长安链ChainMaker国密TLS设计与实现

背景

互联网上传输的数据，每时每刻都存在着被窃听和篡改的风险，SSL/TLS协议在保护用户数据机密性、完整性以及身份鉴别等方面发挥了重大作用。国际通用TLS协议并不包含中国国密局推荐使用的商用密码算法（即国密算法）套件，而绝大部分的编程语言原生TLS实现、第三方开源TLS实现大都不支持国密套件。随着国内安全合规、自主可控政策的指引，国密TLS的需求也越来越大，尤其在金融、政务领域已然成为刚需。与此同时，国密相关密码产品大多依托于硬件或者芯片，存在价格昂贵，部署成本高，部分中小企业用户难以承担的问题。国密软件产品存在以下问题也急需解决：

1. 未形成国密权威密码实现库，开源生态不活跃；

2. 国密TLS实现不完善，各语言版本支持现状参差不齐。

国密算法套件包括SM2签名、SM2非对称加密、SM3杂凑函数（哈希）、SM4对称加密，以及一个国密密钥协商协议。要在安全信道中完全使用国密算法，对TLS协议实现、与其相关的X509协议实现都需要做大量的改造适配。应用层的协议(GRPC、HTTP等)在实现上也需要做相应的适配。

长安链致力于打造国内完全自主可控区块链，启用全国密算法，支持国密TLS成为必要需求。本文主要内容：

1.长安链国密支撑整体设计思路；

2.长安链国密TLS支持现状；

3.长安链国密未来工作。

整体设计思路

密码技术作为长安链底层重要技术之一，在主项目chainmaker-go，ca服务、中间件以及SDK中都有深度应用。长安链在整体设计上，综合考虑了算法性能、扩展性、标准化等方面，密码相关组件如下： 

1. 密码算法库：提供统一密码算法接口，支持不同密码算法以及实现的扩展；

2. 密码协议库：支持标准TLS，包括国际标准和国密标准；

3. 密码应用：长安链密码技术应用依赖于“密码算法库”和“密码协议库”，解耦具体实现细节。

长安链国密TLS支持现状

长安链后端服务采用Golang语言实现，通过grpc对外提供区块链服务。生态工具SDK支持Golang、Java等不同语言。目前为止，长安链已经完成了区块链服务与客户端SDK，区块链网络节点之间的双向国密TLS通信。

长安链服务调用以及国密TLS支撑图如下： 

1. golang服务端：底层基于grpc通信，其中TLS握手采用长安链密码协议库（支持国密TLS以及国际TLS协议）；

2. golang客户端：同上；

3. java客户端：由于java调用长安链golang密码协议库支持国密TLS，工作量较大并且维护困难，实现上采用了比较成熟的netty-tcnative + 国密openssl方式。

密码算法库

长安链密码算法库采用golang语言实现，目前支持主流国际密码算法AES、RSA、ECC以及SHA系列算法，并已经全面支持SM2、SM3以及SM4国密算法。底层国密实现目前采用了tjfoc密码库。

密码协议库

长安链密码协议库包含国密x509、国密TLS，并兼容国际x509、国际TLS标准。国密TLS实现库包含golang国密tls 和java国密tls两个实现。

1. golang国密tls：在golang标准库（golang1.14版本）基础上，增加了SM2算法、SM3算法、国密X509以及SM2-SM3算法套件支持，并独立为单独的国密协议库。

2. java国密tls：包含国密算法部分和国密TLS协议两个部分。国密算法部分 Java侧由Java标准库CurveDB类提供，国密通过反射机制注入到Java标准库，国密算法实现自主研发，符合国密算法标准。国密TLS协议部分主要由长安链国密openssl提供，Java侧通过反射机制将SM3WithSM2标识注入到 netty ssl io.netty.handler.ssl.ExtendedOpenSslSession 支持的签名算法 LOCAL_SUPPORTED_SIGNATURE_ALGORITHMS 列表中，Java netty 通过 netty-tcnative 调用openssl底层密码功能。目前 netty-tcnative 已支持macOS、linux、windows以及linux_aarch等平台，并在长安链chainmaker-java-sdk中实现了平台兼容性，用户只要下载长安链官方java sdk就可以实现客户端与链的国密TLS通信，无需关心netty-tcnative国密的跨平台问题。

国密openssl

长安链的国密openssl实现是在OpenSSL-1.1.1l的基础上改造的。OpenSSL 在 1.1.1 版本中引入了国密算法的实现，但是仅仅提供了算法接口，没有把国密算法引入到任何通信协议中去支持。长安链国密openssl把国密算法的支持加入到X509协议中。主要包括：

1. 按PKCS8标准实现SM2私钥的编码序列化；

2. 按PKIX定义的公钥编码方式实现SM2算法公钥的序列化；

3. 实现ECC编码的SM2签名的序列化；

4. 将SM2算法、SM3算法、SM2-SM3算法套件、SM2曲线的OID引入到X509的逻辑中。

完成了X509协议的国密支持后，进一步改造了TLS协议，主要包括：

1. 把国密算法套件加入到支持的密码算法包列表中，以供server、client两端进行算法套件的协商；

2. 在ECDSA对应的协议套件中去支持了国密算法的逻辑；

3. 身份认证阶段，使用改造过的x509协议进行国密证书验证。

未来工作

1. 支持 高性能国密库 实现：长安链开源的国密算法库目前支持tjfoc实现，与北大gmssl等使用C语言实现的密码库在性能上有一定差距，接下来我们会引入多种C语言实现，提升国密处理性能。

2. 支持 国密双证书 体系：目前长安链国密TLS在国密证书、国密算法SM2和SM3上进行了支持，在与标准国密SSL互联互通上还需要进一步改进和完善。