基于服務(wù)器密碼機(jī)的數(shù)據(jù)加密保護(hù)技術(shù)研究

王森

（國家信息中心 信息與網(wǎng)絡(luò)安全部 北京市 100045）

數(shù)據(jù)是重要的戰(zhàn)略資源，做好數(shù)據(jù)安全的意義重大。數(shù)據(jù)安全涉及國家安全及高價值數(shù)字資產(chǎn)保護(hù)，同時數(shù)據(jù)管理面臨篡改、竊取、破獲等安全威脅，與拒絕服務(wù)攻擊、漏洞攻擊等網(wǎng)絡(luò)攻擊表現(xiàn)形式不同，數(shù)據(jù)安全事件破壞性不那么強(qiáng)烈，但導(dǎo)致的不良后果及負(fù)面影響巨大而且長遠(yuǎn)，重要數(shù)據(jù)泄露后便無法徹底清除回收，涉及敏感個人信息的數(shù)據(jù)泄露往往對現(xiàn)實(shí)生活安全產(chǎn)生影響。

數(shù)據(jù)保護(hù)面臨的主要威脅源于惡意攻擊者實(shí)施的數(shù)據(jù)竊取和篡改，數(shù)據(jù)泄露產(chǎn)生的不良后果和負(fù)面影響通常巨大并且長遠(yuǎn)。泄露的重要數(shù)據(jù)無法徹底清除回收，包括敏感個人信息的數(shù)據(jù)泄露往往會對人們現(xiàn)實(shí)生活安全產(chǎn)生影響。目前各方面在建設(shè)有效的數(shù)據(jù)安全保障體系方面開展了積極探索，數(shù)據(jù)安全保護(hù)的措施包括數(shù)據(jù)分類分級保護(hù)、數(shù)據(jù)安全風(fēng)險評估及監(jiān)測預(yù)警、數(shù)據(jù)安全應(yīng)急處置、數(shù)據(jù)安全審查等方面方法，但相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施方案仍不成熟，各方面在建設(shè)有效的數(shù)據(jù)安全保障體系方面開展了積極探索。相較之下，采用密碼保護(hù)是公認(rèn)的最有效、最可靠、最經(jīng)濟(jì)的保障方案，通過密碼技術(shù)加密將保護(hù)數(shù)據(jù)加密成密文，即使發(fā)生數(shù)據(jù)泄露，敵手也無法還原出有意義的明文信息原文。

近年來制定實(shí)施的出臺的多項網(wǎng)絡(luò)安全政策文件、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在對數(shù)據(jù)加密或數(shù)據(jù)保密性方面提出要求?！吨腥A人民共和國網(wǎng)絡(luò)安全法》（2017年6月1日施行），對網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行安全進(jìn)行規(guī)范，提出“防止網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)泄露或者被竊取、篡改”，應(yīng)“采取數(shù)據(jù)分類、重要數(shù)據(jù)備份和加密等措施”（第二十一條）。《關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施保護(hù)條例》中關(guān)于數(shù)據(jù)加密要求進(jìn)行規(guī)范，“采取技術(shù)保護(hù)措施和其他必要措施，應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)安全事件，防范網(wǎng)絡(luò)攻擊和違法犯罪活動，保障關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施安全穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性、保密性和可用性”（第六條）。《個人信息保護(hù)法》中提出在個人信息處理過程中，應(yīng)“采取相應(yīng)的加密、去標(biāo)識化等安全技術(shù)措施”（第五十一條）?！禛B/T 22239-2019 信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)基本要求》對于等級保護(hù)第三級及以上安全要求對象，在“安全計算環(huán)境”安全計算環(huán)境方面要求中“應(yīng)采用密碼技術(shù)保證重要數(shù)據(jù)在存儲過程中的保密性，包括但不限于鑒別數(shù)據(jù)、重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和重要個人信息等”（位于8.1.4.8 條）?！禛B/T 41479-2022 信息安全技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理安全要求》在數(shù)據(jù)存儲方面提出相關(guān)要求“存儲重要數(shù)據(jù)和個人信息等敏感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，應(yīng)采用加密、安全存儲、訪問控制、安全審計等安全措施”（位于5.3 條）。

使用密碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)時，密碼本身安全性同樣應(yīng)予以重視。因?yàn)橹挥忻艽a技術(shù)只有得到合規(guī)、正確、有效應(yīng)用，才能發(fā)揮支撐作用，亂用、誤用密碼技術(shù)，使用了不合規(guī)、不安全的密碼產(chǎn)品會造成比不用密碼技術(shù)更廣泛、更嚴(yán)重的安全問題。為了規(guī)范密碼應(yīng)用和管理，《中華人民共和國密碼法》制定實(shí)施。配套的密碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)也在不斷豐富完善，目前在密標(biāo)委已制定119 項密碼行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并通過網(wǎng)站進(jìn)行發(fā)布，多項已上升為國家標(biāo)準(zhǔn)，如《信息系統(tǒng)密碼應(yīng)用基本要求》信息系統(tǒng)密碼應(yīng)用基本要求、《密碼模塊安全要求》密碼模塊安全要求等。在使用密碼進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保護(hù)過程中應(yīng)充分遵從以上密碼安全標(biāo)準(zhǔn)。

從數(shù)據(jù)安全需求入手，本文介紹了在我國現(xiàn)有規(guī)章制度和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系下的密碼加密數(shù)據(jù)保護(hù)相關(guān)技術(shù)，完成了對相關(guān)實(shí)踐總結(jié)。

1 基于服務(wù)器密碼機(jī)的數(shù)據(jù)保護(hù)

在信息系統(tǒng)應(yīng)用安全中，一直重視采用加密技術(shù)進(jìn)行防護(hù)。例如，在早期互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用登錄中，數(shù)據(jù)庫用MD5 存儲登錄口令（password）的哈希值，用戶登錄認(rèn)證時計算用戶提交的口令MD5 結(jié)果，比對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行判斷，當(dāng)哈希值相等時完成身份認(rèn)證判斷。采用口令MD5 方式，實(shí)際上保護(hù)了口令的明文，對數(shù)據(jù)泄露后數(shù)據(jù)保護(hù)具有一定的作用，但目前有很多攻擊方法可以通過MD5 值破解相應(yīng)原文，在現(xiàn)有密碼管理政策中，使用MD5 已經(jīng)屬于使用不合規(guī)的密碼算法了。

針對數(shù)據(jù)庫中大量的敏感信息，應(yīng)該采用更安全的加密方案?！禛B/T 39786-2021 信息安全技術(shù) 信息系統(tǒng)密碼應(yīng)用基本要求》是開展信息系統(tǒng)建設(shè)應(yīng)用密碼技術(shù)的主要依據(jù)。目前有三種方式，一是存儲在具有商用密碼產(chǎn)品型號的加密硬盤中；二是存儲在外部具有商用密碼產(chǎn)品型號的存儲加密設(shè)備中；三是利用外部服務(wù)器密碼機(jī)加密后再進(jìn)行存儲。第一種、第二種方式雖然使用比較最方便，數(shù)據(jù)加密存儲和解密讀取對應(yīng)用都是“透明”的，不需要修改現(xiàn)有應(yīng)用，但缺點(diǎn)也比較明顯，價格較高不適用于低成本的應(yīng)用場景。采用第三種部署服務(wù)器密碼機(jī)的方式，需要在代碼上進(jìn)行調(diào)整，并且要改變原有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。優(yōu)勢是價格相對便宜，方案比較成熟，數(shù)據(jù)加密由業(yè)務(wù)控制，可以防止防止數(shù)據(jù)庫或存儲管理員竊取數(shù)據(jù)等安全事件威脅發(fā)生。

在實(shí)踐工作中，主要采用部署服務(wù)器密碼機(jī)，通過在應(yīng)用中調(diào)用服務(wù)器密碼機(jī)的加/解密接口，將數(shù)據(jù)傳遞給密碼機(jī)，獲取計算結(jié)果后透傳給數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

2 服務(wù)器密碼機(jī)部署

服務(wù)器密碼機(jī)是以整機(jī)形態(tài)出現(xiàn)，具備完整密碼功能的產(chǎn)品，通常實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加解密、簽名/驗(yàn)證、密鑰管理、隨機(jī)數(shù)生成等功能。（除服務(wù)器密碼機(jī)外，還有鏈路密碼機(jī)、簽名驗(yàn)簽密碼機(jī)、金融密碼機(jī)等，本文以下用密碼機(jī)特指服務(wù)器密碼機(jī)）。應(yīng)用密碼機(jī)滿足了密碼應(yīng)用的多種安全性要求，一是密碼機(jī)本身具有較高的安全性，自身能夠抵御黑客遠(yuǎn)程控制或物理拆卸等攻擊。二是密碼機(jī)提供了符合政策標(biāo)準(zhǔn)要求的密碼算法。三是密碼機(jī)實(shí)現(xiàn)了安全的密鑰管理，能夠防止用戶密鑰泄漏。四是密碼機(jī)是支持密碼運(yùn)算的特定部件，運(yùn)算速度較高。目前我國服務(wù)器密碼機(jī)運(yùn)算速度能夠滿足應(yīng)用需求，SM3、SM4 處理速率可達(dá)10Gb/秒，SM2簽名速率可達(dá)150 萬次/秒。

密碼機(jī)的硬件架構(gòu)分成兩類型。一是采用工控機(jī)+密碼卡（PCI 接口），密碼卡負(fù)責(zé)執(zhí)行密鑰管理和密碼運(yùn)算，在工控機(jī)上提供對外服務(wù)接口。另一類密碼機(jī)采取自主設(shè)計芯片的技術(shù)路線，將密碼芯片集成到計算機(jī)主板上。如圖1 所示，從外觀上看密碼機(jī)和普通服務(wù)器相似，可以放置在機(jī)房機(jī)架中。

圖1 ：某廠商密碼機(jī)外觀

2.1 密碼機(jī)的部署方式

按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，通常密碼機(jī)和應(yīng)用服務(wù)器應(yīng)采用直連方式，即應(yīng)用服務(wù)器的一個網(wǎng)口與服務(wù)密碼機(jī)服務(wù)網(wǎng)口連接（服務(wù)密碼機(jī)通常具有多個服務(wù)網(wǎng)口及一個管理網(wǎng)口）。

如果不能滿足應(yīng)用服務(wù)器與密碼機(jī)直連要求，在同一個機(jī)房中可以通過交換機(jī)設(shè)置Vlan 或進(jìn)行訪問控制的方式，保護(hù)密碼機(jī)訪問。

有時密碼機(jī)部署在安全管理區(qū)或密碼設(shè)備管理區(qū)，這種分區(qū)劃分便于統(tǒng)一進(jìn)行訪問控制，也可以實(shí)現(xiàn)密碼設(shè)備和安全設(shè)備的集中管理。此時如果應(yīng)用服務(wù)器和密碼機(jī)采用跨區(qū)方式部署，必須采用通信信道保護(hù)。因?yàn)閼?yīng)用服務(wù)調(diào)用密碼機(jī)服務(wù)時，需要將明文等信息傳遞至密碼機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，在通信信道上傳遞的數(shù)據(jù)是明文形式，如果通信不采用身份認(rèn)證、加密等保護(hù)措施，系統(tǒng)將產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險點(diǎn)。密碼機(jī)部署架構(gòu)如圖2、圖3 所示。

圖2 ：直連模式和交換機(jī)連接模式

圖3 ：跨網(wǎng)段訪問模式

2.2 密碼機(jī)配置管理

應(yīng)用服務(wù)器通過密碼機(jī)廠商提供的配套驅(qū)動程序，設(shè)置密碼機(jī)IP 地址、認(rèn)證口令等，配置成功后可以實(shí)現(xiàn)像本地函數(shù)一樣的調(diào)用方式。

可以通過密碼機(jī)的服務(wù)接口對其狀態(tài)進(jìn)行檢查，密碼機(jī)采用《GM/T 0018 密碼設(shè)備應(yīng)用接口規(guī)范》中設(shè)備狀態(tài)結(jié)構(gòu)體，返回的設(shè)備相關(guān)信息，結(jié)構(gòu)體各字段如下所示。

為獲取密碼機(jī)支持的對稱加密算法，詳細(xì)介紹SymAlgAbility 含義，該字段長度為4 字節(jié)，該值代表為對稱加密算法標(biāo)識按位“或”運(yùn)算結(jié)果。對稱加密算法標(biāo)識的編碼規(guī)則為：從低位到高位，第0 位到到第7 位表示分組密碼工作模式，第8 位到第31 位按位表示分組密碼算法，例如：

SGD_SM1_ECB:0000 0000 0000 0000 0000 0001 0000 0001(0x00 00 01 01)

SGD_SM4_ECB:0000 0000 0000 0000 0000 0100 0000 0001(0x00 00 04 01)

SGD_SM4_CBC:0000 0000 0000 0000 0000 0100 0000 0010(0x00 00 04 02）、

國密對稱加密算法包括SM1、SSF33、SM4、ZUC，工作模式包括ECB（ Electronic Code Book 電碼本模式）、CBC（Cipher Block Chaining 密碼分組鏈接模式）、CFB（Ciphertext Feedback 密 文 反 饋 模 式）、OFB（Output Feedback 輸出反饋模式）等。ECB、CBC、CFB、OFB的編碼為01、02、04、08。

2.3 密碼機(jī)的調(diào)用

以典型Web 應(yīng)用將密文存儲到數(shù)據(jù)庫為例，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。密碼機(jī)完成初始化后，進(jìn)入就緒狀態(tài)，應(yīng)用服務(wù)器可以通過接口調(diào)用密碼機(jī)服務(wù)。

圖4 ：部署服務(wù)器密碼機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.3.1 數(shù)據(jù)加密

當(dāng)應(yīng)用中產(chǎn)生需要寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)時，在調(diào)用數(shù)據(jù)庫應(yīng)用接口執(zhí)行Insert 命令前，調(diào)用密碼機(jī)服務(wù)器的對稱加密服務(wù)，根據(jù)密碼設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)，對稱加密函數(shù)名聲明應(yīng)為SDF_Encrypt，并根據(jù)函數(shù)聲明設(shè)置明文數(shù)據(jù)、密鑰句柄等參數(shù)等，根據(jù)接口函數(shù)返回值，獲得加密后的密文，并將密文存儲到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)應(yīng)用從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)時，應(yīng)首先解密密文，密碼設(shè)備解密函數(shù)的聲明為SDF_Decrypt。如圖5 所示。

圖5 ：數(shù)據(jù)加密及存儲到數(shù)據(jù)庫流程

服務(wù)器密碼機(jī)的接口使用是一個有狀態(tài)的過程，需要遵循一定的順序，并且需要維持上下文，包括打開設(shè)備、創(chuàng)建會話、加密、關(guān)閉會話、關(guān)閉設(shè)備等流程，每個過程的函數(shù)聲明和作用如下：

0.SDF_GenerateKeyWithKEK：創(chuàng)建加密密鑰，獲得加密密鑰句柄；

1.SDF_OpenDevice: 打開設(shè)備，獲得設(shè)備句柄；

2.SDF_OpenSession: 創(chuàng)建會話，獲得會話句柄；

3.SDF_Encrypt: 利用會話密鑰加密數(shù)據(jù)；

4.SDF_CloseSession: 關(guān)閉會話，銷毀會話句柄；

5.SDF_CloseDevice: 關(guān)閉設(shè)備，銷毀設(shè)備句柄。

創(chuàng)建加密的密鑰，函數(shù)聲明如下，

uiKeyBits 指定生成加密密鑰的長度，SM4需要密鑰長度為16 字節(jié)；uiAlgID 是算法標(biāo)識，SM4 算法標(biāo)識為0x00 00 04 01；uiKEKIndex 為密碼機(jī)內(nèi)部存儲密鑰加密密鑰的索引值，加密密鑰在密碼機(jī)中必須不能以明文方式存儲，因此在密碼機(jī)中密鑰的存儲應(yīng)采用相應(yīng)的密鑰加密密鑰，加密后進(jìn)行存儲，密鑰加密密鑰KEK 在采用索引方式引用；phKeyHandle 為返回的密鑰句柄，應(yīng)用于加密、解密函數(shù)。

2.3.2 完整性保護(hù)

完整性保護(hù)的目的是為了防止數(shù)據(jù)被篡改，因此數(shù)據(jù)的完整性保護(hù)與機(jī)密性保護(hù)同樣重要。數(shù)據(jù)完整性保護(hù)機(jī)制是在數(shù)據(jù)存儲時計算敏感數(shù)據(jù)的雜湊值，并一起保存在數(shù)據(jù)庫中。讀取數(shù)據(jù)庫時獲得數(shù)據(jù)后，應(yīng)采用相同的哈希算法計算雜湊值，通過比較計算雜湊結(jié)果和數(shù)據(jù)存儲時的雜湊值，當(dāng)兩值相同時可以證明數(shù)據(jù)記錄沒有被篡改。這里必須注意的是，如果攻擊者能夠修改存儲數(shù)據(jù)，可以將數(shù)據(jù)和雜湊值一同修改，即替換修改后數(shù)據(jù)的雜湊值。因此，用于完整性保護(hù)時，雜湊算法與密鑰一同使用，生產(chǎn)的雜湊值稱為MAC，這樣的雜湊算法稱為帶密鑰的雜湊算法（Keyed-hash Message Authentication Code，HMAC）。采用SM3 雜湊算法，密鑰K、消息D，計算HMAC 的公式如下：

密碼機(jī)計算MAC 接口函數(shù)原型為

hSessionHandle 代表建立的密碼機(jī)會話句柄，hKeyHandle 代表計算HMAC 需要的密碼句柄，uiAlgID 代表制定的MAC 算法，SM3 算法標(biāo)識為SGD_SM3(0x00 00 00 01)，pucData 代表需要進(jìn)行MAC 計算的明文。

以如下的數(shù)據(jù)庫模型為例，表設(shè)計為(id,姓名,手機(jī)號)，進(jìn)行加密安全性保護(hù)之后表結(jié)構(gòu)(id,姓名,加密[手機(jī)號],MAC)。手機(jī)號涉及個人敏感信息，采用SM4 加密保護(hù)，并將一條數(shù)據(jù)記錄中字段拼接成整體計算MAC，保存在字段MAC 中。讀取數(shù)據(jù)時，首先解密手機(jī)號，再拼接計算MAC`，計算MAC 與MAC`是否相等，判斷記錄的完整性是否被破壞。如圖6 所示。

圖6 ：數(shù)據(jù)加密保護(hù)示例

3 云服務(wù)器密碼機(jī)

隨著大部分應(yīng)用采用云的方式部署，部署獨(dú)立的密碼機(jī)問題越來越多。首先，在云環(huán)境下用戶無法自行部署，密碼機(jī)不能放在云服務(wù)的機(jī)房中；其次，云環(huán)境下服務(wù)器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)超出了簡單的架構(gòu)，必須為了實(shí)體服務(wù)器做好網(wǎng)絡(luò)上的訪問控制，才能滿足應(yīng)用服務(wù)器和密碼機(jī)之間的通信保護(hù)；第三，云環(huán)境下應(yīng)用服務(wù)器數(shù)量多，對密碼機(jī)數(shù)服務(wù)能力、運(yùn)算速度、密鑰管理數(shù)量等要求較高，使用獨(dú)立的密碼機(jī)管理復(fù)雜度較大。

為了滿足云環(huán)境下的密碼機(jī)使用需求，云服務(wù)商與密碼機(jī)設(shè)備廠商合作開發(fā)了云服務(wù)器密碼機(jī)（cloud cryptographic server），可以在云計算環(huán)境下，采用虛擬化技術(shù)，以網(wǎng)絡(luò)形式，能夠?yàn)槎鄠€租戶的應(yīng)用系統(tǒng)提供密碼服務(wù)的密碼設(shè)備。虛擬密碼機(jī)（virtual cryptographic server）云服務(wù)器密碼機(jī)上，采用虛擬化技術(shù)創(chuàng)建出來的提供類同實(shí)體密碼機(jī)服務(wù)的密碼服務(wù)實(shí)例。云服務(wù)器密碼機(jī)和虛擬密碼機(jī)由被稱作cloud-hosted hardware security module（CHSM）和virtual security module（VSM）。

云服務(wù)器密碼機(jī)提供了管理對接API，并支持創(chuàng)建多個虛擬密碼機(jī)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖7。從系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，將實(shí)體的密碼機(jī)進(jìn)行虛擬化后，使一臺實(shí)體密碼機(jī)能夠提供多臺獨(dú)立服務(wù)的虛擬密碼機(jī)（VSM），提高了密碼機(jī)的使用效率。云平臺通過CHSM 的管理接口，并對底層硬件設(shè)備進(jìn)行高度抽象，屏蔽了硬件差異，為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一服務(wù)。

圖7 ：云服務(wù)器密碼機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

目前并不是所有的密碼機(jī)都可以支持在云環(huán)境部署，并且能夠進(jìn)行云化部署的密碼機(jī)，應(yīng)符合《GM/T 0088-2020云服務(wù)器密碼機(jī)管理接口規(guī)范》。除公有云平臺外，在政務(wù)云中建設(shè)云服務(wù)密碼管理或云密碼資源池，還應(yīng)該遵守相關(guān)要求，一是云平臺自身使用的密碼資源池應(yīng)當(dāng)與供租戶使用的密碼資源池分開；二是一個密碼資源池的服務(wù)范圍最大為一個機(jī)房；三是基于云平臺建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施安全支撐平臺應(yīng)當(dāng)使用獨(dú)立的密碼資源池。以上密碼機(jī)的資質(zhì)及云平臺密碼資源池要求，應(yīng)被作為云環(huán)境下密碼安全性評估的重要要求。

4 結(jié)束語

近年來，數(shù)據(jù)加密存儲越來越被重視，相較于只用哈希算法進(jìn)行簡單加密，應(yīng)用中使用的算法強(qiáng)度、密鑰管理、密碼模塊等方面及國產(chǎn)化適配性在更多政策文件、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中提出要求。越來越多的應(yīng)用場景按要求使用了服務(wù)器密碼機(jī)，但是仍然存在沒有使用、使用不規(guī)范等問題，存在只有機(jī)密性等級高的數(shù)據(jù)信息才需要使用密碼機(jī)等認(rèn)識偏差。本文從詳細(xì)介紹了有關(guān)服務(wù)器密碼機(jī)部署模式、調(diào)用方法、密鑰管理等相關(guān)技術(shù)，并對云環(huán)境上服務(wù)器密碼機(jī)的管理和使用詳細(xì)進(jìn)行了介紹，能夠?qū)?yīng)用系統(tǒng)中數(shù)據(jù)加密保護(hù)起到促進(jìn)作用。