CN113708933A - 支持国家商用密码算法的IPSec实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种支持国家商用密码算法的IPSec实现方法，调用硬件密码卡，逻辑克服了IPsec的基础上不便新增密码算法的问题，实现非对称密码算法支持SM2椭圆曲线密码算法、对称密码算法支持SM4分组密码算法、密码杂凑算法支持SM3密码杂凑算法，增加了IPSec VPN算法的安全性。

Description

支持国家商用密码算法的IPSec实现方法
技术领域
本发明属于网络与信息安全技术领域，尤其是涉及一种能够支持中国国家商用密码算法的IPSec实现方法。
背景技术
VPN技术，即虚拟专用网技术，通过对网络数据的封包和加密传输，在一个公用网络建立一个临时的、安全的连接，从而实现在公网上传输私有数据，达到私有网络的安全级别。其中，IPSec协议广泛使用的VPN技术，提供特定的通信双方之间在IP层通过加密与数据源验证，保证数据包在网络中传输时的机密性、完整性与真实性，与其他隧道协议想配合完成VPN数据报文的加密与验证，IPSec的安全性能实质上主要是由密码算法的安全性来保证的。目前许多网络安全设备都是沿用3DES、SHA-1、RSA等国际通用的加密算法体系及相关标准。随着密码技术和计算技术的发展，许多国际通用密码算法屡屡被破解，导致各类安全漏洞及威胁事件。
为从根本上摆脱对国外加密技术和设备的过度依赖，从加密算法层面推动信息科技的“安全可控”，我国自主研发了具有自主知识产权的国产商密算法，具有较高安全性，由国家密码局公开并大力推广。我国公开的国产商用密码算法包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9及祖冲之算法，其中SM2、SM3、SM4最为常用，用于对应替代RSA、DES、3DES、SHA等国际通用密码算法体系。《IPSec VPN技术规范》也要求IPSec VPN产品的：非对称密码算法应当支持SM2椭圆曲线密码算法，对称密码算法应当支持SM4分组密码算法，密码杂凑算法应当支持SM3密码杂凑算法。因此，为了充分发挥IPSec的安全性能，达到安全可控，实现支持国内自有的密码算法，需要对现有的IPSec VPN技术进行改进。
发明内容
鉴于以上，本发明旨在提出一种优化IPSec的技术方案，基于OpenSwan、结合GMSSL与硬件加密卡，实现对国密算法的支持，而不需要完全推翻实践中的大量既有设备方案。
支持国家商用密码算法的IPSec实现方法，设置用于逻辑实现国密算法的硬件密码卡，
用户态：调用在GMSSL中定义的SM2算法接口，实现SM2证书认证；根据算法类型结构与属性，添加SM3与SM4算法声明，调用注册接口进行算法注册；在SM3算法结构中添加接口，用于调用国家标准的硬件加密卡，实现SM3算法；在SM4算法结构中添加接口，用于调用国家标准的硬件加密卡，实现SM4算法；
内核态：添加内核态散列算法结构，添加调用硬件加解密接口实现SM3算法；添加内核态加解密算法结构，添加调用硬件加密卡接口实现SM4算法。
所述硬件加密卡具有支持SM3、SM4算法的用户态库和内核态驱动，硬件密码卡加载所述用户态库与内核态驱动，实现相应的算法。
具体包括以下步骤：
在IPSec通信两端分别设置所述硬件加密卡，并且在用户态与内核态的算法结构中添加硬件加密卡的调用接口；
编辑安全策略配置文件，设置相应的国密算法，包括：非对称密码算法为SM2，密码杂凑算法为SM3，对称密码算法设为SM4；
执行IPSec安全协议的过程，包括：通过GMSSL加载SM2算法实现证书生成与认证；通过接口调用所述硬件加密卡，加载SM3算法实现IPSec的数据摘要的生成，加载SM4算法实现IPSec的对称加密与解密。
如上所述的技术方案，具有以下有益效果：基于开源程序，通过调用硬件密码卡，逻辑克服了IPsec的基础上不便新增密码算法的问题，实现非对称密码算法支持SM2椭圆曲线密码算法、对称密码算法支持SM4分组密码算法、密码杂凑算法支持SM3密码杂凑算法，增加了IPSec VPN算法的安全性。
附图说明
图1为支持国密算法的本发明实施例的IPSec，工作流程及数据流向图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行详细叙述。
首先是对IPSec与国家商用密码算法的相关术语进行说明。
IP VPN可以理解为，通过隧道技术在公众网络上仿真一条点对点的专线，隧道是利用一种协议来传输另一种协议的技术。
IPSec是一种工作在IP层的开放标准的框架结构，特定的通信双方之间在IP层经加密和数据摘要等手段，保证网上传输的私密性、完整性、真实性。具体的，IPSec使用对称加密算法加密数据保证私密性；通过对数据进行hash运算产生类似于指纹的数据摘要，防止被篡改，保证数据的完整性；通信双方使用数字签名的公钥与私钥进行身份认证，保证数据的真实性。
要成功建立IPSec VPN 两端必须采用相同的加密算法、hash算法和安全协议等，这就涉及IKE（Internet KeyExchange），第一阶段对通信双方进行身份认证，并在两端之间建立一条安全通道，建立通道的参数：加密算法、hash算法、DH算法、身份认证方法、存活时间等；第二阶段在前述安全通道上协商IPSec参数，按协商好的参数对数据流进行加密、hash等保护。
SM2椭圆曲线密码（非对称）算法和RSA算法都是公钥密码算法，SM2算法是一种更先进安全的算法，在国家商用密码体系中被用来替换RSA算法。随着密码技术和计算机技术的发展，目前常用的1024位RSA算法面临严重的安全威胁，国家密码管理部门经过研究，决定采用SM2椭圆曲线算法替换RSA算法。SM2算法比RSA性能更优更安全，密码复杂度高、处理速度快、机器性能消耗更小。
SM3密码杂凑（哈希、散列）算法是一种密码散列函数标准，在商用密码体系中，SM3主要用于数字签名及验证、消息认证码生成及验证、随机数生成等，其算法为公开，安全性及效率与SHA-256相当。密码散列函数是一种单向函数，也就是说极其难以由散列函数输出的结果，回推输入的数据是什么。这种散列函数的输入数据，通常被称为消息（message），而它的输出结果，经常被称为消息摘要（message digest）或摘要（digest）。在信息安全中，有许多重要的应用，都使用了密码散列函数来实现，例如数字签名，消息认证码。
SM4分组密码（对称）算法，在商用密码体系中主要用于数据加密，其算法公开，分组长度与密钥长度均为128bit。分组加密（英语：Block cipher），又称分块加密或块密码，是一种对称密钥算法，将明文分成多个等长的模块（block），使用确定的算法和对称密钥对每组分别加密解密。分组加密是极其重要的加密协议组成，其中典型的如DES和AES加密算法，应用领域从电子邮件加密到银行交易转帐，非常广泛。
如果要实现IPSec对国密算法的支持，就涉及到算法扩展的问题，算法扩展分两种情况：一是在用户态的算法扩展，即在软件代码中调用原有算法的地方替换成扩展的算法；二是内核态的算法扩展，即在内核中调用算法的地方替换成扩展的算法。
目前，在一些情况下，需要访问USB Key、PCI密码卡和密码机等密码硬件才能实现算法的扩展，例如：处于安全的目的，应用希望在密码硬件中存储私钥并完成私钥相关的计算；
私钥通过密码硬件分发且不能导出硬件，如国密标准中的签名私钥；密码算法仅通过硬件提供，如SM1和SSF33分组密码。另外，密码硬件具有密码算法加速能力，可以降低CPU的负载。
基于以上，本发明的实施例提出一种通过调用硬件加密卡的接口，实现支持国密算法的IPSec。
本发明的实施例采用的OpenSwan是一种开源的IPSec实现方案，支持AES、DES、MD5、SHA、RSA等国际通用加密算法，但尚未支持国家密码局发布的国密算法。
本发明实施例修改OpenSwan源码，在用户态和内核态均调用符合国家标准的硬件密码卡接口，通过硬件密码卡实现国密算法SM4、SM3；而在用户态结合GMSSL，调用在GMSSL中定义的SM2相关的算法接口，实现IPSec使用SM2证书认证进行隧道协商建立。
其中，GmSSL是支持国密算法和标准的OpenSSL分支，支持更多的密码算法，实现了算法与EVP API与命令行工具的集成。
而本实施例中，硬件加密卡的用户态库和内核态驱动由硬件加密卡厂商提供。所述的硬件加密卡可以是每一个加密卡只实现一种算法，不同算法需要调用不同加密卡，也可以是同一个加密卡上实现多种算法，通过接口进行区分，本实施例在此不做限定。
作为本发明的一种优选实施方式，实现支持国密算法的具体实现步骤，包括：
（1）修改用户态pluto程序源码，根据不同的算法类型对应结构以及国家标准的国密算法属性添加SM3、SM4算法声明，再调用算法注册接口ike_alg_add(struct ike_alg* a,bool quiet)注册算法。
（2）在SM3算法结构中的hash_init、hash_update、hash_final分别添加SM3算法的对应接口，调用国家标准的硬件加密卡相关接口SDF_HashInit、SDF_HashUpdate、SDF_HashFinal实现SM3散列算法；
在SM4算法结构中的do_crypt添加SM4算法加解密接口，调用国家标准的硬件加密卡相关接口SDF_ImportKey、SDF_Encrypt、SDF_Decrypt等实现SM4算法的秘钥生成及加解密。
（3）修改内核态源码（本实施例以KLIPS模式实现IPSec，修改的代码为openswan/linux/net/ipsec/目录下），Klips是openswan自带实现IPsec功能的模块，其主要实现数据加解密、安全关联、密钥管理、身份认证等功能，并以.ko模块插入到内核中运行；
添加内核态加解密算法结构ipsec_alg_enc，其中添加内核态散列算法结构auth_alg，其中添加调用硬件加解密接口Kel_SM3_Init、Kel_SM3_Update、Kel_SM3_Final实现SM3散列算法；添加调用硬件加密卡接口Kel_SM4CBCEnc、Kel_SM4CBCDec实现SM4加解密算法。
（4）修改IPSec协商流程中证书认证的部分，添加使用GMSSL中的接口解析SM2证书以及调用SM2_sign和SM2_verify等接口实现SM2证书签名验签功能。需要说明的是，SM2证书由GMSSL工具生成。
通过上述的源码修改后编译安装，配置IPSec隧道环境，使用SM2证书认证，SM4加解密算法、SM3散列算法，能够成功建立隧道并对保护子网的访问数据进行SM4加解密。具体说明如下。
如图1所示，假设每台主机都有处于激活状态的IPSec策略：
（1）本地子网的主机A向对端子网的主机发送消息。
（2）主机A上的IPSec驱动程序检查IP筛选器，查看消息数据包是否需要受保护以及需要受到何种保护；驱动程序通知IKE开始安全协商，对端主机上的IKE收到请求安全协商通知；两台主机进行IKE协商的第一阶段，各自生成共享主密钥（若两个主机在此前通信中已经建立起第一阶段SA，则可直接进行第二阶段SA协商）；此处所述的安全协商包括协商IKE安全通道使用的参数，交换对称密钥，进行双方身份认证并建立IKE安全通道，所述交换对称密钥与身份认证通过调用硬件加密卡的相关算法接口（例如分别为SM4算法与SM2算法）实现。
协商第二阶段，包括协商IPSec安全参数、建立IPSec SA，所述的参数包括数据加密算法、摘要算法、封装模式、存活时间、安全协议、SPI等，所述的数据加密算法与摘要算法分别调用硬件加密卡的SM4与SM3实现。一个SA只记录单向的参数，即包括出站SA与入站SA。
（3）主机A上IPSec驱动程序使用出站SA，调用硬件加密卡的算法对数据包进行签名（完整性检查）和/或加密，驱动程序将数据包递交IP层，再由IP层将数据包通过网卡转发至对端主机
（4）对端主机的网卡驱动程序收到数据包并提交给IPSec驱动程序，IPSec驱动程序使用入站SA，调用硬件加密卡的相关算法检查完整性签名与/或对数据包进行解密，将解密后的数据包提交上层TCP/IP驱动程序，再由TCP/IP驱动程序将数据包提交对端主机的接收应用程序。
（5）对端主机发向主机A 的数据，处理方法与上述一致，只是方向相反，在此不再赘述。
通过上述的技术方案，本发明的实施例，实现了既有IPSec对国密算法的扩展支持，保证数据包传输的私密性、完整性与真实性，提高了IPSec建立的便捷和数据处理效率。

Claims (3)

1.支持国家商用密码算法的IPSec实现方法，设置用于逻辑实现国密算法的硬件密码卡，其特征在于，
用户态：调用在GMSSL中定义的SM2算法接口，实现SM2证书认证；根据算法类型结构与属性，添加SM3与SM4算法声明，调用注册接口进行算法注册；在SM3算法结构中添加接口，用于调用国家标准的硬件加密卡，实现SM3算法；在SM4算法结构中添加接口，用于调用国家标准的硬件加密卡，实现SM4算法；
内核态：添加内核态散列算法结构，添加调用硬件加解密接口实现SM3算法；添加内核态加解密算法结构，添加调用硬件加密卡接口实现SM4算法。
2.根据权利要求1所述的IPSec实现方法，其特征在于，所述硬件加密卡具有支持SM3、SM4算法的用户态库和内核态驱动，硬件密码卡加载所述用户态库与内核态驱动，实现相应的算法。
3.根据权利要求2所述的IPSec实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
在IPSec通信两端分别设置所述硬件加密卡，并且在用户态与内核态的算法结构中添加硬件加密卡的调用接口；
编辑安全策略配置文件，设置相应的国密算法，包括：非对称密码算法为SM2，密码杂凑算法为SM3，对称密码算法设为SM4；
执行IPSec安全协议的过程，包括：通过GMSSL加载SM2算法实现证书生成与认证；通过接口调用所述硬件加密卡，加载SM3算法实现IPSec的数据摘要的生成，加载SM4算法实现IPSec的对称加密与解密。
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