基于SSL和國(guó)密算法的安全傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代 乾 坤

(公安部第三研究所 上海 201204)

0 引 言

沒有網(wǎng)絡(luò)安全就沒有國(guó)家安全，就沒有經(jīng)濟(jì)社會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行，廣大人民群眾利益也難以得到保障。事實(shí)上，重大的網(wǎng)絡(luò)安全事件對(duì)世界范圍的網(wǎng)絡(luò)安全威脅和風(fēng)險(xiǎn)日益突出。如Facebook泄露5 000萬用戶數(shù)據(jù)，一度造成該公司市值下跌1 000億美元。2017年，WannaCry勒索病毒使得至少150個(gè)國(guó)家遭受了攻擊，受害的電腦超過了30萬臺(tái)，造成損失達(dá)80億美元。時(shí)至今日，勒索病毒一直威脅著網(wǎng)絡(luò)信息安全。

目前的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大部分基于TCP/IP協(xié)議設(shè)計(jì)開發(fā)，TCP/IP協(xié)議最初設(shè)計(jì)并非為安全通信設(shè)計(jì)，所以在用戶認(rèn)證授權(quán)、數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)仍S多安全機(jī)制方面存在大量的安全漏洞，惡意第三方可以通過偵聽破譯、截獲、篡改等非法手段，對(duì)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行破壞[1]。因此政務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)敏感性、網(wǎng)絡(luò)的虛擬性和開放性決定了包括Web應(yīng)用系統(tǒng)在內(nèi)的安全需要強(qiáng)有力的身份認(rèn)證和數(shù)據(jù)安全傳輸機(jī)制來保證。本文設(shè)計(jì)的安全傳輸系統(tǒng)作為某部數(shù)據(jù)備案系統(tǒng)的一部分，錄入的數(shù)據(jù)較為敏感，因此數(shù)據(jù)的安全傳輸尤為重要。為了能夠讓備案數(shù)據(jù)在系統(tǒng)間進(jìn)行安全傳輸，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。

1 技術(shù)路線

1.1 備案系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

備案系統(tǒng)采用“門店-市-省-部”四級(jí)部署模式，備案客戶端部署在各企業(yè)門店，根據(jù)各省具體情況，可選擇省級(jí)部署或者“市-省”兩級(jí)部署，各門店通過備案客戶端采集備案數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)備案，備案客戶端采集到的數(shù)據(jù)備案到市級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)，各地市級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)通過專用安全傳輸系統(tǒng)，上報(bào)備案數(shù)據(jù)到省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)，省級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)在接收到各地市上報(bào)的數(shù)據(jù)后，放入消息隊(duì)列，完成解密、解析并向部級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)報(bào)送，系統(tǒng)部署架構(gòu)見圖1。本文針對(duì)“市-省”“省-部”之間的數(shù)據(jù)安全交換機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，并最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)中的安全傳輸系統(tǒng)。

圖1 數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架

安全傳輸系統(tǒng)采用多層架構(gòu)設(shè)計(jì)，使用TCP/IP交互協(xié)議。根據(jù)各級(jí)單位業(yè)務(wù)量可采用均衡負(fù)載部署，均衡負(fù)載使用Nginx做業(yè)務(wù)分發(fā)，底層多節(jié)點(diǎn)服務(wù)集群。為了有效提高數(shù)據(jù)傳輸效率，接收到的待傳輸數(shù)據(jù)采用ActiveMQ消息中間件臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。MyBatis作為數(shù)據(jù)庫ORM框架，Durid作為數(shù)據(jù)庫連接池，Redis緩存數(shù)據(jù)庫資源。底層數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤陣列中，數(shù)據(jù)庫采用MySQL主從模式部署，KeepAlived保證主從切換機(jī)制。系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

1.3 安全傳輸系統(tǒng)工作流程

各級(jí)數(shù)據(jù)平臺(tái)配備本級(jí)安全傳輸系統(tǒng)，平臺(tái)需要上報(bào)或接收的數(shù)據(jù)，通過安全傳輸系統(tǒng)完成。安全傳輸系統(tǒng)在接收到平臺(tái)傳送的數(shù)據(jù)后，按照給定的目的地址完成安全傳送，到達(dá)指定目的地址后，由目的地址數(shù)據(jù)平臺(tái)完成數(shù)據(jù)解密、解析、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)工作。例如，圖3有數(shù)據(jù)平臺(tái)A、數(shù)據(jù)平臺(tái)B，分別部署了安全傳輸系統(tǒng)A、安全傳輸系統(tǒng)B。數(shù)據(jù)平臺(tái)A與數(shù)據(jù)平臺(tái)B的數(shù)據(jù)交互流程如下：

圖3 安全傳輸系統(tǒng)工作流程示意圖

數(shù)據(jù)平臺(tái)A上報(bào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)平臺(tái)B：

1) 數(shù)據(jù)平臺(tái)A把需要上報(bào)的數(shù)據(jù)通過圖3中流程1，明文交給安全傳輸系統(tǒng)A，并指定要傳送的目的地址數(shù)據(jù)平臺(tái)B，安全傳輸系統(tǒng)A把要傳輸數(shù)據(jù)放入消息中間件。

2) 安全傳輸系統(tǒng)A在接收到數(shù)據(jù)平臺(tái)A的傳送指令后，根據(jù)目的地址，與安全傳輸系統(tǒng)B建立雙向握手。

3) 握手完成后，通過生成的對(duì)稱密鑰，完成數(shù)據(jù)加密。

4) 加密后的數(shù)據(jù)通過圖3中流程5，完成到安全傳輸系統(tǒng)B的發(fā)送。

5) 安全傳輸系統(tǒng)B在接收密文后，放入消息中間件，交給消息驅(qū)動(dòng)Bean進(jìn)行數(shù)據(jù)解密、解析。

6) 解密后的明文數(shù)據(jù)放入消息中間件，消息中間件的消息驅(qū)動(dòng)Bean通過圖3中的流程3完成到數(shù)據(jù)平臺(tái)B的傳輸。

7) 數(shù)據(jù)平臺(tái)B在接收到數(shù)據(jù)后，完成解析、入庫，至此數(shù)據(jù)安全上報(bào)完成。

數(shù)據(jù)平臺(tái)B下發(fā)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)平臺(tái)A：

1) 數(shù)據(jù)平臺(tái)B把需要下發(fā)的數(shù)據(jù)通過圖3中流程4，明文交給安全傳輸系統(tǒng)B，并指定要傳送的目的地址數(shù)據(jù)平臺(tái)A，安全傳輸系統(tǒng)B把要傳輸數(shù)據(jù)放入消息中間件。

2) 安全傳輸系統(tǒng)B在接收到數(shù)據(jù)平臺(tái)B的傳送指令后，根據(jù)目的地址，與安全傳輸系統(tǒng)A建立雙向握手。

3) 握手完成后，通過生成的對(duì)稱密鑰，完成數(shù)據(jù)加密。

4) 加密后的數(shù)據(jù)通過圖3中流程5，完成到安全傳輸系統(tǒng)A的發(fā)送。

5) 安全傳輸系統(tǒng)A在接收密文后，放入消息中間件，交給消息驅(qū)動(dòng)Bean進(jìn)行數(shù)據(jù)解密、解析。

6) 解密后的明文數(shù)據(jù)放入消息中間件，消息中間件的消息驅(qū)動(dòng)Bean通過圖3中的流程2完成到數(shù)據(jù)平臺(tái)A的傳輸。

7) 數(shù)據(jù)平臺(tái)A在接收到數(shù)據(jù)后，完成解析、入庫，至此數(shù)據(jù)安全下發(fā)完成。

2 應(yīng)用安全關(guān)鍵技術(shù)

2.1 防中間人攻擊設(shè)計(jì)

中間人攻擊又稱“MITM攻擊”(Man-in-the-Middle Attack)，是一種間接的入侵式攻擊，通過如ARP欺騙的方式收到客戶端原應(yīng)發(fā)給服務(wù)器的連接請(qǐng)求，再通過對(duì)服務(wù)器證書篡改，獲得客戶端的信任，同時(shí)采取一系列技術(shù)手段最終得到被加密的通信數(shù)據(jù)。顯然，這是在通信雙方毫不知情的情況下秘密進(jìn)行的[2-3]。

在實(shí)施中間人攻擊時(shí)，攻擊者攔截客戶端發(fā)送給服務(wù)器的請(qǐng)求，然后偽裝成客戶端與服務(wù)器進(jìn)行通信，將服務(wù)器返回給客戶端的內(nèi)容發(fā)送給客戶端，偽裝成服務(wù)器與客戶端進(jìn)行通信。通過這個(gè)中間位置，便可以獲取到客戶端與服務(wù)器之間通信的所有內(nèi)容。

防止中間人劫持的有效措施是能夠校驗(yàn)客戶端與服務(wù)器端的真實(shí)性。安全傳輸系統(tǒng)為了能夠在兩個(gè)安全傳輸系統(tǒng)間完成身份的真實(shí)性驗(yàn)證，增加了預(yù)分配密鑰作為間接憑證。在雙向握手過程中，隨機(jī)數(shù)通過密文方式傳輸，傳輸時(shí)增加消息鑒別碼，對(duì)隨機(jī)數(shù)預(yù)分配密鑰加密后進(jìn)行SM3雜湊值計(jì)算得到消息鑒別碼，因?yàn)殡S機(jī)數(shù)密文傳輸，保證了消息鑒別碼的不可偽造，從而保證了中間人獲取通信明文的可能，達(dá)到防止中間人攻擊的目的。

2.2 防重放攻擊設(shè)計(jì)

重放攻擊(Replay Attacks)也稱為回放攻擊，即攻擊者把以前竊聽到消息或消息片段原封不動(dòng)地重新發(fā)送給接收方達(dá)到對(duì)主體進(jìn)行欺騙的攻擊行為，其主要用于破壞認(rèn)證正確性。重放攻擊是攻擊行為中危害較為嚴(yán)重的一種[4-5]。假如網(wǎng)絡(luò)賬戶中的資金轉(zhuǎn)出操作，一條消息表示用戶發(fā)送了一個(gè)轉(zhuǎn)賬請(qǐng)求，攻擊者在竊聽到消息體后，可以通過多次發(fā)送這條消息而偷竊賬戶余額，從而使客戶賬戶遭受損失。

安全傳輸系統(tǒng)中為了防止重放攻擊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，增加了數(shù)據(jù)新鮮性檢查機(jī)制。數(shù)據(jù)傳輸發(fā)起方在雙向握手及發(fā)送數(shù)據(jù)過程中，增加了時(shí)間戳請(qǐng)求參數(shù)，且時(shí)間戳以密文方式傳輸，只有取得預(yù)分配密鑰才能對(duì)密鑰進(jìn)行解析。接收方在接收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解密，并判斷數(shù)據(jù)是否為新鮮發(fā)送的數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)安全傳輸設(shè)計(jì)

3.1 基于SSL及SM4的雙向握手

TCP/IP協(xié)議組是目前使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，作為Internet使用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議集，是黑客實(shí)施網(wǎng)絡(luò)攻擊的重點(diǎn)目標(biāo)。SSL安全傳輸協(xié)議能夠認(rèn)證客戶端與服務(wù)器，在客戶端服務(wù)器間建立加密通道；加密數(shù)據(jù)以防止數(shù)據(jù)中途被竊取；維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不被篡改。SSL協(xié)議可分為三層：SSL記錄協(xié)議(SSL Record Protoco1)，它建立在可靠的傳輸協(xié)議(如TCP)之上，為高層協(xié)議提供數(shù)據(jù)封裝、壓縮、加密等基本功能的支持。SSL握手協(xié)議(SSL Handshake Protoco1)，它建立在SSL記錄協(xié)議之上，用于在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸開始前，通信雙方進(jìn)行身份認(rèn)證、協(xié)商加密算法、交換加密密鑰。SSL警報(bào)協(xié)議，客戶機(jī)和服務(wù)器發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，向?qū)Ψ桨l(fā)送一個(gè)警報(bào)消息，如果是致命錯(cuò)誤，則算法會(huì)立即關(guān)閉SSL連接，刪除中間數(shù)據(jù)[6]。SSL保證TCP/IP的通信應(yīng)用程序間的隱私保護(hù)與完整性，Internet的超文本傳輸協(xié)議HTTP可以使用SSL來實(shí)現(xiàn)安全的通信，即HTTPS。

超文本傳輸安全協(xié)議(Hypertext Transfer Protocol Secure，HTTPS)是以安全為目標(biāo)的HTTP通道，即HTTP下加入SSL層，HTTPS的安全基礎(chǔ)是SSL。數(shù)據(jù)安全傳輸系統(tǒng)采用HTTPS協(xié)議，建立會(huì)話后，采用SM4國(guó)密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加解密。

根據(jù)SSL協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)基于RSA服務(wù)器證書通過HTTPS請(qǐng)求建立SSL通道，通過SSL通道交換系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)密文，利用系統(tǒng)預(yù)分配密鑰解密密文得到隨機(jī)數(shù)，由雙方隨機(jī)數(shù)生成SM4加密密鑰。至此基于SSL通道的雙向會(huì)話連接過程結(jié)束，系統(tǒng)間建立了采用國(guó)密算法的數(shù)據(jù)加密機(jī)制。

安全傳輸系統(tǒng)間通過SSL交換隨機(jī)數(shù)，隨機(jī)數(shù)通過系統(tǒng)預(yù)分配密鑰加密傳輸。以安全傳輸系統(tǒng)A(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)A)與安全傳輸系統(tǒng)B(簡(jiǎn)稱系統(tǒng)B)的雙向握手過程為例，獲取A系統(tǒng)發(fā)送的隨機(jī)數(shù)密文ARM，用預(yù)分配密鑰SM4解密后得到A系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)AR，同時(shí)B系統(tǒng)生成隨機(jī)數(shù)BR，AR與BR異或后得到加密密文SKB，同時(shí)返回B系統(tǒng)生成的隨機(jī)數(shù)密文BRM。A系統(tǒng)收到B系統(tǒng)響應(yīng)后，獲取B系統(tǒng)響應(yīng)的隨機(jī)數(shù)密文BRM，用預(yù)分配密鑰SM4解密后得到B系統(tǒng)隨機(jī)數(shù)BR，AR與BR異或后得到加密密文SKA，SKA與SKB一樣，至此雙向握手建立完成，A系統(tǒng)和B系統(tǒng)之間的安全傳輸通道建立完成。A系統(tǒng)與B系統(tǒng)的雙向握手過程(詳見圖4)如下：

圖4 安全傳輸系統(tǒng)雙向握手流程

1) 系統(tǒng)A生成隨機(jī)數(shù)AR=Random()，并對(duì)隨機(jī)數(shù)AR用預(yù)分配密鑰加密得到ARM。

ARM=SM4ENC(KEY1,AR)

2) 計(jì)算請(qǐng)求MAC值A(chǔ)Hmac，獲取時(shí)間戳AT。

AHmac=SM3(AR)

AT=new NOW()

3) HTTPS發(fā)送請(qǐng)求到系統(tǒng)B。

4) 系統(tǒng)B完成接收，解析得到ARM、AHmac、AT。

5) 預(yù)分配密鑰解密ARM，得到系統(tǒng)A的生成的隨機(jī)數(shù)ARL。

ARL=SM4DEC(KEY1,ARM)

6) 計(jì)算AR的MAC值A(chǔ)HmacL，判斷AHmac與AHmacL是否一致，不一致返回完整性校驗(yàn)失敗，握手失敗。

AHmacL=SM3(ARL)

7) 獲取服務(wù)器時(shí)間NT，計(jì)算時(shí)間戳AT與服務(wù)器時(shí)間的差值是否大于60 s,大于60 s返回請(qǐng)求超時(shí)。

NT=new NOW()

AT-NT>60 s

8) 獲取系統(tǒng)B隨機(jī)數(shù)BR=Random()，分別計(jì)算BR密文BRM、BR的MAC值BHmac。

BRM=SM4ENC(KEY1,BR)

BHmac=SM3(BR)

9) 計(jì)算會(huì)話密鑰SKB并放入內(nèi)存。

SKB=SM4ENC(KEY2,ARLXORBR)

10) 響應(yīng)并返回BRM、BHmac。

11) 系統(tǒng)A獲取響應(yīng)參數(shù)BRM、BHmac，解密BRM得到BRL。

BRL=SM4DEC(KEY1,BRM)

12) 計(jì)算BR的MAC值BHmacL。

BHmacL=SM3(BRL)

13) 計(jì)算BRL的MAC值BHmacL，判斷BHmac與BHmacL是否一致，不一致返回完整性校驗(yàn)失敗，握手失敗。

BHmacL=SM3(BRL)

14) 計(jì)算會(huì)話密鑰SKA放入內(nèi)存，至此雙向握手結(jié)束。

SKA=SM4ENC(KEY2,ARXORBRL)

3.2 SM4加密算法保護(hù)數(shù)據(jù)安全

SM4是我國(guó)商用分組密碼算法。在商用密碼體系中，SM4是一種對(duì)稱加密算法，其算法公開，分組長(zhǎng)度與密鑰長(zhǎng)度均為128 bit，加密算法與密鑰擴(kuò)展算法都采用32輪非線性迭代結(jié)構(gòu)，S盒為固定的8 bit輸入8 bit輸出[7-8]。

安全傳輸系統(tǒng)采用HTTPS進(jìn)行隨機(jī)數(shù)交換，交換后的隨機(jī)數(shù)異或后采用SM4加密后得到會(huì)話密鑰，系統(tǒng)采用ECB模式進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的SM4加密。

4 結(jié) 語

針對(duì)某政務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)上報(bào)、下發(fā)的需求，采用多層架構(gòu)設(shè)計(jì)及TCP/IP交互協(xié)議，設(shè)計(jì)開發(fā)了基于SSL及國(guó)密算法的數(shù)據(jù)安全傳輸系統(tǒng)。通過研究SSL、SM3、SM4、防中間人攻擊、防重放攻擊等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)一套通過SSL通道交換預(yù)分配密鑰加密的隨機(jī)數(shù)，完成系統(tǒng)間雙向握手，建立會(huì)話過程的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制。采用ActiveMQ、MyBatis、Durid、Redis、業(yè)務(wù)集群等技術(shù)，有效保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定高效傳輸。系統(tǒng)采用國(guó)密算法SM4，既保證數(shù)據(jù)的安全，又因?yàn)椴捎脤?duì)稱加密算法，保證了數(shù)據(jù)加解密傳輸效率。通過時(shí)間戳有效防止應(yīng)用數(shù)據(jù)重放攻擊，通過雜湊值有效防止應(yīng)用數(shù)據(jù)中間人攻擊，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性，達(dá)到了數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目的。