19. 国密TLS设计和实现

19.1. 背景

互联网上传输的数据,每时每刻都存在着被窃听和篡改的风险, SSL/TLS协议 在保护用户 数据机密性、完整性以及身份鉴别 等方面发挥了重大作用。国际通用TLS协议并不包含中国国密局推荐使用的商用密码算法 (即 国密算法 ) 套件,而绝大部分的编程语言原生TLS实现、第三方开源TLS实现大都不支持国密套件。随着国内安全合规、自主可控政策的指引, 国密TLS 的需求也越来越大,尤其在金融、政务领域已然成为刚需。与此同时,国密相关密码产品大多依托于硬件或者芯片,存在价格昂贵,部署成本高,部分中小企业用户难以承担的问题。 国密软件产品存在以下问题也急需解决:

  1. 未形成国密权威密码实现库,开源生态不活跃

  2. 国密TLS实现不完善,各语言版本支持现状参差不齐。

国密算法套件包括 SM2 签名、SM2 非对称加密、SM3 杂凑函数 (哈希)、SM4 对称加密,以及一个国密密钥协商协议。要在安全信道中完全使用国密算法,对TLS协议实现、与其相关的X509协议实现都需要做大量的改造适配。应用层的协议 (GRPC、HTTP等) 在实现上也需要做相应的适配。

长安链致力于打造国内完全自主可控区块链,启用全国密算法,支持国密TLS成为必要需求。 本文主要内容:

  1. 长安链国密支撑整体设计思路

  2. 长安链国密TLS支持现状

  3. 长安链国密未来工作

19.2. 整体设计思路

密码技术 作为长安链底层重要技术之一,在主项目chainmaker-go,ca服务、中间件以及SDK中都有深度应用。长安链在整体设计上,综合考虑了 算法性能、扩展性、标准化 等方面,密码相关组件如下:

  1. 密码算法库:提供统一密码算法接口,支持不同密码算法以及实现的扩展。

  2. 密码协议库:支持标准TLS,包括国际标准和国密标准

  3. 密码应用:长安链密码技术应用依赖于“密码算法库”和“密码协议库”,解耦具体实现细节。

19.3. TLS支持现状

长安链后端服务采用 Golang语言 实现,通过grpc对外提供区块链服务。生态工具SDK支持Golang、Java等不同语言。目前为止,长安链已经完成了区块链服务与客户端SDK,区块链网络节点之间的 双向国密TLS通信 。 长安链服务调用以及国密TLS支撑图如下:

  1. golang服务端:底层基于grpc通信,其中tls握手采用长安链密码协议库(支持国密TLS以及国际TLS协议)

  2. golang客户端:同上

  3. java客户端:由于java调用长安链golang密码协议库支持国密TLS,工作量较大并且维护困难,实现上采用了比较成熟的netty-tcnative + 国密openssl方式。

19.3.1. 密码算法库

长安链密码算法库 采用golang语言实现,目前支持主流国际密码算法AES、RSA、ECC以及SHA系列算法,并已经全面支持SM2、SM3以及SM4国密算法。底层国密实现目前采用了tjfoc密码库。

19.3.2. 密码协议库

长安链密码协议库 包含 国密x509、国密TLS ,并兼容国际x509、国际TLS标准。 国密TLS实现库包含 golang 国密tlsjava国密tls 两个实现。

  1. golang国密tls:在golang标准库(golang1.14版本)基础上,增加了SM2算法、SM3算法、国密X509以及SM2-SM3算法套件支持,并独立为单独的国密协议库。

  2. java国密tls:包含国密算法部分和国密TLS协议两个部分。 国密算法部分 Java侧由 Java标准库CurveDB类 提供,国密通过反射机制注入到Java标准库,国密算法实现自主研发,符合国密算法标准。 国密TLS协议 部分主要由长安链 国密openssl 提供,Java侧通过反射机制将SM3WithSM2标识注入到netty ssl io.netty.handler.ssl.ExtendedOpenSslSession 支持的签名算法 LOCAL_SUPPORTED_SIGNATURE_ALGORITHMS 列表中,Java netty通过netty-tcnative调用openssl底层密码功能。目前 netty-tcnative 已支持macOS、linux、windows以及linux_aarch等平台,并在长安链chainmaker-java-sdk中实现了 平台兼容性 ,用户只要下载长安链官方java sdk就可以实现客户端与链的国密TLS通信,无需关心netty-tcnative国密的跨平台问题。

19.3.3. 国密openssl

长安链的国密openssl实现是在OpenSSL-1.1.1l的基础上改造的。OpenSSL 在 1.1.1 版本中引入了国密算法的实现,但是仅仅提供了算法接口,没有把国密算法引入到任何通信协议中去支持。 长安链国密openssl把国密算法的支持加入到 X509协议 中。主要包括:

  1. 按PKCS8标准实现SM2私钥的编码序列化;

  2. 按PKIX定义的公钥编码方式实现SM2算法公钥的序列化;

  3. 实现ECC编码的SM2签名的序列化;

  4. 将SM2算法、SM3算法、SM2-SM3算法套件、SM2曲线的OID引入到X509的逻辑中。

完成了X509协议的国密支持后,进一步改造了 TLS协议 ,主要包括:

  1. 把国密算法套件加入到支持的密码算法包列表中,以供server、client两端进行算法套件的协商

  2. 在ECDSA对应的协议套件中去支持了国密算法的逻辑

  3. 身份认证阶段,使用改造过的x509协议进行国密证书验证。

19.4. 未来工作

  1. 支持 高性能国密库 实现:长安链开源的国密算法库目前仅支持tjfoc一种实现,与北大gmssl使用C语言实现的密码库相比存在数量级上的差距。

  2. 支持 国密双证书 体系:目前长安链国密TLS在国密证书、国密算法SM2和SM3上进行了支持,在与标准国密SSL互联互通上还需要进一步改进和完善。

19.5. 备注

目前长安链已经在v2.1.0_alpha版本支持国密TLS
java sdk地址: sdk-java

netty-tcnative国密jar包基于长安链国密openssl以及netty-tcnative的2.0.39.Final版本,构建流程参考
netty-tcnative官方地址: netty-tcnative wiki