SSL/TLS 与国密算法

SSL/TLS是用于网络传输的加密协议，用于解决应用层传输安全问题。众所周知，HTTP是明文传输，加上SSL后变成HTTPS，它的发展经历经过了以下阶段：

1. SSL1.0，已废除，不再使用。
2. SSL2.0，RFC6176，已废除。
3. SSL3.0，RFC6101，基本废除
4. TLS1.0，RFC2246，少数在使用
5. TLS1.1，RFC4346
6. TLS1.2，RFC5246，目前广泛使用
7. TLS1.3，正在规划。

每种加密套件需要具备四项基础功能：

• 身份认证
• 密钥协商
• 信息加密
• 完整性校验

在以上四项功能之上，实现加解密、签名和验签等功能。

国密算法

国密算法是国家密码局认定的国产密钥算法，主要有以下几种

• SM1：对称加密，密钥、分组长度为128位，加密强度与AES相当，非公开，需要专用加密芯片配合。
• SM2：基于ECC椭圆曲线的公钥密钥算法，包括
  • SM2-1数字签名算法
  • SM2-2密钥交换协议
  • SM2-3公钥加密算法
    256位的SM2密码强度优于2048位的RSA，运算速度比RSA快。
• SM3：输出长度为256位，适用于数字签名和验证消息认证码。
• SM4：对称加密，密钥长度与分组长度均为128位，用于无线局域网领域。
• SM9：能够实现由用户指定公钥，例如使用身份证号码、邮箱地址等，通过密钥生成中心得到私钥。

以下是SSL和国密算法的对比

标准	身份认证	密钥协商	对称加密	完整性校验
SSL/TLS	数字签名	RSA、ECDH、ECDSA	RC4、AES、DES等	SHA1/SHA256
国密算法	SM2-1	SM2	SM4	SM3

国密算法应用

• 国密证书：使用国密算法（SM2-SM3）的标准X509格式证书
• 国密SSL：采用国密算法，符合国密标准的安全传输协议。

新版Linux内核已经支持的SM3和SM4算法，SM2算法也于2020年10月26日纳入Linux内核。

国密规范规定发送证书时需要有签名证书和加密证书，详见双证书。

证书格式

X.509是数字证书的格式标准，用于标示通讯各方身份信息的一系列数据，具体有多种编码形式，常用的有：

• pem格式：将DER格式进行Base64编码。
• der格式：DER格式，二进制格式保存。

这两种格式可以互转。证书中含有申请者公钥、申请者的组织信息、个人信息、签发机构信息、证书有效时间和证书序列号等明文信息。

TLS握手过程

下图为TLS握手过程：

基本流程如下：

1. 客户端向服务器索要并验证公钥
2. 双方协商生成"对话密钥"
3. 双方采用"对话密钥"进行后续加密通讯

具体流程在 SSL/TLS协议运行机制的概述，这篇文章中有很好的解释，此处不再赘述。

在握手的最后阶段，通讯双方记录对方发送过来的所有内容，并计算内容hash值，交于对方进行校验。

这里需要注意,协商生成"对话密钥"的过程，需要依赖三个随机数，其中有2个明文随机数，分别由客户端和服务端生成，1个密文随机数，由客户端生成，称为pre-master-key，并通过公钥加密后传给服务端，通讯双方同步这三个随机数后，采用事先商定的密钥生成方法，生成后续会话的对话密钥。

握手协商阶段

• RSA密钥交换算法
  • 客户端生成一个随机数，当做后续对称加密密钥，使用服务端的公钥加密后回传给服务端，服务的使用私钥解密，双方同步对称密钥。
• DHE密钥交换算法
  • 客户端生成一个随机值Xa，通过公式Pa=q^Xa mod p（p、q值固定）计算得到Pa，发送Pa到服务器。
  • 服务器生成一个随机值Xb，通过公式Pb=q^Xb mod p，计算得到Pb，Pb发送给客户端
  • 客户端收到Pb后计算Sa=Pb^Xa mod p,服务端收到Pa后计算Sb=Pa^Xb mod p。
  • DHE算法保证了 Sa = Sb = S，S为对称通讯密钥。
• ECDHE密钥交换算法
  • 客户端生成一个随机值Ra，计算Pa(x,y) = Ra * Q(x,y),将Pa(x,y)发送至服务器
  • 服务端生成一个随机值Rb，计算Pb(x,y) = Rb * Q(x,y),将Pb(x,y)发送至服务器
  • 客户端计算Sa（x,y）=Ra *Pb(x,y),服务端计算Sb（x,y） = Rb * Pa(x,y)
  • 算法保证Sa=Sb=S，提取S的x向量作为对称通讯密钥

总结

本文简要介绍了SSL和国密算法的基本概念、加密通道的建立流程和握手协商密钥交换流程。

参考资料：

GMT 0024-2014 SSL VPN 技术规范
浅谈国密算法
各种安全证书间的关系及相关操作
PKI - 三种密钥交换算法详解（RSA& DHE& ECDHE）及他们在SSL/TLS协议中的应用
ECC椭圆曲线加密算法：ECDH 和 ECDSA