技術(shù)解析：一文看懂 Anolis OS 國密生態(tài)|龍蜥專場
[導(dǎo)讀]Anolis OS 國密是社區(qū)在 Anolis OS 上做的國密技術(shù)解決方案，非常歡迎業(yè)界有興趣的開發(fā)者能夠參與到 OpenAnolis 社區(qū)，為國內(nèi)的基礎(chǔ)軟件生態(tài)添磚加瓦。
編者注：本文系兩位演講者整理，他們在2021年阿里云開發(fā)者大會的「開源操作系統(tǒng)社區(qū)和生態(tài)分論壇」上帶了分享，演講主題為《國密技術(shù)開發(fā)與實踐》。Anolis OS 國密是社區(qū)在 Anolis OS 上做的國密技術(shù)解決方案，非常歡迎業(yè)界有興趣的開發(fā)者能夠參與到 OpenAnolis 社區(qū)，為國內(nèi)的基礎(chǔ)軟件生態(tài)添磚加瓦。
作者分別是阿里云技術(shù)專家張?zhí)旒?/span>與螞蟻集團高級技術(shù)專家楊洋。張?zhí)旒阎饕撠烝nolis OS上國密技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，參與實現(xiàn)了 libgcrypt 中的國密算法和 linux內(nèi)核中的 SM2 算法；楊洋則主導(dǎo)開發(fā)了 BabaSSL，也是國內(nèi)唯一的一個 OpenSSL maintainer，參與起草并推動 RFC8998 標準國際化。相信兩位技術(shù)人的干貨分享，能給開發(fā)者們帶來一定的思考。以下為技術(shù)內(nèi)容解析：國密——密碼算法的國產(chǎn)化
說到密碼算法，大家一定很熟悉 MD5，AES，RSA 這些通用的國際標準算法，這也是目前我們普遍采用的密碼學(xué)算法，它們在數(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，這些算法標準都是國外制定的，在某些情況下這會對國內(nèi)信息安全有不利影響。當下有實力的國家，甚至有些大公司都制定了自己的算法標準。
顧名思義，國密就是密碼算法的國產(chǎn)化，跟其它領(lǐng)域一樣，密碼算法的國產(chǎn)化已經(jīng)勢不可擋，這也是我們必須要做的事情。中國的國密算法為我們提供了一個新的選擇，在必要的場合中可以選擇替代那些國際主流算法，尤其是當下國際貿(mào)易沖突，技術(shù)封鎖不可忽視的大環(huán)境下，大規(guī)模推廣和采用國密算法將為國內(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。
國密是什么？
我是誰，從哪里來？
國密是一個口語化的稱呼，官方名稱是國家商用密碼，簡稱商密，拼音縮寫是SM，這也是國密標準中具體算法名字的來源。國密是用于商用的、不涉及國家秘密的密碼技術(shù)。
國密標準完全由中國密碼管理局制定，主要的技術(shù)實現(xiàn)也基本是國內(nèi)開發(fā)人員完成的，這對擺脫國外的密碼技術(shù)和產(chǎn)品依賴是非常有利的。
到哪里去？
自2012 以來，SM2/3/4 的國密標準陸續(xù)公布，目前國密技術(shù)生態(tài)基本處于一個正在逐步走向成熟的階段，但國內(nèi)密碼基礎(chǔ)軟件在采用國密算法方面仍處于碎片化的狀態(tài)，比如我們經(jīng)常可以看到各種個人或組織名義開源的支持國密算法的庫；此外這些開源項目的安全更新和社區(qū)活躍也都做的不好。國密的推廣仍然需要我們中國基礎(chǔ)軟件的開發(fā)者和用戶共同努力。
2020年1月1日，《中華人民共和國密碼法》正式實施，從法律層面規(guī)范了國家商用密碼的應(yīng)用和管理，這也為推廣和應(yīng)用國密提供了必要的法律保障。
與國際算法的對比
這里是國密算法和國際通用算法的一個對比，可以直觀地看到國密的一個基本情況：
針對各種常用的國際能用算法類型，比如對稱算法，公鑰算法和消息摘要算法，國密標準都定義了對應(yīng)的相同功能的國密算法，比如 SM4 提供了與 AES 同樣的加密強度，并且支持各種加密模式；SM2 是基于橢圓曲線的公鑰算法，同時定義了非對稱加解密，數(shù)字簽名和密鑰交換標準，相對于 RSA，SM2 的密鑰更短，但支持的加密強度卻更高；SM3 是國密定義的消息摘要算法標準，摘要長度是固定的256位，強度等同于 SHA256。
除了基礎(chǔ)的算法，國密標準也定義了TLCP國密雙證書協(xié)議，用以支持國內(nèi)的傳輸層安全協(xié)議。這里還有一個好消息，今年三月份，TLS1.3 國密單證書協(xié)議正式被國際標準所承認，并且以 RFC8998 標準發(fā)布，這意味著我們可以選擇在TLS1.3協(xié)議中使用完整的國密套件，目前我們也在聯(lián)系正規(guī)瀏覽器廠商支持這個標準的實施和應(yīng)用。
同時國密也定義了使用國密算法的 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。
對開發(fā)者來說，國密提供了一個選擇，可以選擇從國際通用算法平滑遷移過來。除此之外，國密還有其它一些算法標準，是不太常用的，比如 SM9，ZUC 算法等。
BabaSSL 的前世今生
BabaSSL 是主打國密的密碼算法庫，與 OpenSSL 1.1.1 保持兼容，作為國密的密碼算法解決方案而誕生。
BabaSSL 是基于之前螞蟻集團和阿里集團內(nèi)部的 OpenSSL 版本合并而來，并首次進行了開源。BabaSSL 的含義是：靈巧、輕快且靠譜的密碼學(xué)和 SSL/TLS 工具庫。
BabaSSL 的綠色商標，是基于阿里的橙色和螞蟻的藍色混合而來，也意味著我們希望將 BabaSSL 打造成一個靈活、小巧并且健壯的基礎(chǔ)密碼學(xué)庫。
BabaSSL 目前在阿里集團和螞蟻集團內(nèi)部得到了非常廣泛的使用。從具體場景來看，有如下三個方面，分別是存儲、網(wǎng)絡(luò)和端上的設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的場景，是BabaSSL 最大的支撐場景，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。此外移動端 App，例如支付寶手機 App 中集成了 BabaSSL 來實現(xiàn)多種密碼學(xué)的能力。
開源
BabaSSL 已經(jīng)在去年的10月份進行了開源，目前代碼是托管在 OpenAnolis 上，當前開源的版本是 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行開源，最終變成一個統(tǒng)一的開源版本，那么屆時阿里內(nèi)部也完全依賴于這個開源的版本，而不會再保留內(nèi)部的閉源版本。
特色功能以下是 BabaSSL 當前最新穩(wěn)定版本 8.2.0 的主要特色功能特性：
從圖上可以看到一些主要區(qū)別：
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率先在 Anolis OS 上輸出，達到一個開箱即用的原生支持國密的 OS。
從中也能看到，國密生態(tài)涉及到的軟件棧非常多，形態(tài)也是各種各樣，要逐步完善這個生態(tài)，還有很長的路要走。近幾年的國際技術(shù)封鎖也給了我們做這件事的決心和動力。
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)，一起來做這個事情，之后我們的工作都會在 Anolis 龍蜥社區(qū)以開源方式運作，秉著開放包容態(tài)度，繼續(xù)補充完善這個生態(tài)，最終達到的一個目標是：整個安全信任鏈是完全建立在國密算法之上。
國密在 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，我們來看兩個在安全領(lǐng)域具體國密改造的例子。
IMA 是 linux 內(nèi)核提供一個文件完整性度量架構(gòu)，用于檢測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，為了支持在Linux內(nèi)核里驗證文件簽名，我們在內(nèi)核里實現(xiàn)了國密 SM2/3/4 算法以及國密證書的支持，用來驗證簽名是否合法。
通過對相應(yīng)軟件棧的改造，我們完全基于國密算法構(gòu)建了IMA和內(nèi)核模塊簽名的安全機制，而這些之前都是由國際算法來保證的。
作者分別是阿里云技術(shù)專家張?zhí)旒?/span>與螞蟻集團高級技術(shù)專家楊洋。張?zhí)旒阎饕撠烝nolis OS上國密技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，參與實現(xiàn)了 libgcrypt 中的國密算法和 linux內(nèi)核中的 SM2 算法；楊洋則主導(dǎo)開發(fā)了 BabaSSL，也是國內(nèi)唯一的一個 OpenSSL maintainer，參與起草并推動 RFC8998 標準國際化。相信兩位技術(shù)人的干貨分享，能給開發(fā)者們帶來一定的思考。以下為技術(shù)內(nèi)容解析：國密——密碼算法的國產(chǎn)化
說到密碼算法，大家一定很熟悉 MD5，AES，RSA 這些通用的國際標準算法，這也是目前我們普遍采用的密碼學(xué)算法，它們在數(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，這些算法標準都是國外制定的，在某些情況下這會對國內(nèi)信息安全有不利影響。當下有實力的國家，甚至有些大公司都制定了自己的算法標準。
顧名思義，國密就是密碼算法的國產(chǎn)化，跟其它領(lǐng)域一樣，密碼算法的國產(chǎn)化已經(jīng)勢不可擋，這也是我們必須要做的事情。中國的國密算法為我們提供了一個新的選擇，在必要的場合中可以選擇替代那些國際主流算法，尤其是當下國際貿(mào)易沖突，技術(shù)封鎖不可忽視的大環(huán)境下，大規(guī)模推廣和采用國密算法將為國內(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。
國密是什么？
我是誰，從哪里來？
國密是一個口語化的稱呼，官方名稱是國家商用密碼，簡稱商密，拼音縮寫是SM，這也是國密標準中具體算法名字的來源。國密是用于商用的、不涉及國家秘密的密碼技術(shù)。
國密標準完全由中國密碼管理局制定，主要的技術(shù)實現(xiàn)也基本是國內(nèi)開發(fā)人員完成的，這對擺脫國外的密碼技術(shù)和產(chǎn)品依賴是非常有利的。
到哪里去？
自2012 以來，SM2/3/4 的國密標準陸續(xù)公布，目前國密技術(shù)生態(tài)基本處于一個正在逐步走向成熟的階段，但國內(nèi)密碼基礎(chǔ)軟件在采用國密算法方面仍處于碎片化的狀態(tài)，比如我們經(jīng)常可以看到各種個人或組織名義開源的支持國密算法的庫；此外這些開源項目的安全更新和社區(qū)活躍也都做的不好。國密的推廣仍然需要我們中國基礎(chǔ)軟件的開發(fā)者和用戶共同努力。
2020年1月1日，《中華人民共和國密碼法》正式實施，從法律層面規(guī)范了國家商用密碼的應(yīng)用和管理，這也為推廣和應(yīng)用國密提供了必要的法律保障。
與國際算法的對比
這里是國密算法和國際通用算法的一個對比，可以直觀地看到國密的一個基本情況：
針對各種常用的國際能用算法類型，比如對稱算法，公鑰算法和消息摘要算法，國密標準都定義了對應(yīng)的相同功能的國密算法，比如 SM4 提供了與 AES 同樣的加密強度，并且支持各種加密模式；SM2 是基于橢圓曲線的公鑰算法，同時定義了非對稱加解密，數(shù)字簽名和密鑰交換標準，相對于 RSA，SM2 的密鑰更短，但支持的加密強度卻更高；SM3 是國密定義的消息摘要算法標準，摘要長度是固定的256位，強度等同于 SHA256。
除了基礎(chǔ)的算法，國密標準也定義了TLCP國密雙證書協(xié)議，用以支持國內(nèi)的傳輸層安全協(xié)議。這里還有一個好消息，今年三月份，TLS1.3 國密單證書協(xié)議正式被國際標準所承認，并且以 RFC8998 標準發(fā)布，這意味著我們可以選擇在TLS1.3協(xié)議中使用完整的國密套件，目前我們也在聯(lián)系正規(guī)瀏覽器廠商支持這個標準的實施和應(yīng)用。
同時國密也定義了使用國密算法的 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。
對開發(fā)者來說，國密提供了一個選擇，可以選擇從國際通用算法平滑遷移過來。除此之外，國密還有其它一些算法標準，是不太常用的，比如 SM9，ZUC 算法等。
BabaSSL 的前世今生
BabaSSL 是主打國密的密碼算法庫，與 OpenSSL 1.1.1 保持兼容，作為國密的密碼算法解決方案而誕生。
BabaSSL 是基于之前螞蟻集團和阿里集團內(nèi)部的 OpenSSL 版本合并而來，并首次進行了開源。BabaSSL 的含義是：靈巧、輕快且靠譜的密碼學(xué)和 SSL/TLS 工具庫。
BabaSSL 的綠色商標，是基于阿里的橙色和螞蟻的藍色混合而來，也意味著我們希望將 BabaSSL 打造成一個靈活、小巧并且健壯的基礎(chǔ)密碼學(xué)庫。
BabaSSL 目前在阿里集團和螞蟻集團內(nèi)部得到了非常廣泛的使用。從具體場景來看，有如下三個方面，分別是存儲、網(wǎng)絡(luò)和端上的設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的場景，是BabaSSL 最大的支撐場景，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。此外移動端 App，例如支付寶手機 App 中集成了 BabaSSL 來實現(xiàn)多種密碼學(xué)的能力。
開源
BabaSSL 已經(jīng)在去年的10月份進行了開源，目前代碼是托管在 OpenAnolis 上，當前開源的版本是 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行開源，最終變成一個統(tǒng)一的開源版本，那么屆時阿里內(nèi)部也完全依賴于這個開源的版本，而不會再保留內(nèi)部的閉源版本。
特色功能以下是 BabaSSL 當前最新穩(wěn)定版本 8.2.0 的主要特色功能特性：
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基于 OpenSSL 1.1.1，具備 OpenSSL 1.1.1的全部能力并且保持兼容
- 支持國密 SM2, SM3和 SM4，并對 OpenSSL 1.1.1中所欠缺的 SM2 能力，比如 X509 證書的簽發(fā)和驗證功能進行了補全
- GM/T 0024 和 TLCP 國密雙證書TLS協(xié)議
- 支持 RFC 8998：TLS 1.3 國密單證書
- 提供了對 IETF 正在標準化過程中的 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)、驗簽的支持
- 正在申請軟件密碼模塊一級資質(zhì)
從圖上可以看到一些主要區(qū)別：
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對于一些新的密碼學(xué)技術(shù)標準，BabaSSL 會采取一種相對激進的策略快速跟進，比如在 IETF 中一些正在標準化流程中的技術(shù)方案，例如 delegated credentials, compact TLS 等，會進行原型的實現(xiàn)和快速跟進，而 OpenSSL則是相對保守，因為 OpenSSL 社區(qū)的策略是原則上只實現(xiàn)已經(jīng)發(fā)布了的國際標準和國家標準。
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在對于國密算法、國密協(xié)議、國密的監(jiān)管合規(guī)、云計算廠商的深度集成、以及國產(chǎn)化硬件等方面，BabaSSL 會進行更加深度和廣泛的支持，而 OpenSSL 則支持的比較有限。
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對于API的易用程度，由于沒有歷史包袱，所以 BabaSSL 可以提供更加簡單易用的 API，而 OpenSSL 的 API 則相對復(fù)雜。對于資源受限的嵌入式設(shè)備，BabaSSL 會進行體積裁剪和內(nèi)存使用量的規(guī)劃，OpenSSL 則明確表示沒有相關(guān)的計劃。
- 支持 MPK
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Encrypted SNI
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Compressed Certificate
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Compact TLS
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SM算法優(yōu)化
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支持國產(chǎn)化 CPU 的國密算法指令集
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體積裁剪，內(nèi)存使用量優(yōu)化
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Tink API
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ZUC，SM9
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PQC
- 同態(tài)加密算法
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率先在 Anolis OS 上輸出，達到一個開箱即用的原生支持國密的 OS。
從中也能看到，國密生態(tài)涉及到的軟件棧非常多，形態(tài)也是各種各樣，要逐步完善這個生態(tài)，還有很長的路要走。近幾年的國際技術(shù)封鎖也給了我們做這件事的決心和動力。
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)，一起來做這個事情，之后我們的工作都會在 Anolis 龍蜥社區(qū)以開源方式運作，秉著開放包容態(tài)度，繼續(xù)補充完善這個生態(tài)，最終達到的一個目標是：整個安全信任鏈是完全建立在國密算法之上。
國密在 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，我們來看兩個在安全領(lǐng)域具體國密改造的例子。
IMA 是 linux 內(nèi)核提供一個文件完整性度量架構(gòu)，用于檢測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，為了支持在Linux內(nèi)核里驗證文件簽名，我們在內(nèi)核里實現(xiàn)了國密 SM2/3/4 算法以及國密證書的支持，用來驗證簽名是否合法。
通過對相應(yīng)軟件棧的改造，我們完全基于國密算法構(gòu)建了IMA和內(nèi)核模塊簽名的安全機制，而這些之前都是由國際算法來保證的。
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