18. 硬件加密

18.1. 概述

目前大多数区块链项目,用户私钥和节点私钥通常以文件的形式存放在硬盘上,虽然文件可以通过口令进行加密存储,但仍然存在被窃取和破译风险,在某些金融和政务场景下 不符合安全、合规的要求。为了满足以上需求,长安链支持对接硬件加密设备,通过硬件设备对私钥进行安全存储;并通过硬件密码服务处理加密和签名操作。节点服务、CA证书服务以及sdk均可以选择硬件密码设备进行加密或签名。

18.2. 整体设计

为了保证不强制绑定特定厂商硬件密码设备,设计上采用pkcs11接口来对接硬件密码设备,提供私钥保护和加密功能。
私钥生命周期管理依托于符合国密局要求的硬件密码设备提供,其中加密/签名操作调用栈如下:

硬件密码设备:硬件加密机,加密卡等
设备接入层:硬件密码设备接入方式和接入配置, 需要支持pkcs11标准
密码接口层:屏蔽底层设备调用,为上层应用提供统一的密码服务。
密码应用层:加密或签名应用,如交易签名,共识签名等。

18.2.1. 硬件密码设备

密码设备厂商提供, 略

18.2.2. 设备接入层

密码设备厂商提供,略

18.2.3. 密码接口层

18.2.3.1. 密码接口设计

// 私钥签名接口
type PrivateKey interface {

   // 私钥签名
   Sign(data []byte) ([]byte, error)

   SignWithOpts(data []byte, opts *SignOpts) ([]byte, error)

   // 返回公钥
   PublicKey() PublicKey

   // 转换为crypto包中的 PrivateKey 接口类
   ToStandardKey() crypto.PrivateKey
}
// === 对称密钥加解密接口 ===
type SymmetricKey interface {

   // 加密接口
   Encrypt(plain []byte) ([]byte, error)
   EncryptWithOpts(plain []byte, opts *EncOpts) ([]byte, error)

   // 解密接口
   Decrypt(ciphertext []byte) ([]byte, error)
   DecryptWithOpts(ciphertext []byte, opts *EncOpts) ([]byte, error)
}
//初始化pkcs11 handle(创建session连接池并验证登陆)
func New(lib string, label string, password string, sessionCacheSize int, hash string) (*P11Handle, error) {
   //略
}

18.2.3.2. 密码接口实例化

//pkcs11对称密钥接口实例化
func NewSecretKey(p11 *P11Handle, keyId string, keyType bccrypto.KeyType) (bccrypto.SymmetricKey, error){
   //略
}

//pkcs11公钥密钥接口实例化
func NewPrivateKey(p11 *P11Handle, keyId string, keyType bccrypto.KeyType) (bccrypto.PrivateKey, error){
   //略
}

说明:

  1. keyId:硬件密码机中,密钥id标识,对应pkcs11标准中CKA_ID或者CKA_LABEL字段

  2. keyType:密钥类型,目前支持RSA,ECDSA,AES,SM2,SM4

18.2.4. 密码应用层

18.2.4.1. 硬件加密配置

//硬件加密配置项(以下配置项与密码设备相关)
pkcs11:
  enabled: false                                      # set true if enable pkcs11
  library: /usr/local/lib64/libpkcs11.so              # path to the so file of pkcs11 interface
  label: HSM                                          # label for the slot to be used
  password: 11111111                                  # password to logon the HSM
  session_cache_size: 10                              # size of HSM session cache, default to 10
  hash: "SHA256"                                      # hash algorithm used to compute SKI

18.2.4.2. 签名和加密示例

//pkcs11 handle初始化
p11Handle, err = pkcs11.New(library, label, password, sessionCacheSize, hash)
if err != nil{
	return nil, fmt.Errorf("failed to initialize pkcs11 handle, err = %s", err)
}

//sm2密钥初始化, SM2SignKey1为keyId,表示密码机SM2密钥索引
sk, err :=  pkcs11.NewPrivateKey(p11Handle, "SM2SignKey123", bccrypto.SM2)
if err != nil{
  log.Fatalf("failed to new sm2 private key, err = %s", err)
}

//使用sm2签名/验证
// 硬件签名
sig, _ := sk.SignWithOpts(msg, &bccrypto.SignOpts{
   Hash: hashAlgo,
   UID:  bccrypto.CRYPTO_DEFAULT_UID,
})
// 软件验签(公钥来自x509证书)
der, _ := x509.MarshalPKIXPublicKey(cert.PublicKey)
pk, _ := asym.PublicKeyFromDER(der) 
ok, _ := pk.VerifyWithOpts(msg, sig, &bccrypto.SignOpts{
		Hash: hashAlgo,
		UID:  bccrypto.CRYPTO_DEFAULT_UID,
})


//sm4密钥初始化, SM4EncKey1为keyId,表示密码机SM4密钥索引
sk, err :=  pkcs11.NewSecretKey(p11Handle, "SM4EncKey1", bccrypto.SM4)
if err != nil{
   log.Fatalf("failed to new secret key, err = %s", err)
}

//使用sm4加密/解密, 默认CBC模式
ciphertext, _ := sk.Encrypt(msg)
msg _ := sk.Decrypt(ciphertext)

注:以上为示例代码,仅供参考。