d96664a29

接下来,生成并安装local CA根证书:

$mkcert -install
Created a new local CA:
The local CA is now installed in the system trust store!

从mkcert的输出来看,CA私钥和证书被安装到所谓system trust store中。这个system trust store在不同平台上的位置不同。在linux上有如下几个位置:

// github.com/FiloSottile/mkcert/truststore_linux.go 

func init() {
    switch {
    case binaryExists("apt"):
        CertutilInstallHelp = "apt install libnss3-tools"
    case binaryExists("yum"):
        CertutilInstallHelp = "yum install nss-tools"
    case binaryExists("zypper"):
        CertutilInstallHelp = "zypper install mozilla-nss-tools"
    }
    if pathExists("/etc/pki/ca-trust/source/anchors/") {
        SystemTrustFilename = "/etc/pki/ca-trust/source/anchors/%s.pem"
        SystemTrustCommand = []string{"update-ca-trust", "extract"}
    } else if pathExists("/usr/local/share/ca-certificates/") {
        SystemTrustFilename = "/usr/local/share/ca-certificates/%s.crt"
        SystemTrustCommand = []string{"update-ca-certificates"}
    } else if pathExists("/etc/ca-certificates/trust-source/anchors/") {
        SystemTrustFilename = "/etc/ca-certificates/trust-source/anchors/%s.crt"
        SystemTrustCommand = []string{"trust", "extract-compat"}
    } else if pathExists("/usr/share/pki/trust/anchors") {
        SystemTrustFilename = "/usr/share/pki/trust/anchors/%s.pem"
        SystemTrustCommand = []string{"update-ca-certificates"}
    }
}

在我的ubuntu 20.04环境中,CA的公钥证书被安装(install)在/usr/local/share/ca-certificates下面了:

$ls -l /usr/local/share/ca-certificates/
total 4
-rw-r--r-- 1 root root 1631 Jul  3 16:22 mkcert_development_CA_333807542491031300702675758897110223851.crt

生成的CA私钥在哪里呢?我们可以通过-CAROOT参数获得该位置:

$mkcert -CAROOT
/home/tonybai/.local/share/mkcert

$ls -l /home/tonybai/.local/share/mkcert
total 8
-r-------- 1 tonybai tonybai 2484 Jul  3 16:22 rootCA-key.pem
-rw-r--r-- 1 tonybai tonybai 1631 Jul  3 16:22 rootCA.pem

这里的rootCA.pem与系统信任区中的mkcert_development_CA_333807542491031300702675758897110223851.crt与rootCA.pem内容是一样的。后者是mkcert将rootCA.pem安装到系统可信store后的结果。通过mkcert -uninstall可以删除/usr/local/share/ca-certificates下面的CA公钥证书。但/home/tonybai/.local/share/mkcert下的CA私钥与证书不会被删除。后续若再执行mkcert install,CA证书不会重新生成,现有的rootCA.pem还会被install到/usr/local/share/ca-certificates下面。

接下来我们分别server端和client端的私钥与证书。

server端key和cert:

$mkcert -key-file key.pem -cert-file cert.pem example.com 

Created a new certificate valid for the following names
 - "example.com"

The certificate is at "cert.pem" and the key at "key.pem"

It will expire on 3 October 2024

我们可以通过下面命令查看证书内容:

$openssl x509 -in cert.pem -noout -text
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            fc:cc:96:17:55:2d:70:e8:67:3e:b2:25:a9:b8:a3:80
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: O = mkcert development CA, OU = tonybai@tonybai, CN = mkcert tonybai@tonybai
        Validity
            Not Before: Jul  7 09:05:09 2022 GMT
            Not After : Oct  7 09:05:09 2024 GMT
        Subject: O = mkcert development certificate, OU = tonybai@tonybai
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                RSA Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:a6:d1:00:f7:da:03:d0:06:17:cb:ee:b4:99:30:
                    20:66:d0:78:b0:94:67:0b:7a:37:d2:76:21:71:9a:
                    7a:17:d6:44:0a:7b:f1:24:71:2f:ed:b5:67:66:a1:
                    1f:b0:e6:3b:18:66:de:f4:83:78:9a:bc:f5:ae:88:
                    23:a1:f9:7d:7c:3e:7f:a8:f9:9f:54:d0:68:48:b9:
                    d0:56:10:a0:84:0b:cf:a8:bc:b8:74:3f:3c:27:db:
                    ff:28:1d:63:e8:79:a6:93:44:a8:14:43:53:bf:e8:
                    ca:ee:bf:4c:63:f7:23:51:e6:a2:8d:0b:9a:7d:95:
                    2e:bc:37:ae:6d:ea:9e:0e:e6:e0:c5:8e:07:0c:d4:
                    9b:50:30:de:31:c9:97:ee:ac:7e:33:ab:0d:6f:87:
                    f3:70:2b:22:26:8d:a8:95:8e:1f:0e:b7:61:71:e8:
                    36:06:a7:f4:d8:d2:f6:89:12:26:fd:7e:6b:19:a2:
                    2a:4c:d7:cb:7e:09:fc:65:86:be:b6:c2:0b:fb:b5:
                    d8:63:07:aa:ba:59:ab:fc:34:0d:4a:d1:93:dd:62:
                    b0:3a:cd:e1:21:79:13:e4:f4:45:00:f7:10:a1:bc:
                    c7:51:38:84:c4:75:22:5e:5f:a9:11:07:34:16:9f:
                    ad:c7:94:af:57:30:17:77:49:14:6e:16:ff:d8:00:
                    78:11
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature, Key Encipherment
            X509v3 Extended Key Usage:
                TLS Web Server Authentication
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:A8:C4:06:2D:2C:25:71:EC:08:C8:1A:92:9A:F2:52:87:22:6E:85:2D

            X509v3 Subject Alternative Name:
                DNS:example.com
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         be:6e:90:60:bd:43:b9:3a:09:14:c2:44:22:88:a6:af:e5:22:
         d3:97:19:64:8b:59:5d:60:33:36:01:a1:4e:01:eb:7e:5c:6a:
         48:c4:04:a6:0a:e4:91:95:db:5a:2c:c8:e9:93:fa:37:34:6d:
         81:d1:96:ed:5b:67:ae:27:e3:d3:ea:ee:5c:74:0f:6e:f1:48:
         72:d2:75:85:a1:70:0f:a0:9a:73:7a:ca:b8:7b:92:46:27:73:
         e5:f8:ec:72:f8:fc:ac:5f:22:68:0c:d6:8c:20:5b:93:e1:52:
         17:79:57:71:33:5b:98:05:11:8a:cb:d4:3c:b2:24:4b:7b:c5:
         32:8f:ae:1f:a5:af:9d:3a:9b:bb:fc:46:8a:d6:48:39:86:de:
         f3:f7:54:03:45:8d:bd:40:91:26:d2:29:0a:c4:91:cf:b2:5c:
         41:d5:66:24:02:6d:60:22:ea:78:0d:b0:66:80:b9:5d:03:27:
         09:c7:aa:61:1b:ee:e4:08:21:7e:be:bb:13:8a:fb:d8:9e:24:
         5f:5b:a2:4a:d5:db:be:a2:84:74:03:fb:04:37:d0:b3:c4:b7:
         4e:3e:31:a7:2d:5d:62:bd:aa:68:3c:84:d9:32:cb:f2:93:7a:
         3a:8a:2b:c3:81:76:f0:b5:f5:3c:d4:69:8d:5e:f8:39:74:88:
         2b:56:7f:2b:4c:f9:39:2a:f2:4d:15:75:a1:f3:62:ee:57:ce:
         f7:33:c7:cc:a6:97:25:f0:66:bf:5d:5b:c2:d7:d3:ee:20:be:
         c3:5f:fb:9a:50:59:b8:e7:ea:d2:4c:35:9d:48:3f:93:63:96:
         3c:52:dd:b8:d6:ba:1f:30:18:2e:c4:3d:3a:03:66:e1:a3:48:
         6e:a0:5d:b0:0b:65:d4:40:9e:da:5c:36:b1:ac:6b:9e:1f:01:
         69:8a:92:63:7d:27:79:42:bd:d4:f5:e2:d3:bf:8e:97:2f:57:
         ae:0b:f8:c1:b1:35:47:d0:4e:77:b0:e7:88:69:4b:44:dc:01:
         6e:6e:4d:87:e2:71

接下来,我们再生成client端的key和cert。client端的cert专门用来提供给server端进行证书验证的,我们需要向mkcert传入-client选项生成client端证书:

$mkcert -client -key-file client-key.pem -cert-file client-cert.pem client1

Created a new certificate valid for the following names
 - "client1"

The certificate is at "client-cert.pem" and the key at "client-key.pem"

It will expire on 3 October 2024

同样,我们可以通过下面命令查看客户端证书的内容:

$openssl x509 -in client-cert.pem -noout -text
Certificate:
    Data:
        Version: 3 (0x2)
        Serial Number:
            62:59:40:5c:e7:5a:61:74:73:bf:08:b0:d9:a7:d4:a1
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: O = mkcert development CA, OU = tonybai@tonybai, CN = mkcert tonybai@tonybai
        Validity
            Not Before: Jul  7 09:11:27 2022 GMT
            Not After : Oct  7 09:11:27 2024 GMT
        Subject: O = mkcert development certificate, OU = tonybai@tonybai
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: rsaEncryption
                RSA Public-Key: (2048 bit)
                Modulus:
                    00:e5:25:c6:a1:c9:e2:5f:64:72:bd:ed:fc:24:fa:
                    12:8d:9c:30:52:8d:d8:5a:e7:f4:0c:b5:d5:0a:ef:
                    06:26:e3:06:54:54:cc:72:77:4e:22:cd:22:04:c0:
                    08:2e:94:2d:0f:cc:e8:9f:b9:c5:f4:13:8e:d1:f4:
                    bb:64:9d:1a:74:1b:e3:8c:95:2c:18:44:ec:e7:2c:
                    ec:0c:19:0f:e1:e6:1a:22:e7:3e:a6:1b:35:6e:05:
                    5f:c3:04:3f:1a:0f:c4:55:6f:ff:15:a0:a0:de:44:
                    5c:2d:3d:0b:dc:8a:01:ca:d2:2a:71:9d:b7:3a:d2:
                    10:9f:79:76:e0:a7:14:aa:d8:f0:90:bd:7c:4d:2d:
                    45:e6:16:ab:1d:03:7f:d8:97:4f:4d:41:13:76:72:
                    35:f2:41:b7:f1:3b:a8:42:d4:79:39:fd:f6:8d:10:
                    d1:54:06:60:6a:79:04:6c:6f:05:37:9c:4e:e7:ba:
                    9d:87:e8:05:65:9a:22:56:91:cb:03:bd:89:42:16:
                    66:92:bf:df:50:27:f2:81:89:c0:c5:46:f7:01:e8:
                    80:d0:4d:2e:ae:7f:5a:e9:fa:69:f3:50:c4:58:48:
                    dc:b5:20:13:01:3a:ac:fd:a8:69:2d:20:a9:55:cc:
                    90:4a:f1:f7:3f:9e:3b:7a:cb:77:c7:d2:c4:2b:4f:
                    4c:09
                Exponent: 65537 (0x10001)
        X509v3 extensions:
            X509v3 Key Usage: critical
                Digital Signature, Key Encipherment
            X509v3 Extended Key Usage:
                TLS Web Client Authentication, TLS Web Server Authentication
            X509v3 Authority Key Identifier:
                keyid:A8:C4:06:2D:2C:25:71:EC:08:C8:1A:92:9A:F2:52:87:22:6E:85:2D

            X509v3 Subject Alternative Name:
                DNS:client1
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         a6:68:a8:b3:cf:8c:8c:f6:03:56:68:e4:d3:02:cd:ec:8d:fa:
         7f:73:56:c2:91:fa:d8:65:82:a7:f5:d9:8b:32:2a:3b:f9:59:
         71:0c:f8:d3:b6:d3:b3:11:99:f6:f6:d1:ab:d9:1e:fc:bd:f5:
         71:d9:35:4e:0e:fb:f2:f9:65:12:f2:1d:26:77:7d:eb:2c:52:
         80:2c:05:64:0f:99:35:83:31:b0:eb:71:85:04:48:d6:f6:29:
         92:81:f5:22:ee:77:8b:3d:e8:66:6a:5f:59:69:73:15:bb:69:
         46:e9:df:8c:7c:1d:28:b5:71:ed:2e:ca:8e:d3:08:da:85:b4:
         6c:26:89:85:16:c3:9a:e4:45:ef:3d:16:a2:32:45:70:e5:7e:
         82:e1:55:32:e7:1a:63:6b:56:8f:11:70:53:6f:71:d8:e0:76:
         bc:af:bd:dc:53:d6:fb:f0:b6:29:5f:3b:3f:dd:5c:58:b4:f0:
         d2:bb:63:d6:7f:b6:5f:29:ac:43:fa:56:f6:38:a4:03:6e:f3:
         b6:0d:e3:94:4c:0e:de:28:0c:63:27:94:5c:c8:15:78:c1:3b:
         a3:9f:f3:7f:d8:79:c1:ee:23:da:42:ef:25:40:a1:b9:e4:54:
         c4:d0:6b:81:b8:c1:b6:78:aa:d9:25:31:25:fe:5c:a8:d4:46:
         61:38:2e:6e:ba:34:b6:21:cb:66:47:9e:4f:ca:e2:6a:6a:06:
         60:d4:cb:fd:e6:a2:d5:d3:44:40:f1:f9:a9:0d:38:47:a4:20:
         1a:59:4f:14:ab:ab:e9:20:53:91:1b:0e:57:7b:2e:72:d6:1c:
         73:37:d3:17:f6:65:75:ef:27:19:ee:32:2d:ac:ca:46:c4:aa:
         ea:60:d8:6c:fa:62:ad:d4:34:f5:f9:57:48:8f:c0:b3:30:0e:
         13:ec:69:7b:52:97:d6:f5:fa:16:bb:38:c6:03:2f:1a:21:6e:
         bb:69:2a:74:dc:3c:71:3e:af:91:dd:28:86:ca:c8:3b:58:29:
         07:3b:5c:67:3d:31

我们看到:client-cert.pem与cert.pem在“X509v3 Extended Key Usage”一项有差别,client-pert.pem除了包含TLS Web Server Authentication,还增加了TLS Web Client Authentication。

2. echoserver与echoclient

Go标准库提供了tls的基本实现,支持tls1.2和1.3版本。下面是echoserver的主要源码:

// github.com/bigwhite/experiments/gmssl-examples/tls/server/server.go
func main() {
    cert, err := tls.LoadX509KeyPair("./certs/cert.pem", "./certs/key.pem")
    if err != nil {
        fmt.Println("load x509 keypair error:", err)
        return
    }
    cfg := &tls.Config{
        Certificates: []tls.Certificate{cert},
        ClientAuth:   tls.RequireAndVerifyClientCert,
    }
    listener, err := tls.Listen("tcp", ":18000", cfg)
    if err != nil {
        fmt.Println("listen error:", err)
        return
    }

    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept error:", err)
            return
        }
        fmt.Println("accept connection:", conn.RemoteAddr())
        go func() {
            for {
                // echo "request"
                var b = make([]byte, 16)
                _, err := conn.Read(b)
                if err != nil {
                    fmt.Println("connection read error:", err)
                    conn.Close()
                    return
                }

                fmt.Println(string(b))
                _, err = conn.Write(b)
                if err != nil {
                    fmt.Println("connection write error:", err)
                    return
                }
            }
        }()
    }
}

我们看到基于tls的echoserver与一个普通的tcp server的代码差别不多,最主要就是在创建listener时传入了一个tls.Config结构,这个结构中有tls握手(handshake)所需要的全部信息,包括server端使用的私钥与证书(通过LoadX509KeyPair加载)以及对client端进行证书校验的标志(ClientAuth: tls.RequireAndVerifyClientCert)。一旦连接建立,握手成功,后续的数据读写都和基于tcp连接的普通服务端程序无异。

下面是echoclient的主要源码:

// github.com/bigwhite/experiments/gmssl-examples/tls/client/client.go

func main() {
    cert, err := tls.LoadX509KeyPair("./certs/client-cert.pem", "./certs/client-key.pem")
    if err != nil {
        fmt.Println("load x509 keypair error:", err)
        return
    }

    conn, err := tls.Dial("tcp", "example.com:18000", &tls.Config{
        Certificates: []tls.Certificate{cert},
    })
    if err != nil {
        fmt.Println("failed to connect: " + err.Error())
        return
    }
    defer conn.Close()

    fmt.Println("connect ok")
    for i := 0; i < 100; i++ {
        _, err := conn.Write([]byte("hello, gm"))
        if err != nil {
            fmt.Println("conn write error:", err)
            return
        }

        var b = make([]byte, 16)
        _, err = conn.Read(b)
        if err != nil {
            fmt.Println("conn read error:", err)
            return
        }
        fmt.Println(string(b))
        time.Sleep(time.Second)
    }
}

client端的代码更为简单一些,只需load client端使用的私钥与证书,然后传给tls.Config实例。tls.Dial使用该Config实例便可以顺利连接echoserver。

3. 用于验证对方证书的CA证书

在上面两个程序中都没有提到CA证书,那么server端和client端用什么去验证对方的公钥证书呢?其实依旧是用mkcert创建的CA证书去验证,只不过由于mkcert将CA证书安装到了操作系统trust store路径中,程序可以在系统CA证书中自动找到用来验证client和server两端公钥证书的CA证书,因此无需在程序中显式加载特定CA证书。

如果我们执行mkcert -uninstall,那么client程序在与server作tls handshake时就会报如下错误:

// client程序的输出日志:
failed to connect: x509: certificate signed by unknown authority

// server程序的输出日志:
accept connection: 127.0.0.1:56734
connection read error: remote error: tls: bad certificate

三. 密码算法在TLS握手以及后续通信过程中的作用

在TLS握手阶段,密码算法起到了关键作用。那在握手的每个阶段都在使用什么算法呢?我们看看下面使用curl命令访问https站点的输出:

$curl -v https://baidu.com
*   Trying 220.181.38.148:443...
* TCP_NODELAY set
* Connected to baidu.com (220.181.38.148) port 443 (#0)
* ALPN, offering h2
* ALPN, offering http/1.1
* successfully set certificate verify locations:
*   CAfile: /etc/ssl/certs/ca-certificates.crt
  CApath: /etc/ssl/certs
* TLSv1.3 (OUT), TLS handshake, Client hello (1):
* TLSv1.3 (IN), TLS handshake, Server hello (2):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Certificate (11):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Server key exchange (12):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Server finished (14):
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, Client key exchange (16):
* TLSv1.2 (OUT), TLS change cipher, Change cipher spec (1):
* TLSv1.2 (OUT), TLS handshake, Finished (20):
* TLSv1.2 (IN), TLS handshake, Finished (20):
* SSL connection using TLSv1.2 / ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256
... ...

在这段内容中,我们看到这样一行输出:

SSL connection using TLSv1.2 / ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256

这行后面的ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256就是在握手过程中以及后续通信阶段会使用到的算法。这样的一串称为密码套件(cipher suite),在SSL协议时代被称为cipher kinds

密码套件一般由多个用途不同的密码算法名称组合而成(套件中的算法都是要配合使用的,单独使用没法保证信息安全传输)。下面是openssl-1.1.1f支持的密码套件列表:

$openssl ciphers -V | column -t
0x13,0x02  -  TLS_AES_256_GCM_SHA384         TLSv1.3  Kx=any       Au=any    Enc=AESGCM(256)             Mac=AEAD
0x13,0x03  -  TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256   TLSv1.3  Kx=any       Au=any    Enc=CHACHA20/POLY1305(256)  Mac=AEAD
0x13,0x01  -  TLS_AES_128_GCM_SHA256         TLSv1.3  Kx=any       Au=any    Enc=AESGCM(128)             Mac=AEAD
0xC0,0x2C  -  ECDHE-ECDSA-AES256-GCM-SHA384  TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=ECDSA  Enc=AESGCM(256)             Mac=AEAD
0xC0,0x30  -  ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384    TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=RSA    Enc=AESGCM(256)             Mac=AEAD
0x00,0x9F  -  DHE-RSA-AES256-GCM-SHA384      TLSv1.2  Kx=DH        Au=RSA    Enc=AESGCM(256)             Mac=AEAD
0xCC,0xA9  -  ECDHE-ECDSA-CHACHA20-POLY1305  TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=ECDSA  Enc=CHACHA20/POLY1305(256)  Mac=AEAD
0xCC,0xA8  -  ECDHE-RSA-CHACHA20-POLY1305    TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=RSA    Enc=CHACHA20/POLY1305(256)  Mac=AEAD
0xCC,0xAA  -  DHE-RSA-CHACHA20-POLY1305      TLSv1.2  Kx=DH        Au=RSA    Enc=CHACHA20/POLY1305(256)  Mac=AEAD
0xC0,0x2B  -  ECDHE-ECDSA-AES128-GCM-SHA256  TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=ECDSA  Enc=AESGCM(128)             Mac=AEAD
0xC0,0x2F  -  ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256    TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=RSA    Enc=AESGCM(128)             Mac=AEAD
0x00,0x9E  -  DHE-RSA-AES128-GCM-SHA256      TLSv1.2  Kx=DH        Au=RSA    Enc=AESGCM(128)             Mac=AEAD
0xC0,0x24  -  ECDHE-ECDSA-AES256-SHA384      TLSv1.2  Kx=ECDH      Au=ECDSA  Enc=AES(256)                Mac=SHA384
... ...

我们看看上面输出的后四列的含义:

  • 第四列(Kx)

Kx代表key exchange,这一列是密钥交换算法,常见的密钥交换算法包括DH(Diffie-Hellman)、DHE(Diffie-Hellman Ephemeral)、ECDHE(在DHE算法的基础上利用了ECC椭圆曲线特性)等。在tls握手阶段,密钥交换算法用于在不安全的通道上协商会话加密(对称加密)算法密钥。

  • 第五列(Au)

Au代表authentication,这一列是身份认证算法,通常是非对称加密算法,比如:RSA、ECDSA等。该算法用于服务端与客户端相互验证对方的公钥数字证书时。

  • 第六列(Enc)

Enc代表对称加密算法,比如:AES、CHACHA20等,对称加密算法在tls握手后用于对客户端与服务端交互的数据进行加解密,它的加解密性能要比非对称加密算法快上很多。

  • 第七列(Mac)

Mac代表Message Authentication Code,消息认证码算法,本质上是一个hash函数,用于计算数据的摘要值,是常用的用于保证消息数据完整性的工具。常见的算法有SHA1、SHA256等。

有了这些知识,我们再回到前面的ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256,我们可以知道这个密码套件使用ECDHE作为密钥交换算法,使用RSA作为服务器认证算法(非对称加密),使用AES128-GCM作为对称加密算法,使用SHA256作为消息认证码算法。

注:TLS 1.3版本的握手过程已经修改,仅需对称加密和Mac算法参与,因此TLS 1.3的密码套件格式已经变化。在TLS 1.3中,密码套件仅用于协商对称加密和MAC算法。对应的,我们看到上面OpenSSL输出的TLSv1.3版本的密码套件(如TLS_AES_256_GCM_SHA384、TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256等)的Kx和Au都是any。换句话说:TLSv1.2和TLSv1.3版本的密码套件并不兼容,不能混用(TLS v1.3的密码套件不能用在TLS v1.2版本中,反之亦然)。

Go标准库(Go 1.18.3)内置支持的cipher suite如下:

// $GOROOT/src/crypto/tls/cipher_suites.go
func CipherSuites() []*CipherSuite {
    return []*CipherSuite{
        {TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA, "TLS_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA", supportedUpToTLS12, false},
        {TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA, "TLS_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA", supportedUpToTLS12, false},
        {TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, "TLS_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256", supportedOnlyTLS12, false},
        {TLS_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384, "TLS_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384", supportedOnlyTLS12, false},

        {TLS_AES_128_GCM_SHA256, "TLS_AES_128_GCM_SHA256", supportedOnlyTLS13, false},
        {TLS_AES_256_GCM_SHA384, "TLS_AES_256_GCM_SHA384", supportedOnlyTLS13, false},
        {TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256, "TLS_CHACHA20_POLY1305_SHA256", supportedOnlyTLS13, false},

        {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA, "TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_CBC_SHA", supportedUpToTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA, "TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_CBC_SHA", supportedUpToTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA, "TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_CBC_SHA", supportedUpToTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA, "TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_CBC_SHA", supportedUpToTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, "TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256", supportedOnlyTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384, "TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384", supportedOnlyTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256, "TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_128_GCM_SHA256", supportedOnlyTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384, "TLS_ECDHE_RSA_WITH_AES_256_GCM_SHA384", supportedOnlyTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256, "TLS_ECDHE_RSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256", supportedOnlyTLS12, false},
        {TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256, "TLS_ECDHE_ECDSA_WITH_CHACHA20_POLY1305_SHA256", supportedOnlyTLS12, false},
    }
}

每个密码套件具有唯一标识值(value),这些值在https://www.iana.org/assignments/tls-parameters/tls-parameters.xml中有标准参考。

我们看到这些密码套件中的算法都是一些耳熟能详的国际标准密码算法,但并没有看到我们国家的国密的影子?我们国家的国密算法都有哪些?是否可以作为TLS握手过程使用的密码套件的一部分呢?如何基于国密算法实现一个安全传输层呢?我们接下来就正式进入国密算法(前面的铺垫有些长^_^)。

四. 国家商用密码(国密)介绍

密码算法是最基础、最重要的密码技术。国家密码管理局近十年来,先后发布了祖冲之序列密码算法、SM2~SM9等商用密码系列(SM系列)算法,构成了包含序列密码算法、对称密码算法、非对称密码算法、密码杂凑算法和标识密码算法等在内的完整、自主国产密码算法体系。2019年10月26日,第十三届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议表决通过了《中华人民共和国密码法》,并于2020年1月1日起施行。这些算法目前也已经成为ISO/IEC相关国际标准了(只是在国外的应用还极少)。

国密是国家商用密码标准的简称。商用密码是指对不涉及国家秘密内容的信息进行加密保护或者安全认证。公民、法人和其他组织可以依法使用商用密码保护网络与信息安全。所有的国密相关标准都可以在这个站点查询到:http://www.gmbz.org.cn/main/bzlb.html。国密算法用SM(“商密”二字的拼音头字母组合)作为前缀标识,比如上面提到的SM2、SM3、SM4、SM9等等。

我们较为熟悉的是像RSA、AES这样的国际标准常用密码算法。初次看到SM2、SM3等算法名字的童鞋可能会有点懵,这些算法是什么密码算法,用在哪里?SM系列密码算法有很多,我们不能一一说明,我们重点来看看与安全传输层建立与认证相关的算法:

  • SM2:椭圆曲线公钥密码算法

SM2是用在公钥基础设施(PKI)领域的椭圆曲线公钥密码算法,与大名鼎鼎的RSA算法一样,是一种用于非对称加密的算法。该算法包括3部分:数字签名算法、密钥协商算法和加密/解密算法。该算法推荐使用素域为256比特的椭圆曲线。与RSA公钥密码算法相比,SM2椭圆曲线公钥密码算法具有安全性高、密钥短、速度快等优势。256比特的SM2椭圆曲线公钥密码算法密码强度已超过RSA-2048。SM2椭圆曲线公钥密码算法使用的密钥长度通常为192~256比特,而RSA公钥密码算法通常需要1024~2048比特。在同等安全强度下,SM2椭圆曲线公钥密码算法在用私钥签名时,速度远超RSA公钥密码算法。

SM2椭圆曲线公钥密码算法广泛应用于电子政务、移动办公、电子商务、移动支付、电子证书等领域。在公钥基础设施(PKI)领域,基于SM2椭圆曲线公钥密码算法的数字证书应用最具有代表性。

  • SM3:密码杂凑算法

SM3实质就是一种密码散列函数标准,再简单地说就是Hash函数。和我们熟悉的Hash散列算法SHA-1、SHA256等一样,SM3也主要用于数字签名及验证、消息认证码(MAC)生成及验证、随机数生成等领域。

SM3密码杂凑算法消息分组长度为512比特,输出摘要长度为256比特。SM3密码杂凑算法在MD(Message Digest)结构的基础上,新增了16步全异或操作、消息双字介入、加速雪崩效应的P置换等多种设计技术,能够有效避免高概率的局部碰撞,有效抵抗强碰撞性的差分攻击、弱碰撞性的线性攻击和比特追踪攻击等密码攻击方法。SM3密码杂凑算法能够有效抵抗目前已知的攻击方法,具有较高的安全冗余,在安全级别上与SHA256相当。

  • SM4:分组密码算法

SM4分组密码算法广泛应用于有对称加解密需求的应用系统和产品,与我们熟知的AES对称加密算法具有相同用途。

SM4算法的分组长度为128比特,密钥长度为128比特,加密算法和密钥扩展算法都采用32轮非线性迭代结构,解密算法与加密算法相同,只是轮密钥的使用顺序相反,解密轮密钥是加密轮密钥的逆序。轮变换使用的模块包括异或运算、8比特输入8比特输出的S盒,以及一个32比特输入的线性置换。

在密码指标性能方面,SM4分组密码算法的S盒设计已达到欧美分组密码标准算法的水平,具有较高的安全特性。线性置换的分支数达到了最优,可以抵抗差分攻击、线性攻击、代数攻击等。它具有算法速度快、实现效率高、安全性好等优点,主要用于保护数据的机密性。

除了密码算法之外,国家密码管理局还颁布一系列周边标准,比如基于国密的SSL传输层安全协议,以下简称为国密SSL

最初的国密SSL是作为密码行业标准存在的,没有独立的协议标准定义,而是定义在SSL LPN产品的技术规范里,即《GM/T 0024-2014 SSL VPN技术规范》

后来,国密SSL从密码行业标准上升到了独立的国家标准,也就是《GB/T 38636-2020 信息安全技术 传输层密码协议(TLCP)》,新版标准基本兼容《GM/T 0024-2014 SSL VPN技术规范》,主要变化是增加了GCM的密码套件:ECC_SM4_GCM_SM3和ECDHE_SM4_GCM_SM3以及去掉了行标《GM/T 0024-2014》中的涉及SM1和RSA的密码套件。

国密SSL是参考TLS 1.1制定的:

但“遗憾”的是国密SSL与TLS协议并不兼容,这就意味着现有的各个编程语言实现的TLS实现在不经改造的前提下,是无法支持国密SSL握手过程的。

此外,前面提到的TLS握手涉及到的证书都是RSA证书(前面证书内容中Public Key Algorithm: rsaEncryption),即用RSA算法生成的公钥,用RSA算法的CA私钥签过名的证书。另一端在验证证书时,也要用RSA算法公钥(CA公钥)验证证书。如果我们要支持基于SM2算法的证书体系,需要CA、参与通信的两端都要支持SM2算法。而如今支持SM2的CA少之又少。并且,从前面我们看到的Go标准库TLS实现内置的密码套件列表来看,我们也没有看到SM2等国密算法实现的踪影

不得不说,这是当前支持国密的一个“尴尬”。

那么我们要如何支持国密证书以及国密SSL呢?我们继续向下看。

五. 基于国密证书的tls身份认证

1. 使用openssl生成国密证书并验证是否可以成功进行tls握手

openssl是加解密领域“风向标”,openssl在1.1.1版本中加入对SM系列算法的支持:

大家可以通过下面命令查看你的openssl是否支持SM2椭圆曲线公钥密码算法:

$openssl ecparam -list_curves | grep SM2
  SM2       : SM2 curve over a 256 bit prime field

如果支持,我们就可以利用该算法制作国密证书了(openssl-sm2/certs下面)。

  • 使用SM2创建server端私钥
$openssl ecparam -genkey -name SM2 -out server-sm2.key
  • 创建server csr
$openssl req -new -out server-sm2.csr -key server-sm2.key
You are about to be asked to enter information that will be incorporated
into your certificate request.
What you are about to enter is what is called a Distinguished Name or a DN.
There are quite a few fields but you can leave some blank
For some fields there will be a default value,
If you enter '.', the field will be left blank.
-----
Country Name (2 letter code) [AU]:
State or Province Name (full name) [Some-State]:
Locality Name (eg, city) []:
Organization Name (eg, company) [Internet Widgits Pty Ltd]:
Organizational Unit Name (eg, section) []:
Common Name (e.g. server FQDN or YOUR name) []:
Email Address []:

Please enter the following 'extra' attributes
to be sent with your certificate request
A challenge password []:
An optional company name []:

查看该csr:

$openssl req -in server-sm2.csr -noout -text
Certificate Request:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Subject: C = AU, ST = Some-State, O = Internet Widgits Pty Ltd
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
                Public-Key: (256 bit)
                pub:
                    04:5b:3f:7e:c7:36:43:9c:22:cf:68:34:73:7f:c2:
                    11:23:05:2d:e5:34:5f:29:30:11:c5:c4:f1:df:e2:
                    97:9d:5c:eb:6c:29:3e:d0:e3:a2:d4:6c:67:e4:4f:
                    42:90:70:a2:dc:db:a6:b4:fd:5d:53:b6:53:8e:fd:
                    a8:37:aa:5e:4b
                ASN1 OID: SM2
        Attributes:
            a0:00
    Signature Algorithm: ecdsa-with-SHA256
         30:45:02:21:00:be:4b:31:93:fb:6a:74:2f:0a:0d:8d:69:08:
         d1:ad:bf:b2:e8:02:c1:76:c5:50:01:f2:f9:c8:1e:6f:1f:4f:
         9b:02:20:2c:43:16:5f:a4:4b:fb:2d:26:13:04:e0:ef:27:d1:
         84:69:41:71:9a:aa:e8:29:1d:98:f8:0c:df:be:52:c6:9d

可以看到:

Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
ASN1 OID: SM2

sm2算法是id-ecPublicKey算法的别名(alias):

$openssl list -public-key-algorithms

... ...
Name: sm2
    Alias for: id-ecPublicKey
  • 使用mkcert创建的ca来签发证书

该ca是使用RSA算法创建的。我们用它签发sm2证书。

$openssl x509 -req -in server-sm2.csr -CA ~/.local/share/mkcert/rootCA.pem -CAkey ~/.local/share/mkcert/rootCA-key.pem -CAcreateserial -out server-sm2-signed-by-rsa-ca.pem -days 5000
Signature ok
subject=C = AU, ST = Some-State, O = Internet Widgits Pty Ltd
Getting CA Private Key

查看生成的server端证书:

$openssl x509 -in server-sm2-signed-by-rsa-ca.pem -noout -text
Certificate:
    Data:
        Version: 1 (0x0)
        Serial Number:
            5c:9c:ac:2f:03:8e:4e:72:fd:41:8a:c5:eb:8e:d4:c0:fc:0f:8a:4b
        Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
        Issuer: O = mkcert development CA, OU = tonybai@tonybai, CN = mkcert tonybai@tonybai
        Validity
            Not Before: Jul 11 06:23:28 2022 GMT
            Not After : Mar 19 06:23:28 2036 GMT
        Subject: C = AU, ST = Some-State, O = Internet Widgits Pty Ltd
        Subject Public Key Info:
            Public Key Algorithm: id-ecPublicKey
                Public-Key: (256 bit)
                pub:
                    04:5b:3f:7e:c7:36:43:9c:22:cf:68:34:73:7f:c2:
                    11:23:05:2d:e5:34:5f:29:30:11:c5:c4:f1:df:e2:
                    97:9d:5c:eb:6c:29:3e:d0:e3:a2:d4:6c:67:e4:4f:
                    42:90:70:a2:dc:db:a6:b4:fd:5d:53:b6:53:8e:fd:
                    a8:37:aa:5e:4b
                ASN1 OID: SM2
    Signature Algorithm: sha256WithRSAEncryption
         2b:67:c0:12:41:ad:da:2a:2f:9f:89:81:f1:ef:4a:4b:6d:66:
         e8:93:62:e0:68:d4:5b:0e:8a:83:2b:4d:77:36:d1:8e:f2:d6:
         92:b0:7f:db:12:78:49:ac:c4:80:2b:ca:c8:70:91:c3:2f:31:
         8d:5d:97:27:60:77:95:e6:61:7c:62:c4:f5:0c:ce:90:43:7d:
         0c:f6:4e:8d:62:f3:67:08:4b:7e:5e:ad:0b:11:13:13:30:ec:
         d2:fc:78:ae:77:ca:97:f1:eb:fd:a3:5d:0f:58:70:a0:b3:2a:
         6e:91:eb:81:37:6f:54:a9:56:9b:11:3c:4e:63:0b:a2:d7:d6:
         36:b4:7f:d2:90:c3:15:ab:9b:bf:86:98:bb:9a:1c:64:71:3b:
         92:4c:aa:89:d1:8b:03:35:34:ad:64:66:83:bc:0d:5f:38:ba:
         a0:07:82:92:1b:44:ef:72:c2:36:eb:38:84:ac:a1:d3:44:17:
         a8:7b:d5:64:f6:55:05:5f:3a:3b:b5:eb:1a:66:51:33:7a:76:
         ce:e3:cc:82:04:f2:28:70:90:3a:57:a5:db:32:08:47:f1:4d:
         81:33:87:dd:b6:dc:4f:4f:49:59:e2:ac:71:a4:2f:7e:08:14:
         b0:cd:96:2d:fb:3d:b8:f2:c5:db:de:b9:0c:fe:91:15:fb:b1:
         2e:df:23:6f:3e:26:2c:66:db:5e:e2:f6:f3:1f:23:2c:5c:70:
         1d:d1:2b:b2:6e:ae:87:c6:cd:53:44:23:b0:1d:8d:08:40:3c:
         02:87:81:1d:65:04:2a:b8:c6:f5:59:28:6a:ea:22:95:d3:e2:
         24:93:9e:6c:d6:d7:0a:25:5b:4e:4a:cf:43:4c:71:e2:1a:bf:
         26:de:27:14:38:ea:69:9c:a9:bf:12:3a:5b:65:33:4e:83:87:
         81:5e:85:2a:e3:62:c7:5d:0e:15:e7:35:06:35:45:69:db:0b:
         aa:c6:45:e4:74:93:aa:45:e8:6f:22:11:15:14:f1:5a:4e:0a:
         34:e2:74:eb:44:32

使用openssl的s_server和s_client命令验证是否可以握手成功:

$openssl s_server -tls1_2 -accept 14443 -key server-sm2.key -cert server-sm2-signed-by-rsa-ca.pem -debug -msg
Using default temp DH parameters
ACCEPT

$openssl s_client -connect 127.0.0.1:14443 -debug -msg -tls1_2

结果s_server报如下错:

... ...
>>> TLS 1.2, Alert [length 0002], fatal handshake_failure
    02 28
ERROR
139761999033664:error:1417A0C1:SSL routines:tls_post_process_client_hello:no shared cipher:../ssl/statem/statem_srvr.c:2283:
shutting down SSL
CONNECTION CLOSED

可以看到openssl虽然可以生成sm2公钥证书,但在tls 1.2协议下无法成功实现tls握手。

2. 使用gmssl进行tls握手

openssl不支持,但国内的大神基于openssl1.1.0建立了gmssl分支,这就是gmssl工程。该工程为openssl增加了对国密算法以及gm ssl协议的各种支持。接下来我们就来试试用gmssl是否可以实现基于sm2证书的tls握手成功。

gmssl工程感觉还不够成熟,安装和运行过程有一些“坑”,这里简要说说。

  • 安装gmssl
$wget -c https://github.com/guanzhi/GmSSL/archive/master.zip
$unzip master.zip
$cd master

注意在执行其他config命令之前,先在Configure文件和test/build.info这个文件中, 把

use if $^O ne "VMS", 'File::Glob' => qw/glob/;

改成:

use if $^O ne "VMS", 'File::Glob' => qw/:glob/;

否则会报下面错误:

"glob" is not exported by the File::Glob module
Can't continue after import errors at ./Configure line 18.

接下来执行下面命令生成Makefile并构建:

$./config
$make

编译后的文件在apps/gmssl,我将其cp到项目根目录下。执行gmssl:

$./gmssl
./gmssl: symbol lookup error: ./gmssl: undefined symbol: BIO_debug_callback, version OPENSSL_1_1_0d

gmssl报错了!原因是加载器加载gmssl依赖的动态共享库时选择了系统openssl的相关库了:

$ldd gmssl
    linux-vdso.so.1 (0x00007ffe9cc5b000)
    libssl.so.1.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libssl.so.1.1 (0x00007fa3ca550000)
    libcrypto.so.1.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libcrypto.so.1.1 (0x00007fa3ca27a000)
    libpthread.so.0 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0 (0x00007fa3ca257000)
    libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fa3ca065000)
    libdl.so.2 => /lib/x86_64-linux-gnu/libdl.so.2 (0x00007fa3ca05f000)
    /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fa3ca6ae000)

我们要在load时链接gmssl自己的库,需要修改一下LD_LIBRARY_PATH环境变量(这样做会导致openssl执行失败,建议不要放在全局环境变量配置中,可让其仅在某些窗口中生效):

$export LD_LIBRARY_PATH=/home/tonybai/.bin/gmssl/GmSSL-master:$LD_LIBRARY_PATH

除此之外,我们还需要做一个操作,那就是在/usr/local/ssl下放置一份openssl.cnf文件(可以从/usr/lib/ssl/openssl.cnf拷贝(openssl version -a,查看OPENSSLDIR)),否则gmssl在执行“gmssl s_server…”时会报如下错误:

Can't open /usr/local/ssl/openssl.cnf for reading, No such file or directory
139679439200896:error:02001002:system library:fopen:No such file or directory:crypto/bio/bss_file.c:74:fopen('/usr/local/ssl/openssl.cnf','r')
139679439200896:error:2006D080:BIO routines:BIO_new_file:no such file:crypto/bio/bss_file.c:81:

这里gmssl版本如下:

$gmssl version
GmSSL 2.5.4 - OpenSSL 1.1.0d  19 Jun 2019

好了,下面我们就来使用gmssl试试我们制作的sm2证书是否可以顺利完成tls握手。

// 服务端
$gmssl s_server  -accept 14443 -key server-sm2.key -cert server-sm2-signed-by-rsa-ca.pem -debug -msg -tls1_2

// 客户端
$gmssl s_client -connect 127.0.0.1:14443 -debug -msg -tls1_2 -verifyCAfile /home/tonybai/.local/share/mkcert/rootCA.pem

---
SSL handshake has read 1209 bytes and written 310 bytes
Verification: OK
---
New, TLSv1.2, Cipher is ECDHE-SM2-WITH-SMS4-GCM-SM3
Server public key is 256 bit
Secure Renegotiation IS supported
Compression: NONE
Expansion: NONE
No ALPN negotiated
SSL-Session:
    Protocol  : TLSv1.2
    Cipher    : ECDHE-SM2-WITH-SMS4-GCM-SM3
    Session-ID: 53B8799C3A6F3752C634F764EB6B136BDFD39CEB0C2E28E7DD98D86F9FF4F333
    Session-ID-ctx:
    Master-Key: 6A50D31E3AEDDDF3FC608277087FB0DAACCC791DB296142ED37DE28E0DDA56FF1BB64431B66A76C468129E00F696338D
    PSK identity: None
    PSK identity hint: None
    SRP username: None
    TLS session ticket lifetime hint: 7200 (seconds)
    TLS session ticket:
    0000 - ee d3 08 4d 21 14 dc c8-40 8c d0 c4 31 f9 16 bc   ...M!...@...1...
    0010 - 85 f9 a2 8c f4 ba cf 90-4d 38 28 03 78 b0 4a 27   ........M8(.x.J'
    0020 - 17 c4 22 df 48 ea 8c 00-5a 92 0f ba eb 8a 1a dc   ..".H...Z.......
    0030 - b3 3d b4 15 ee df fc d0-66 59 5c c2 23 9e a4 4f   .=......fY\.#..O
    0040 - e0 77 54 b1 18 af 73 b0-b4 6a a7 c7 c7 d3 a4 a4   .wT...s..j......
    0050 - 8f 49 ff c7 bc 47 b5 19-09 21 4c db 71 76 d9 a5   .I...G...!L.qv..
    0060 - 49 0b c9 5d 09 b2 da b9-cc ec 04 5a 90 27 07 5f   I..].......Z.'._
    0070 - 2b f2 55 5c f4 69 01 32-90 f5 3a 19 b5 47 84 4c   +.U\.i.2..:..G.L
    0080 - 1c 64 66 63 f3 01 ab fe-b1 70 f7 98 b5 cc 23 8e   .dfc.....p....#.
    0090 - aa f4 1d 8a 79 5e 79 b7-04 f6 69 ed 62 d9 c7 ae   ....y^y...i.b...

    Start Time: 1657529930
    Timeout   : 7200 (sec)
    Verify return code: 0 (ok)
    Extended master secret: yes

从客户端的输出来看,在明确ca证书位置的情况下(使用-verifyCAfile),可以正确验证server端发来的sm2证书(见“Verify return code: 0 (ok)”)。

六. 使用Go实现tls/tlcp自适应双向认证

gmssl为我们展示了一条支持国密的路径,即基于已有的开源项目的实现进行改造。Go标准库并不支持国密,因此在Go社区借鉴标准库中crypto的中算法以及tls包的结构,实现了对sm系列算法以及国密ssl的支持,tjfoc/gmsm就是其中之一。

注:gmssl也提供了Go API接口,底层通过cgo调用gmssl C代码实现。

gmsm不仅提供了国密算法的相关实现,还实现了tls与tclp协议的自适应支持。在这一小节,我们就用gmsm来演示一个tls/tlcp自适应双向认证的例子。

1. 准备SM2国密公钥证书

按照gmsm自适应tls/tlcp实现的要求,我们需要先准备一堆证书(tlcp与tls不同,其加密与签名是由两个证书分别完成的,而不仅仅是tls的一个证书),包括:

  • rsa: 基于rsa的CA证书、server证书和client证书
  • gm: 基于gm的CA证书、server签名(sign)和加密(enc)证书、client端验证(auth)证书。

考虑到mkcert不支持国密,这里我们切换到用gmssl来创建这些证书。我将创建证书的命令集中在两个shell脚本中:gen_rsa_cert.sh和gen_gm_cert.sh,前者用于创建基于RSA的各种证书,后者则是创建基于国密的各种证书。这两个脚本的源码如下:

  • gen_rsa_cert.sh
// gmssl-examples/gmsm-tls-and-tlcp/certs/gen_rsa_cert.sh

#!/bin/bash

## RSA Certs

### CA
gmssl genpkey -out ca-rsa-key.pem -algorithm RSA -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
gmssl req -x509 -new -nodes -key ca-rsa-key.pem -subj "/CN=myca.com" -days 5000 -out ca-rsa-cert.pem 

### server key and cert
gmssl genpkey -out server-rsa-key.pem -algorithm RSA -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
gmssl req -new -key server-rsa-key.pem -subj "/CN=example.com" -out server-rsa.csr
gmssl x509 -req -in server-rsa.csr -CA ca-rsa-cert.pem -CAkey ca-rsa-key.pem -CAcreateserial -out server-rsa-cert.pem -days 5000  -extfile ./server.cnf -extensions ext
gmssl verify -CAfile ca-rsa-cert.pem server-rsa-cert.pem

### client key and cert
gmssl genpkey -out client-rsa-key.pem -algorithm RSA -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
gmssl req -new -key client-rsa-key.pem -subj "/CN=client1.com" -out client-rsa.csr
gmssl x509 -req -in client-rsa.csr -CA ca-rsa-cert.pem -CAkey ca-rsa-key.pem -CAcreateserial -out client-rsa-cert.pem -days 5000 -extfile ./client.cnf -extensions ext
gmssl verify -CAfile ca-rsa-cert.pem client-rsa-cert.pem
  • gen_gm_cert.sh
#!/bin/bash

## SM CA

gmssl genpkey -algorithm EC -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2p256v1 -out ca-gm-key.pem
gmssl req -x509 -new -nodes -key ca-gm-key.pem -subj "/CN=myca.com" -days 5000 -out ca-gm-cert.pem

### server: sign key and cert

gmssl genpkey -algorithm EC -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2p256v1 -out server-gm-sign-key.pem
gmssl req -new -key server-gm-sign-key.pem -subj "/CN=example.com" -out server-gm-sign.csr
gmssl x509 -req -in server-gm-sign.csr -CA ca-gm-cert.pem -CAkey ca-gm-key.pem -CAcreateserial -out server-gm-sign-cert.pem -days 5000 -extfile ./server.cnf -extensions ext

gmssl verify -CAfile ca-gm-cert.pem server-gm-sign-cert.pem

### server: enc key and cer

gmssl genpkey -algorithm EC -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2p256v1 -out server-gm-enc-key.pem
gmssl req -new -key server-gm-enc-key.pem -subj "/CN=example.com" -out server-gm-enc.csr
gmssl x509 -req -in server-gm-enc.csr -CA ca-gm-cert.pem -CAkey ca-gm-key.pem -CAcreateserial -out server-gm-enc-cert.pem -days 5000 -extfile ./server.cnf -extensions ext

gmssl verify -CAfile ca-gm-cert.pem server-gm-enc-cert.pem

### client: auth key and cert

gmssl genpkey -algorithm EC -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2p256v1 -out client-gm-auth-key.pem
gmssl req -new -key client-gm-auth-key.pem -subj "/CN=client1.com" -out client-gm-auth.csr
gmssl x509 -req -in client-gm-auth.csr -CA ca-gm-cert.pem -CAkey ca-gm-key.pem -CAcreateserial -out client-gm-auth-cert.pem -days 5000 -extfile ./client.cnf -extensions ext

gmssl verify -CAfile ca-gm-cert.pem client-gm-auth-cert.pem

关于上面两个脚本,有几点说明一下:

  1. 我们建立了两个CA,一个基于RSA,一个基于国密算法;这两个CA分别用于签发基于RSA的证书与基于国密的证书;
  2. 在生成证书中我们用到了x509证书的扩展属性subjectAltName、extendedKeyUsage和keyUsage。

如果不使用subjectAltName扩展属性,Go语言的x509校验会报如下错误(在Go 1.18及后续版本中,即便设置GODEBUG=x509ignoreCN=0也不行):

certificate relies on legacy Common Name field, use SANs instead

同样Go也会对keyUsage做严格校验,如果是用来签名的证书中keyUsage不包含digitalSignature等,握手时也会报错:

tls: the keyusage of cert[0] does not exist or is not for KeyUsageDigitalSignature

server.cnf与client.cnf的内容如下:

// server.cnf
[req]
prompt = no
distinguished_name = dn
req_extensions = ext
input_password = 

[dn]
CN = example.com
emailAddress = webmaster@example.com
O = hello Ltd
L = Beijing
C = CN

[ext]
subjectAltName = DNS:example.com
extendedKeyUsage = clientAuth,serverAuth
keyUsage = critical,digitalSignature,keyEncipherment

// client.cnf

[req]
prompt = no
distinguished_name = dn
req_extensions = ext
input_password = 

[dn]
CN = client1.com
emailAddress = webmaster@client1.com
O = hello Ltd
L = Beijing
C = CN

[ext]
subjectAltName = DNS:client1.com
extendedKeyUsage = clientAuth
keyUsage = critical,digitalSignature,keyEncipherment

执行bash gen_rsa_cert.sh和bash gen_gm_cert.sh生成所有示例需要的证书:

$ls *.pem|grep -v key
ca-gm-cert.pem
ca-rsa-cert.pem
client-gm-auth-cert.pem
client-rsa-cert.pem
server-gm-enc-cert.pem
server-gm-sign-cert.pem
server-rsa-cert.pem

2. 支持tls与tlcp自适应的server

下面是支持tls与tlcp自适应的server的源码:

// gmssl-examples/gmsm-tls-and-tlcp/server/server.go
const (
    rsaCertPath     = "certs/server-rsa-cert.pem"
    rsaKeyPath      = "certs/server-rsa-key.pem"
    sm2SignCertPath = "certs/server-gm-sign-cert.pem"
    sm2SignKeyPath  = "certs/server-gm-sign-key.pem"
    sm2EncCertPath  = "certs/server-gm-enc-cert.pem"
    sm2EncKeyPath   = "certs/server-gm-enc-key.pem"
)

func main() {
    pool := x509.NewCertPool()
    rsaCACertPath := "./certs/ca-rsa-cert.pem"
    rsaCACrt, err := ioutil.ReadFile(rsaCACertPath)
    if err != nil {
        fmt.Println("read rsa ca err:", err)
        return
    }
    gmCACertPath := "./certs/ca-gm-cert.pem"
    gmCACrt, err := ioutil.ReadFile(gmCACertPath)
    if err != nil {
        fmt.Println("read gm ca err:", err)
        return
    }
    pool.AppendCertsFromPEM(rsaCACrt)
    pool.AppendCertsFromPEM(gmCACrt)

    rsaKeypair, err := tls.LoadX509KeyPair(rsaCertPath, rsaKeyPath)
    if err != nil {
        fmt.Println("load rsa x509 keypair error:", err)
        return
    }
    sigCert, err := tls.LoadX509KeyPair(sm2SignCertPath, sm2SignKeyPath)
    if err != nil {
        fmt.Println("load x509 gm sign keypair error:", err)
        return
    }
    encCert, err := tls.LoadX509KeyPair(sm2EncCertPath, sm2EncKeyPath)
    if err != nil {
        fmt.Println("load x509 gm enc keypair error:", err)
        return
    }

    cfg, err := tls.NewBasicAutoSwitchConfig(&sigCert, &encCert, &rsaKeypair)
    if err != nil {
        fmt.Println("load basic config error:", err)
        return
    }

    cfg.MaxVersion = tls.VersionTLS12
    cfg.ClientAuth = tls.RequireAndVerifyClientCert
    cfg.ClientCAs = pool

    listener, err := tls.Listen("tcp", ":18000", cfg)
    if err != nil {
        fmt.Println("listen error:", err)
        return
    }

    for {
        conn, err := listener.Accept()
        if err != nil {
            fmt.Println("accept error:", err)
            return
        }
        fmt.Println("accept connection:", conn.RemoteAddr())
        go func() {
            for {
                // echo "request"
                var b = make([]byte, 16)
                _, err := conn.Read(b)
                if err != nil {
                    fmt.Println("connection read error:", err)
                    conn.Close()
                    return
                }

                fmt.Println(string(b))
                _, err = conn.Write(b)
                if err != nil {
                    fmt.Println("connection write error:", err)
                    return
                }
            }
        }()
    }
}

说明一下:

  • 这里的tls包是并非标准库crypto/tls包,而是github.com/tjfoc/gmsm/gmtls。
  • 由于要自适应tls/tlcp,我们加载了两个CA证书,一个是基于RSA创建的CA证书,一个是基于gm创建的CA证书,用于分别对tls协议和tlcp协议的客户端身份进行验证;
  • 服务端加载了用于tls连接的RSA的server证书:rsaCertPath,同时也加载了用于tlcp连接的server端双证书:sm2SignCertPath和sm2EncCertPath。

3. tls client

用于该示例的tls client与前面的echoclient十分类似,只不过加载的证书从mkcert生成的cert.pem改为certs/client-rsa-cert.pem,CA证书使用了我们刚刚生成的./certs/ca-rsa-cert.pem。

其他部分没有变化。这里就不罗列源码了,大家可以自行阅读gmssl-examples/gmsm-tls-and-tlcp/tlsclient/client.go

4. tlcp client

和tls client相比,我们只是将CA换为./certs/ca-gm-cert.pem,加载的client证书换成了certs/client-gm-auth-cert.pem,其他部分没有变化。这里也不罗列源码了,大家可以自行阅读gmssl-examples/gmsm-tls-and-tlcp/tlcpclient/client.go

5. 验证tls/tlcp自适应双向认证

通过make命令可以一键构建出上述的server、tlsclient和tlcpclient。

启动server:

$./echoserver

启动tlsclient,验证tls双向认证:

$./echo_tls_client
connect ok
hello, tls
hello, tls
... ...

如果看到上面的tls client输出,说明tls连接建立和双向验证ok。

我们再来启动tlcp client,验证tlcp双向认证:

$./echo_tlcp_client
connect ok
reply: h
reply:
reply: e
reply: llo, tlcp
reply: h
reply:
reply: e
reply: llo, tlcp
reply: h
reply:
reply: e
reply: llo, tlcp
... ..

我们看到虽然tlcp连接建立成功并成功完成双向认证,但是基于已建立的tlcp的读写操作似乎并不想tls client那样“工整”,对应着server那端的输出如下:

accept connection: 127.0.0.1:58088
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp
h
ello, tlcp

虽然两段的数据都是完整的,没有丢失,但发送与接收的“效率”大幅下降,client端发出的一个“hello, tlcp”数据似乎是被分为两次发送出去的。而服务端给客户端的Reply更是分成了“四段”发送的,目前还没有调查为何会出现这种情况,也许与tjfoc/gmsm的实现有关。

注:实测:tjfoc/gmsm尚不支持在tls协议握手时使用rsa CA证书签发的采用gm算法生成的sm2证书,可以参见gmssl-examples/gmsm-tls-and-tlcp/server_gm和tlsclient_gm。

七. 小结

国密是中国密码标准,和国际密码标准相比,有一定的后发优势,但由于在国际上应用很少,其安全性虽然得到了形式验证,但似乎尚未得到实践中的大规模考验。基于国密的tlcp协议由于与tls不兼容,也导致其在应用上受到了极大的限制。

虽然有gmssl、有像tjfoc/gmsm这样的项目,但总体感觉国密在参考实现方面还不够成熟,生态还很欠缺,国家密码局在推广国密方面往往更多从法规层面。各个厂家往往都是因甲方需要国密而去满足要求,并没有原生推动国密的动力(譬如我们^_^)。

因此,国密任重道远啊。

本文内容仅供参考,可能有理解不正确和代码错误的地方,欢迎指正。

文中示例代码可以在这里下载。

八. 参考资料


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