可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)的研究

◆李衛(wèi)明

（杭州弗蘭科信息安全科技有限公司 浙江 333000）

新形勢(shì)下，社會(huì)進(jìn)入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生的數(shù)據(jù)逐漸遞增，每年幾乎翻一倍，在數(shù)據(jù)開(kāi)放的社會(huì)，用戶(hù)將信息存儲(chǔ)于公共服務(wù)平臺(tái)。平臺(tái)的開(kāi)放性，意味著無(wú)論是否是用戶(hù)意愿，用戶(hù)信息都可能主動(dòng)或被動(dòng)的泄露，輕則受到騷擾，重則威脅用戶(hù)財(cái)產(chǎn)甚至生命安全[1]。此時(shí)，傳統(tǒng)的封堵查殺被動(dòng)防御方式已經(jīng)無(wú)法保障服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)安全，而在可信計(jì)算下，對(duì)服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，從傳統(tǒng)的被動(dòng)防御轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)防御，有利于提高數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)水平，盡可能降低用戶(hù)的數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮服務(wù)平臺(tái)的作用。

1 可信計(jì)算概述

可信計(jì)算概念的第一次正式提出，可以追溯到1983年美國(guó)國(guó)防部制定的《可信計(jì)算機(jī)系統(tǒng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》（Trusted Computer System Evaluation Criteria，TCSEC）。TCSEC中提出了可信計(jì)算機(jī)（Trusted Computer）和可信計(jì)算基（Trusted Computing Base）的概念。1999年，IBM、HP、Intel、微軟等企業(yè)發(fā)起并成立了可信計(jì)算平臺(tái)聯(lián)盟（Trusted Computing Platform Alliance，TCPA），后改名為可信計(jì)算組織（Trusted Computing Group，TCG）[4]。TCG認(rèn)為，可信計(jì)算的總體目標(biāo)是提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的安全性?，F(xiàn)階段的主要目標(biāo)是提供平臺(tái)可信性的遠(yuǎn)程證明，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性、數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)[2]。

可信計(jì)算的基本思想是通過(guò)信任傳遞確保整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可信，其中涉及3個(gè)基本概念：信任根、信任傳遞和可信度量。首先，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中建立一個(gè)信任根，而可信計(jì)算平臺(tái)中安裝的可信平臺(tái)模塊即為信任根。信任根的可信性由物理安全、計(jì)算安全和管理安全共同確保。再建立一條信任鏈，從信任根開(kāi)始，通過(guò)完整性度量和完整性存儲(chǔ)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵信息的可信賴(lài)性進(jìn)行度量和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信任的鏈?zhǔn)絺鬟f[3]。

TCG規(guī)定的可信計(jì)算技術(shù)作為一種成熟的可信計(jì)算技術(shù)，在國(guó)際上有著廣泛應(yīng)用?？尚庞?jì)算主要包含了五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)概念。其一，簽注密鑰。作為2048位的密鑰對(duì)，包含了RSA公共秘鑰與私有密鑰，在芯片出廠(chǎng)后，已經(jīng)隨機(jī)生成，并不能隨意改變，能夠?qū)π酒瑑?nèi)的敏感信息進(jìn)行認(rèn)證、加密并發(fā)送。其二，安全輸入與輸出。主要是指計(jì)算機(jī)用戶(hù)數(shù)據(jù)庫(kù)與交互軟件的保護(hù)路徑。新形勢(shì)下，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，惡意軟件擁有諸多攔截方式，如：鍵盤(pán)監(jiān)聽(tīng)、截屏。其三，儲(chǔ)存器屏蔽。作為一般存儲(chǔ)保護(hù)技術(shù)的拓展，為數(shù)據(jù)信息提供了獨(dú)立存儲(chǔ)區(qū)域，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行屏蔽，即使入侵者能夠控制操作系統(tǒng)，也能保障信息安全。其四，密封存儲(chǔ)。主要是將私有信息與軟硬件平臺(tái)的配置信息同一捆綁，以此保護(hù)用戶(hù)私有信息。不過(guò)，該種方式下，數(shù)據(jù)僅能在相同軟硬件的組合環(huán)境中讀取。其五，遠(yuǎn)程認(rèn)證。當(dāng)用戶(hù)電腦改變，授權(quán)方既能感知。

2 SGX簡(jiǎn)介

SGX全稱(chēng)Intel Software Guard Extensions，是Intel開(kāi)發(fā)的新的處理器技術(shù)，是對(duì)英特爾體系（IA）的一個(gè)擴(kuò)展。它可以在計(jì)算平臺(tái)上提供一個(gè)可信空間，保障用戶(hù)關(guān)鍵代碼和數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性，增強(qiáng)軟件的安全性。

SGX包含三大要素：安全區(qū)、認(rèn)證和密封。安全區(qū)是SGX的核心。如果不先建立安全區(qū)，將不能夠進(jìn)行認(rèn)證或密封。實(shí)質(zhì)上，安全區(qū)是應(yīng)用程序根據(jù)一套CPU指令在地址空間建立受保護(hù)的區(qū)域。該區(qū)域可封裝合法的軟件代碼，未經(jīng)授權(quán)的軟件無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)受保護(hù)區(qū)域，而經(jīng)授權(quán)的軟件可通過(guò)專(zhuān)用CPU指令啟用、構(gòu)建和加載動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件與應(yīng)用程序交互。

SGX技術(shù)可為機(jī)密信息提供高級(jí)別的保護(hù)，抵御惡意軟件的攻擊。即便遭受惡意軟件的攻擊，它也能夠保障數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性[4]。

3 可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)

可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)是基于英特爾SGX（Software Guard Extensions）技術(shù)，將用戶(hù)的合法數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)安全可信的環(huán)境中，保護(hù)其不被惡意軟件攻擊，即便是操作系統(tǒng)本身也無(wú)法獲取到該隔離環(huán)境中的數(shù)據(jù)，從而能夠保證數(shù)據(jù)在加解密運(yùn)算過(guò)程中無(wú)法被惡意竊取。

白盒加密是一種加密算法技術(shù)。傳統(tǒng)的加密默認(rèn)是在黑盒環(huán)境中實(shí)施的，即攻擊者只能看到輸入（如明文）或輸出（如密文）等有限信息。如果攻擊者可以完全控制加密的終端，可以知道加密的中間值、加密算法、甚至修改執(zhí)行代碼。那么稱(chēng)為是白盒攻擊[5]。

密鑰白盒是將密碼算法白盒化的過(guò)程，從本質(zhì)上說(shuō)是提高加解密程序的復(fù)雜度，致使逆向人員無(wú)法分析還原出密鑰。白盒算法能夠抵御白盒攻擊，幫助解決密鑰的運(yùn)行安全問(wèn)題。

可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)研究目標(biāo)：

（1）確保用戶(hù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)安全依賴(lài)于密鑰的生命周期安全；

（2）確保用戶(hù)的密鑰生成、存儲(chǔ)安全，即使數(shù)據(jù)庫(kù)被拖庫(kù)，密鑰安全仍然能夠得到保證；

（3）確保用戶(hù)密鑰的分發(fā)安全，即使分發(fā)密鑰的通信鏈路被監(jiān)聽(tīng)，仍然能夠保證密鑰的傳輸安全；

（4）能夠保證即使在攻擊者已經(jīng)獲得平臺(tái)的實(shí)際控制并直接攻擊內(nèi)存的境況下也能保證密鑰的安全和隱秘；

（5）能夠保證加解密數(shù)據(jù)的機(jī)密性和完整性并不會(huì)被正常的系統(tǒng)軟件對(duì)平臺(tái)資源進(jìn)行管理和控制的功能所擾亂；

（6）允許用戶(hù)保護(hù)敏感信息不被運(yùn)行在更高特權(quán)等級(jí)下的欺詐軟件非法訪(fǎng)問(wèn)和修改。

可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)的架構(gòu)：

可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)加解密接口層、SGX可信容器、SGX驅(qū)動(dòng)層、SGX芯片，借助Intel處理器的SGX技術(shù)，通過(guò)CPU的硬件模式切換，加解密服務(wù)進(jìn)入可信模式執(zhí)行，只使用必需的硬件構(gòu)成一個(gè)完全隔離的特權(quán)模式。系統(tǒng)具體效果圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)圖

可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)包括密鑰管理服務(wù)器（KMS）、可信加密模塊兩部分。KMS負(fù)責(zé)密鑰的生成、存儲(chǔ)、分發(fā)等功能；可信加密模塊提供加解密接口，并能抵御白盒攻擊，保護(hù)加密模塊所需的密鑰，如圖2。

圖2 可信加密模塊

3.1 密鑰管理服務(wù)器

密鑰管理服務(wù)器用于安全生成、存儲(chǔ)、分發(fā)、管理密鑰。密鑰由硬件加密卡生成，生成后由加密卡加密存儲(chǔ)，加密密鑰由硬件加密卡存儲(chǔ)、管理，下發(fā)密鑰時(shí)由加密卡解密并以會(huì)話(huà)密鑰加密形成密文。

3.1.1 密鑰的生成安全

密鑰的生成安全由加密卡保障，生成算法使用國(guó)密算法，所用到的隨機(jī)數(shù)是由加密卡產(chǎn)生的真隨機(jī)數(shù)，保證算法的安全性[6]。

3.1.2 密鑰的存儲(chǔ)安全

密鑰以密文形式存儲(chǔ)，加密密鑰只存在于加密卡中，加密解密算法的運(yùn)行安全、密鑰加密密鑰的存儲(chǔ)安全由硬件保證，且安全性通過(guò)國(guó)家密碼管理局認(rèn)證。

3.1.3 密鑰的分發(fā)安全

密鑰由會(huì)話(huà)密鑰保護(hù)，會(huì)話(huà)密鑰由公鑰加密保護(hù)。密鑰下發(fā)時(shí)為保證密鑰的安全，使用客戶(hù)端生成的會(huì)話(huà)密鑰來(lái)加密下發(fā)。會(huì)話(huà)密鑰只存在于請(qǐng)求密鑰時(shí)客戶(hù)端內(nèi)存中，傳輸時(shí)以密鑰服務(wù)器的公鑰作為加密密鑰加密形成密文，只有擁有配對(duì)私鑰的密鑰服務(wù)器才能解開(kāi)。

一個(gè)典型的密鑰分發(fā)流程如圖3所示。

圖3 密鑰分發(fā)流程

3.1.4 密鑰服務(wù)器的可靠性

密鑰服務(wù)器可靠性通過(guò)增加冗余設(shè)備形成主備部署、集群部署模式，單機(jī)故障時(shí)密鑰請(qǐng)求發(fā)送到備用服務(wù)器上。密鑰服務(wù)器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)熱備，保證數(shù)據(jù)可用性。

3.2 可信加密模塊

白盒算法的核心思想是混淆（一種特殊的混淆）。它的目的是為了保護(hù)在白盒環(huán)境下（不可信環(huán)境）的密鑰，從而在白盒環(huán)境下安全進(jìn)行加解密操作。

白盒加密算法將密鑰和原來(lái)的加密算法進(jìn)行混淆。一種具體實(shí)現(xiàn)形式是在塊加密進(jìn)行一些改動(dòng)設(shè)計(jì)，引入查找表的概念。在密碼程序運(yùn)行的任何階段，原始密鑰信息完全融入加解密算法之中，原始密鑰信息已經(jīng)不存在。即只能輸入明文得到密文，或者相反操作得到明文。動(dòng)態(tài)白盒技術(shù)還可以在保持白盒庫(kù)不變的情況下更換密鑰，極大提升白盒密碼產(chǎn)品的靈活性。

3.2.1 加密流程和接口

（1）可信加密模塊接收KMS分發(fā)的密鑰key，key經(jīng)過(guò)白盒處理后得到wb_key。

（2）得到wb_key后，白盒算法使用wb_key對(duì)輸入明文進(jìn)行加密。

由于白盒算法中已經(jīng)沒(méi)有密鑰出現(xiàn)，因此運(yùn)行環(huán)境的密鑰安全得到保護(hù)。為保證白盒處理key的運(yùn)行安全，將這一步操作放入SGX可信容器執(zhí)行，即利用處理器提供的一些指令創(chuàng)建一個(gè)可信執(zhí)行環(huán)境，將key的白盒處理程序加載到可信容器中，保證key的白盒處理是安全可信的。

3.2.2 獲取密鑰

客戶(hù)端通過(guò)發(fā)送用戶(hù)ID、個(gè)人身份標(biāo)識(shí)等信息向密鑰管理服務(wù)器（簡(jiǎn)稱(chēng)KMS）請(qǐng)求獲取SM9密鑰，KMS接收到用戶(hù)請(qǐng)求后通過(guò)特定的函數(shù)生成SM9密鑰，再將密鑰加密后分發(fā)到客戶(hù)端。

3.2.3 更新密鑰

客戶(hù)端通過(guò)發(fā)送用戶(hù)ID、個(gè)人身份標(biāo)識(shí)等信息向KMS請(qǐng)求更新SM9密鑰，KMS銷(xiāo)毀老密鑰，重新生成一個(gè)新密鑰，再將密鑰加密后分發(fā)到客戶(hù)端。

3.2.4 銷(xiāo)毀密鑰

密鑰管理服務(wù)器對(duì)已經(jīng)沒(méi)有權(quán)限訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)的用戶(hù)進(jìn)行銷(xiāo)毀密鑰，防止信息泄露。

3.2.5 算法初始化

客戶(hù)端在進(jìn)行加解密操作之前，向KMS請(qǐng)求，完成密鑰初始化。

3.2.6 數(shù)據(jù)加密

客戶(hù)端傳輸數(shù)據(jù)之前，采用SM2、SM3、SM4等高強(qiáng)度國(guó)密算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)明文數(shù)據(jù)加密。

3.2.7 數(shù)據(jù)解密

客戶(hù)端接收到密文之后，采用SM2、SM3、SM4等高強(qiáng)度國(guó)密算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)密文數(shù)據(jù)解密。

3.2.8 服務(wù)接口能力

服務(wù)實(shí)現(xiàn)外部接口設(shè)計(jì)，給客戶(hù)端提供加解密接口，外部直接在客戶(hù)端調(diào)用接口，即可實(shí)現(xiàn)相關(guān)業(yè)務(wù)功能

4 總結(jié)

可信加密服務(wù)平臺(tái)技術(shù)采用了白盒密碼技術(shù)、SGX技術(shù)和SM2、SM3、SM4等高強(qiáng)度國(guó)密算法等構(gòu)建了一個(gè)可信加密服務(wù)。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)在計(jì)算、傳輸、存儲(chǔ)過(guò)程中的保密性，保障了數(shù)據(jù)安全；同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了密鑰的生成、存儲(chǔ)、分發(fā)、運(yùn)行、管理等密鑰全生命周期的安全。有效解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全問(wèn)題，避免了用戶(hù)數(shù)據(jù)的丟失與篡改，提高了用戶(hù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的信任值，推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步發(fā)展。