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國(guó)密——密碼算法的國(guó)產(chǎn)化

說到密碼算法，大家一定很熟悉 MD5，AES，RSA 這些通用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)算法，這也是目前我們普遍采用的密碼學(xué)算法，它們?cè)跀?shù)據(jù)安全、通信、區(qū)塊鏈等眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

眾所周知，這些算法標(biāo)準(zhǔn)都是國(guó)外制定的，在某些情況下這會(huì)對(duì)國(guó)內(nèi)信息安全有不利影響。當(dāng)下有實(shí)力的國(guó)家，甚至有些大公司都制定了自己的算法標(biāo)準(zhǔn)。

顧名思義，國(guó)密就是密碼算法的國(guó)產(chǎn)化，跟其它領(lǐng)域一樣，密碼算法的國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)勢(shì)不可擋，這也是我們必須要做的事情。中國(guó)的國(guó)密算法為我們提供了一個(gè)新的選擇，在必要的場(chǎng)合中可以選擇替代那些國(guó)際主流算法，尤其是當(dāng)下國(guó)際貿(mào)易沖突，技術(shù)封鎖不可忽視的大環(huán)境下，大規(guī)模推廣和采用國(guó)密算法將為國(guó)內(nèi)重要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供可靠的數(shù)據(jù)安全保障。

國(guó)密是什么？

我是誰，從哪里來？

國(guó)密是一個(gè)口語化的稱呼，官方名稱是國(guó)家商用密碼，簡(jiǎn)稱商密，拼音縮寫是SM，這也是國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)中具體算法名字的來源。國(guó)密是用于商用的、不涉及國(guó)家秘密的密碼技術(shù)。

國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)完全由中國(guó)密碼管理局制定，主要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)也基本是國(guó)內(nèi)開發(fā)人員完成的，這對(duì)擺脫國(guó)外的密碼技術(shù)和產(chǎn)品依賴是非常有利的。

到哪里去？

自2012 以來，SM2/3/4 的國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)公布，目前國(guó)密技術(shù)生態(tài)基本處于一個(gè)正在逐步走向成熟的階段，但國(guó)內(nèi)密碼基礎(chǔ)軟件在采用國(guó)密算法方面仍處于碎片化的狀態(tài)，比如我們經(jīng)常可以看到各種個(gè)人或組織名義開源的支持國(guó)密算法的庫(kù)；此外這些開源項(xiàng)目的安全更新和社區(qū)活躍也都做的不好。國(guó)密的推廣仍然需要我們中國(guó)基礎(chǔ)軟件的開發(fā)者和用戶共同努力。

2020年1月1日，《中華人民共和國(guó)密碼法》正式實(shí)施，從法律層面規(guī)范了國(guó)家商用密碼的應(yīng)用和管理，這也為推廣和應(yīng)用國(guó)密提供了必要的法律保障。

與國(guó)際算法的對(duì)比

這里是國(guó)密算法和國(guó)際通用算法的一個(gè)對(duì)比，可以直觀地看到國(guó)密的一個(gè)基本情況：

針對(duì)各種常用的國(guó)際能用算法類型，比如對(duì)稱算法，公鑰算法和消息摘要算法，國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)都定義了對(duì)應(yīng)的相同功能的國(guó)密算法，比如 SM4 提供了與 AES 同樣的加密強(qiáng)度，并且支持各種加密模式；SM2 是基于橢圓曲線的公鑰算法，同時(shí)定義了非對(duì)稱加解密，數(shù)字簽名和密鑰交換標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于 RSA，SM2 的密鑰更短，但支持的加密強(qiáng)度卻更高；SM3 是國(guó)密定義的消息摘要算法標(biāo)準(zhǔn)，摘要長(zhǎng)度是固定的256位，強(qiáng)度等同于 SHA256。

除了基礎(chǔ)的算法，國(guó)密標(biāo)準(zhǔn)也定義了TLCP國(guó)密雙證書協(xié)議，用以支持國(guó)內(nèi)的傳輸層安全協(xié)議。這里還有一個(gè)好消息，今年三月份，TLS1.3+ 國(guó)密單證書協(xié)議正式被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所承認(rèn)，并且以 RFC8998 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，這意味著我們可以選擇在TLS1.3協(xié)議中使用完整的國(guó)密套件，目前我們也在聯(lián)系正規(guī)瀏覽器廠商支持這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和應(yīng)用。

同時(shí)國(guó)密也定義了使用國(guó)密算法的 X509 證書，使用 SM3 哈希算法，SM2 算法作為數(shù)字簽名，證書類型是 SM2-with-SM3。

對(duì)開發(fā)者來說，國(guó)密提供了一個(gè)選擇，可以選擇從國(guó)際通用算法平滑遷移過來。除此之外，國(guó)密還有其它一些算法標(biāo)準(zhǔn)，是不太常用的，比如 SM9，ZUC 算法等。

BabaSSL 的前世今生

BabaSSL 是主打國(guó)密的密碼算法庫(kù)，與 OpenSSL 1.1.1 保持兼容，作為國(guó)密的密碼算法解決方案而誕生。

BabaSSL 是基于之前螞蟻集團(tuán)和阿里集團(tuán)內(nèi)部的 OpenSSL 版本合并而來，并首次進(jìn)行了開源。BabaSSL 的含義是：靈巧、輕快且靠譜的密碼學(xué)和 SSL/TLS 工具庫(kù)。

BabaSSL 的綠色商標(biāo)，是基于阿里的橙色和螞蟻的藍(lán)色混合而來，也意味著我們希望將 BabaSSL 打造成一個(gè)靈活、小巧并且健壯的基礎(chǔ)密碼學(xué)庫(kù)。

BabaSSL 目前在阿里集團(tuán)和螞蟻集團(tuán)內(nèi)部得到了非常廣泛的使用。從具體場(chǎng)景來看，有如下三個(gè)方面，分別是存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)和端上的設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的場(chǎng)景，是BabaSSL 最大的支撐場(chǎng)景，例如淘寶、天貓、阿里云等各種涉及到鏈路加密的服務(wù)器端。此外移動(dòng)端 App，例如支付寶手機(jī) App 中集成了 BabaSSL 來實(shí)現(xiàn)多種密碼學(xué)的能力。

開源

BabaSSL 已經(jīng)在去年的10月份進(jìn)行了開源，目前代碼是托管在 OpenAnolis 上，當(dāng)前開源的版本是 8.2.0，也是我們目前最新的穩(wěn)定版本。

目前 BabaSSL 在阿里內(nèi)部使用的版本和開源版本之間存在一定的差異，我們目前正在逐步把內(nèi)部版本的功能特性遷移到開源版本上進(jìn)行開源，最終變成一個(gè)統(tǒng)一的開源版本，那么屆時(shí)阿里內(nèi)部也完全依賴于這個(gè)開源的版本，而不會(huì)再保留內(nèi)部的閉源版本。

特色功能以下是 BabaSSL 當(dāng)前最新穩(wěn)定版本 8.2.0 的主要特色功能特性：

基于 OpenSSL 1.1.1，具備 OpenSSL 1.1.1的全部能力并且保持兼容
支持國(guó)密 SM2, SM3和 SM4，并對(duì) OpenSSL 1.1.1中所欠缺的 SM2 能力，比如 X509 證書的簽發(fā)和驗(yàn)證功能進(jìn)行了補(bǔ)全
GM/T 0024 和 TLCP 國(guó)密雙證書TLS協(xié)議
支持 RFC 8998：TLS 1.3+國(guó)密單證書
提供了對(duì) IETF 正在標(biāo)準(zhǔn)化過程中的 Delegated Credentials
支持 IETF QUIC API 底層密碼學(xué)能力
更加完善的 SM2 算法支持，比如 X.509 證書簽發(fā)、驗(yàn)簽的支持
正在申請(qǐng)軟件密碼模塊一級(jí)資質(zhì)

與OpenSSL對(duì)比

接下來是大家很關(guān)心的 BabaSSL 和 OpenSSL 這種老牌的密碼算法庫(kù)之間的區(qū)別：

從圖上可以看到一些主要區(qū)別：

對(duì)于一些新的密碼學(xué)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，BabaSSL 會(huì)采取一種相對(duì)激進(jìn)的策略快速跟進(jìn)，比如在 IETF 中一些正在標(biāo)準(zhǔn)化流程中的技術(shù)方案，例如 delegated credentials, compact TLS 等，會(huì)進(jìn)行原型的實(shí)現(xiàn)和快速跟進(jìn)，而 OpenSSL則是相對(duì)保守，因?yàn)?OpenSSL 社區(qū)的策略是原則上只實(shí)現(xiàn)已經(jīng)發(fā)布了的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
在對(duì)于國(guó)密算法、國(guó)密協(xié)議、國(guó)密的監(jiān)管合規(guī)、云計(jì)算廠商的深度集成、以及國(guó)產(chǎn)化硬件等方面，BabaSSL 會(huì)進(jìn)行更加深度和廣泛的支持，而 OpenSSL 則支持的比較有限。
對(duì)于API的易用程度，由于沒有歷史包袱，所以 BabaSSL 可以提供更加簡(jiǎn)單易用的 API，而 OpenSSL 的 API 則相對(duì)復(fù)雜。對(duì)于資源受限的嵌入式設(shè)備，BabaSSL 會(huì)進(jìn)行體積裁剪和內(nèi)存使用量的規(guī)劃，OpenSSL 則明確表示沒有相關(guān)的計(jì)劃。

未來規(guī)劃

這個(gè)是一個(gè)后續(xù) BabaSSL 未來的版本規(guī)劃和特性支持，基本上是每半年一個(gè)版本，涵蓋了多種新的密碼領(lǐng)域技術(shù)的支持，包括對(duì)IETF的幾個(gè) RFC 草稿的實(shí)現(xiàn)、國(guó)產(chǎn)化硬件的支持以及未來對(duì)于后量子密碼學(xué)以及同態(tài)加密等前沿技術(shù)的支持：

支持 MPK
Encrypted SNI
Compressed Certificate
Compact TLS
SM算法優(yōu)化
支持國(guó)產(chǎn)化 CPU 的國(guó)密算法指令集
體積裁剪，內(nèi)存使用量?jī)?yōu)化
Tink API
ZUC，SM9
PQC同態(tài)加密算法

國(guó)密生態(tài)架構(gòu)

萬事俱備，有了基礎(chǔ)國(guó)密算法支持，我們便可以構(gòu)建出一個(gè)圍繞國(guó)密算法展開的基礎(chǔ)軟件生態(tài)。這是一個(gè)國(guó)密生態(tài)的垂直場(chǎng)景，也是我們?cè)?Anolis OS 上的國(guó)密生態(tài)架構(gòu)，同時(shí)它也是一個(gè)全棧國(guó)密解決方案：從底層固件，內(nèi)核，到基礎(chǔ)密碼學(xué)庫(kù)，在主要鏈路上做國(guó)密改造，最終形成一個(gè)完整的基于國(guó)密的安全信任鏈條。

圖上右邊是一些垂直的國(guó)密應(yīng)用場(chǎng)景，比如 SecureBoot，IMA，內(nèi)核模塊簽名，文件完整性校驗(yàn)等。

到目前為止，我們已經(jīng)在 linux 內(nèi)核，BabaSSL，libgcrypt，gnulib 等主流的基礎(chǔ)組件中支持了國(guó)密算法，這部分的工作都已經(jīng)回饋到了上游開源社區(qū)，有興趣的開發(fā)者可以直接拿來使用或者作為參考，這些特性功能之后也會(huì)率先在 Anolis OS 上輸出，達(dá)到一個(gè)開箱即用的原生支持國(guó)密的 OS。

從中也能看到，國(guó)密生態(tài)涉及到的軟件棧非常多，形態(tài)也是各種各樣，要逐步完善這個(gè)生態(tài)，還有很長(zhǎng)的路要走。近幾年的國(guó)際技術(shù)封鎖也給了我們做這件事的決心和動(dòng)力。

目前我們已經(jīng)和統(tǒng)信、海光等廠商有一些合作，也非常歡迎業(yè)界有興趣的開發(fā)者能夠參與到社區(qū)，一起來做這個(gè)事情，之后我們的工作都會(huì)在 Anolis 龍蜥社區(qū)以開源方式運(yùn)作，秉著開放包容態(tài)度，繼續(xù)補(bǔ)充完善這個(gè)生態(tài)，最終達(dá)到的一個(gè)目標(biāo)是：整個(gè)安全信任鏈?zhǔn)峭耆⒃趪?guó)密算法之上。

國(guó)密在 IMA 和 modsign 的應(yīng)用

我們知道，密碼學(xué)算法從來就是為安全服務(wù)的，我們來看兩個(gè)在安全領(lǐng)域具體國(guó)密改造的例子。

IMA 是 linux 內(nèi)核提供一個(gè)文件完整性度量架構(gòu)，用于檢測(cè)文件是否被惡意篡改，內(nèi)核模塊簽名的目的是類似的，用于檢測(cè)模塊的發(fā)行源頭是否可信。它們都提供了自己的簽名工具，簽名工具依賴 BabaSSL 提供的 SM2 簽名文件的能力，用于在用戶態(tài)做簽名。

文件簽名的驗(yàn)證是在內(nèi)核里完成的，由于內(nèi)核不能直接使用應(yīng)用層的庫(kù)，為了支持在Linux內(nèi)核里驗(yàn)證文件簽名，我們?cè)趦?nèi)核里實(shí)現(xiàn)了國(guó)密 SM2/3/4 算法以及國(guó)密證書的支持，用來驗(yàn)證簽名是否合法。

通過對(duì)相應(yīng)軟件棧的改造，我們完全基于國(guó)密算法構(gòu)建了IMA和內(nèi)核模塊簽名的安全機(jī)制，而這些之前都是由國(guó)際算法來保證的。

全棧國(guó)密 SIG

以下是我們?cè)贠penAnolis上的全棧國(guó)密 SIG，非常歡迎有興趣的開發(fā)能參與到社區(qū)中來，為中國(guó)的基礎(chǔ)軟件安全添磚加瓦。

SIG地址

https://openanolis.cn/sig/crypto

代碼庫(kù)

https://codeup.openanolis.cn/codeup/crypto