## 前言

國密即國家密碼局認定的國產密碼演算法。透過自主可控的國產密碼演算法保護重要資料的安全，是有效提升資訊保安保障水平的重要舉措。目前，我國在金融銀行、教育、交通、通訊、國防工業等各類重要領域的資訊系統均已開始進行國產密碼演算法的升級改造。

隨著汽車電動化、網聯化、智慧化交融發展，車輛執行安全、資料安全和網路安全風險交織疊加，亟需加快建立健全車聯網網路安全和資料安全保障體系，為車聯網產業安全健康發展提供支撐。2022 年 2 月，工業和資訊化部在現有國家車聯網產業標準體系的基礎上，組織編制了《車聯網網路安全和資料安全標準體系建設指南》，其中已釋出的 GB/T 37376-2019《交通運輸數字證照格式》等國標檔案中，凡涉及密碼演算法相關的內容，均考慮了國密的應用與實現。

本文將詳細介紹國密演算法的分類及應用，以及如何使用 [EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 實現國密證照整合，保障車聯網資訊保安。

## 國密的分類

為了保障在金融、醫療等領域保障資訊傳輸安全，國家商用密碼管理辦公室制定了一系列密碼標準，包括SM1（SCB2）、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9、祖沖之密碼演算法（ZUC）等。其中 SM1、SM4、SM7 是對稱演算法，SM2、SM9 是非對稱演算法，SM3 是雜湊演算法。

### SM1 演算法

SM1 演算法是分組對稱演算法，分組長度為 128 位，金鑰長度都為 128 位元，演算法安全保密強度及相關軟硬體實現效能與 AES 相當，演算法不公開，僅以 IP 核的形式存在於晶片中。採用該演算法已經研製了系列晶片、智慧 IC 卡、智慧密碼鑰匙、加密卡、加密機等安全產品，廣泛應用於電子政務、電子商務及國民經濟的各個應用領域（包括國家政務通、警務通等重要領域）。

### SM2 演算法

SM2 演算法是一種先進安全的公鑰密碼演算法，在我們國家商用密碼體系中被用來替換 RSA 演算法。SM2 演算法就是 ECC 橢圓曲線密碼機制，但在簽名、金鑰交換方面不同於 ECDSA、ECDH 等國際標準，而是採取了更為安全的機制。另外，SM2 推薦了一條 256 位的曲線作為標準曲線。

### SM3 演算法

SM3 是一種雜湊演算法，其演算法本質是給資料加一個固定長度的指紋，這個固定長度就是256位元。用於密碼應用中的數字簽名和驗證、訊息認證碼的生成與驗證以及隨機數的生成，可滿足多種密碼應用的安全需求。

### SM4 演算法

SM4 演算法是一個分組演算法，用於無線區域網產品。該演算法的分組長度為 128 位元，金鑰長度為 128 位元。加密演算法與金鑰擴充套件演算法都採用 32 輪非線性迭代構。解密演算法與加密演算法的結構相同，只是輪金鑰的使用順序相反，解密輪金鑰是加密輪金鑰的逆序。

### SM7 演算法

SM7 演算法是一種分組密碼演算法，分組長度為 128 位元，金鑰長度為 128 位元。SM7 的演算法文字目前沒有公開發布。

### SM9 演算法

SM9 是基於對的標識密碼演算法，與 SM2 類似，包含四個部分：總則，數字簽名演算法，金鑰交換協議以及金鑰封裝機制和公鑰加密演算法。

目前支援國密演算法的軟硬體密碼產品包括 SSL 閘道器、數字證照認證系統、金鑰管理系統、金融資料加密機、簽名驗籤伺服器、智慧密碼鑰匙、智慧 IC 卡、PCI 密碼卡等多種型別。但常用的作業系統、瀏覽器、網路裝置、負載均衡裝置等軟硬體產品，仍然不支援國產密碼演算法。受到國密演算法相容性的制約，在 HTTPS 加密應用方面，國密演算法的應用仍然比較滯後。

## 國密（GmSSL）證照與傳統 SSL 證照對比

[![國密演算法與傳統演算法對比](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/019cef6ed9c1cea7.png?x-oss-process=style/bb "國密演算法與傳統演算法對比")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "國密演算法與傳統演算法對比")

### 演算法

傳統 SSL 證照通常是 RSA 演算法（2048 位），它是目前最有影響力和最常用的公鑰加密演算法，能抵抗已知的絕大多數密碼攻擊。但是隨著密碼技術的飛速發展，證實了 1024 位 RSA 演算法存在著被攻擊的風險，現已升級到 2048 位 RSA 演算法。

現階段的國密 SM2 證照採用的是 ECC 演算法（256 位），由國家密碼管理局於 2010 年 12 月釋出，是我國自主設計的公鑰密碼演算法，在橢圓曲線密碼理論基礎進行改進而來，其加密強度比 RSA 演算法（2048 位）更高。

### 安全效能

雖然 RSA 演算法在目前的 SSL 證照市場中依然佔據著主流地位，但是隨著計算機技術的發展，加上對因子分解的改進，對低位數的金鑰攻擊已成為可能。

目前基於 ECC 演算法的 SM2 演算法普遍採用 256 位金鑰長度，它的單位安全強度相對較高，在工程應用中比較難以實現，破譯或求解難度基本上是指數級的。因此，ECC 演算法可以用較少的計算能力提供比 RSA 演算法更高的安全強度，而所需的金鑰長度卻遠比 RSA 演算法低。

此外，為了不斷提高安全強度，必須增加金鑰長度，ECC 演算法金鑰長度增長速度較慢（例如：224-256-384），而 RSA 演算法金鑰長度則需呈倍數增長（例如：1024-2048-4096）。

### 傳輸速度

在通訊過程中，更長的金鑰意味著必須來回傳送更多的資料以驗證連線。256 位的 SM2 演算法相對於 2048 位的 RSA 演算法，可以傳輸更少的資料，也就意味著更少的傳輸時間。經國外有關權威機構測試，在 Web伺服器中採用 SM2 演算法，Web 伺服器新建併發處理響應時間比 RSA 演算法快十幾倍。

> 國密演算法在設計時，RSA2048 是主流簽名演算法，所以這裡暫不討論 ECDSA 等演算法。

## 國密演算法在車雲通訊中的應用

國密演算法在車雲通訊中主要用於對傳輸協議加解密：車機端作為傳送端，一般資料都是用 SM4 對資料內容加密，使用 SM3 對內容進行摘要，再使用 SM2 對摘要進行簽名；訊息 Broker 作為接收端，先用 SM2 對摘要進行驗籤，驗籤成功後就做到了防抵賴，對傳送過來的內容進行 SM3 摘要，確認生成的摘要和驗籤後的摘要是否一致，用於防篡改。另外 SM4 在加密解密需要相同的金鑰，可以透過編寫金鑰交換模組實現生成相同的金鑰，用於 SM4 對稱加密。

關於非對稱演算法還要注意幾點：

1. 公鑰是透過私鑰產生的；
2. 公鑰加密，私鑰解密是加密的過程
3. 私鑰加密，公鑰解密是簽名的過程；

由於 SM4 加解密的分組大小為 128 位元，故對訊息進行加解密時，若訊息長度過長，需要進行分組，要訊息長度不足，則要進行填充。

## EMQ 基於國密演算法的傳輸加密認證整合方案

當前 EMQ 支援兩種國密證照整合方案。

一種是在 EMQX 上透過外掛的方式開發了一個國密認證 Java Gateway；

另一種是透過 C 語言的 GmSSL SDK 對原生的 Nginx/HAProxy 兩種主流的 LB 代理軟體進行編譯擴充套件，使其具備 GmSSL 證照認證解除安裝的能力。這種方案是我們更加推薦的。

[![車聯網國密演算法](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/029e0e67908dd1f3.png?x-oss-process=style/bb "車聯網國密演算法")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "車聯網國密演算法")

下面我們將介紹如何使用兩種代理軟體解決國密證照支援。

### Nginx 編譯擴充套件 GmSSL

1. 解壓 GmSSL: `tar -xvf gmssl_opt_xxx.tar.gz -C /usr/local`

2. 解壓 nginx: `tar -xvf nginx-x.xxx.tar.gz`

3. 進入 `cd [nginx-x.xxx](http://nginx-1.xxx/)` 目錄

4. 編輯 `auto/lib/openssl/conf`，將全部 `$OPENSSL/.openssl/` 修改為 `$OPENSSL/` 並儲存

5. 編譯配置

```gradle
   ./configure  \
       --prefix=/usr/local/nginx \
       --sbin-path=/usr/local/nginx/sbin/nginx \
       --conf-path=/usr/local/nginx/conf/nginx.conf \
       --error-log-path=/usr/local/nginx/log/nginx/error.log \
       --http-log-path=/usr/local/nginx/log/nginx/access.log \
       --pid-path=/var/run/nginx.pid \
       --lock-path=/var/run/nginx.lock \
       --http-client-body-temp-path=/usr/local/nginx/client_temp \
       --http-proxy-temp-path=/usr/local/nginx/proxy_temp \
       --http-fastcgi-temp-path=/usr/local/nginx/fastcgi_temp \
       --http-uwsgi-temp-path=/usr/local/nginx/uwsgi_temp \
       --http-scgi-temp-path=/usr/local/nginx/scgi_temp \
       --without-http_gzip_module \
       --with-http_ssl_module \
       --with-http_realip_module \
       --with-http_addition_module \
       --with-http_sub_module \
       --with-http_dav_module \
       --with-http_flv_module \
       --with-http_mp4_module \
       --with-http_random_index_module \
       --with-http_secure_link_module \
       --with-http_stub_status_module \
       --with-http_auth_request_module \
       --with-threads \
       --with-stream \
       --with-stream_ssl_module \
       --with-http_slice_module \
       --with-mail \
       --with-mail_ssl_module \
       --with-file-aio \
       --with-http_v2_module \
       --with-openssl=/usr/local/gmssl \
       --with-cc-opt="-I/usr/local/gmssl/include" \
       --with-ld-opt="-lm"
   ```

6. 編譯安裝：`make install`

7. `/usr/local/nginx` 即為生成的 nginx 目錄

8. 配置 `nginx.conf`：進入到 `/usr/local/nginx` 目錄，在 `conf/nginx.conf` 新增：`include /usr/local/nginx/conf/mqtt_tcp.conf`;

[![nginx.conf](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/06389d41e22c805e.png?x-oss-process=style/bb "nginx.conf")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "nginx.conf")

新增 mqtt_tcp.conf 檔案，內容如下：

- 單向認證

```nginx
     stream {
         log_format proxy '$remote_addr [$time_local] '
                      '$protocol $status $bytes_sent $bytes_received '
                      '$session_time "$upstream_addr" '
                      '"$upstream_bytes_sent" "$upstream_bytes_received" "$upstream_connect_time"';
         access_log /usr/local/nginx/log/tcp-access.log proxy;
         open_log_file_cache off;
         upstream mqtt_tcp_server {
            server 192.168.0.239:1883;      #高可用均衡配置
             #server 172.17.0.4:1883;
         }    
     
     server {
             listen       1883;  #監聽埠 也可以使用 1883
             #ssl_verify_client on;
     #        proxy_connect_timeout 150s;
     #        proxy_timeout 350s;
     #        proxy_next_upstream on;
             proxy_pass mqtt_tcp_server;  #反向代理地址
     #        proxy_buffer_size 3M;
             #tcp_nodelay on;
             proxy_protocol on;        
         }
     
     server {
             listen 8083 ssl;
             ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
             ssl_ciphers ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:AES128-SHA:DES-CBC3-SHA:ECC-SM4-CBC-SM3:ECDHE-SM4-GCM-SM3;
             ssl_verify_client off;
             ssl_certificate /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_sign.cer;
             ssl_certificate_key /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_sign.key;
             ssl_certificate_key /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_enc.key;
             ssl_certificate /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_enc.cer;
             proxy_pass mqtt_tcp_server;
             proxy_protocol on;
         }
     
     }
     ```

- 雙向認證

說明：雙向認證比單向認證多了 ssl_client_certificate：這個是 CA 證照，將簽名 CA 和金鑰 CA 合併到一個檔案，同時 ssl_verify_client 設定為 on。

```nginx
     stream {
         log_format proxy '$remote_addr [$time_local] '
                      '$protocol $status $bytes_sent $bytes_received '
                      '$session_time "$upstream_addr" '
                      '"$upstream_bytes_sent" "$upstream_bytes_received" "$upstream_connect_time"';
         access_log /usr/local/nginx/log/tcp-access.log proxy;
         open_log_file_cache on;
         upstream mqtt_tcp_server {
             server 192.168.0.239:1883;      #高可用均衡配置
             #server 172.17.0.4:1883;
         }     
     
         server {
             listen       1883;  #監聽埠 也可以使用1883
             #ssl_verify_client on;
     #        proxy_connect_timeout 150s;
     #        proxy_timeout 350s;
     #        proxy_next_upstream on;
             proxy_pass mqtt_tcp_server;  #反向代理地址
     #        proxy_buffer_size 3M;
             #tcp_nodelay on;
             proxy_protocol on;
         }
         server {
             listen 8083 ssl;
             ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
             ssl_ciphers ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256:AES128-SHA:DES-CBC3-SHA:ECC-SM4-CBC-SM3:ECDHE-SM4-GCM-SM3;
             ssl_verify_client on;
             ssl_client_certificate /usr/local/nginx/cert/ca.pem;
             ssl_certificate /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_sign.cer;
             ssl_certificate_key /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_sign.key;
             ssl_certificate_key /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_enc.key;
             ssl_certificate /usr/local/nginx/cert/Tsp_Server_Test_210906_enc.cer;
             proxy_pass mqtt_tcp_server;
             proxy_protocol on;
          }
     
      }
     ```

9. 啟動

在 `/usr/local/nginx` 下操作

啟動：`./sbin/nginx`

重啟：`./sbin/nginx -s reload`

停止：`./sbin/nginx -s stop`

驗證配置檔案是否正確：`./sbin/nginx -t`

### **HAProxy 整合 GmSSL 編譯擴充套件**

1. 解壓 GmSSL: `tar -xvf gmssl_opt_xxx.tar.gz -C /usr/local`

2. 解壓 HAProxy：`tar -xvf haproxy_xxx.tar.gz`

3. 進入 HAProxy 安裝目錄（不要和後面編譯生成的執行目錄同一目錄）修改

- 修改 makefile：

註釋 ：

`#OPTIONS_LDFLAGS += $(if $(SSL_LIB),-L$(SSL_LIB)) -lssl -lcrypto`

新增：

`OPTIONS_LDFLAGS += $(SSL_LIB)/libssl.aOPTIONS_LDFLAGS += $(SSL_LIB)/libcrypto.a -lm -lpthread -ldl`

[![HAProxy](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/7d25556f7b998125.jpeg?x-oss-process=style/bb "HAProxy")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "HAProxy")

- 修改原始碼：

檔案 src/ssl_sock.c 備註：不能直接修改紅色內容，還需要更換位置，按照修改的順序

函式 ssl_sock_put_ckch_into_ctx 將以下程式碼

```hsp
     if (SSL_CTX_use_PrivateKey(ctx, ckch->key) <= 0) {
         memprintf(err, "%sunable to load SSL private key into SSL Context '%s'.\n", err && *err ? *err : "", path);
         errcode |= ERR_ALERT | ERR_FATAL; return errcode;
     if (!SSL_CTX_use_certificate(ctx, ckch->cert)) {
         memprintf(err, "%sunable to load SSL certificate into SSL Context '%s'.\n", err && *err ? *err : "", path);
         errcode |= ERR_ALERT | ERR_FATAL;
         goto end; 
     }
     ```

修改為：

```hsp
     if (!SSL_CTX_use_certificate_file(ctx, path, SSL_FILETYPE_PEM)) {
         memprintf(err, "%sunable to load SSL certificate into SSL Context '%s'.\n", err && *err ? *err : "", path);
         errcode |= ERR_ALERT | ERR_FATAL;
         goto end;
     }
     
     if (SSL_CTX_use_PrivateKey_file(ctx, path, SSL_FILETYPE_PEM) <= 0) {
         memprintf(err, "%sunable to load SSL private key into SSL Context '%s'.\n", err && *err ? *err : "", path);
         errcode |= ERR_ALERT | ERR_FATAL; return errcode;
     }
     ```

[![src ssl_sock.c](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/87c6eeef352fe221.png?x-oss-process=style/bb "src ssl_sock.c")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "src ssl_sock.c")

4. 編譯

編譯前可能需要提前安裝相關依賴：

`yum install pcre-devel zlib-devel`

`make TARGET=linux31 USE_PCRE=1 USE_OPENSSL=1 USE_ZLIB=1 USE_CRYPT_H=1 USE_LIBCRYPT=1 SSL_INC=/root/gmssl/gmssl/include SSL_LIB=/root/gmssl/gmssl/lib`

> 備註：SSL_INC 和 SSL_LIB 指定 gmssl 解壓的路徑

5. 安裝

`make install PREFIX=/usr/local/haproxy`

> 備註：PREFIX=/usr/local/haproxy 是編譯生成的執行目錄，不要和安裝目錄同目錄。

6. 配置

- 證照準備：

將簽名證照 pem 檔案和簽名私鑰 pem 檔案合併成 XXX_sig.pem，檔名必須以 sig.pem 結尾

[![server_sig.pem](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/03c7a814c28c9ca6.png?x-oss-process=style/bb "server_sig.pem")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "server_sig.pem")

將加密證照 pem 檔案和加密私鑰 pem 檔案合併成 XXX_enc.pem，檔名必須以 enc.pem 結尾

XXX_enc.pem 將被隱式載入，且必須放到 XXX_sig.pem 的相同目錄下，比如: /usr/local/keystore/server_enc.pem

需要雙向認證的時候：CA 證照合併到一個檔案（選做）

[![CA 證照合併到一個檔案](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/2b8ae82d0433a03f.png?x-oss-process=style/bb "CA 證照合併到一個檔案")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "CA 證照合併到一個檔案")

- HAProxy.conf:

```smali
     global
             daemon
             ssl-default-bind-ciphers ECC-SM4-CBC-SM3:ECC-SM4-GCM-SM3
             #ssl-default-bind-options no-sslv3
             maxconn 256
             log 127.0.0.1 local7 info
         defaults
             mode tcp
             log global
             option tcplog
             timeout connect 5000ms
             timeout client 50000ms
             timeout server 50000ms
             stats uri /status
             #stats auth zp:123456
         frontend emqx_dashboard
             bind *:18083
             option tcplog
             mode tcp
             default_backend emqx_dashboard_back
         frontend emqx_tcps
             bind *:8883 ssl crt /usr/local/haproxy/cert/server_sig.pem ca-file /usr/local/haproxy/cert/ca.pem verify required
             option tcplog
             mode tcp
            default_backend backend_emqx_tcp
         frontend emqx_tcp
             bind *:1883
             option tcplog
             mode tcp
             default_backend backend_emqx_tcp
         frontend frontend_emqx_ws
             bind *:8083
             option tcplog
     #        option forwardfor
             mode tcp
             default_backend backend_emqx_ws
         backend emqx_dashboard_back
             balance roundrobin
             server emqx_node_1 192.168.92.120:18083 check
         backend backend_emqx_tcp
             mode tcp
     balance roundrobin
             server emqx_node_1 192.168.92.120:1883 check-send-proxy send-proxy-v2-ssl-cn
         backend backend_emqx_ws
             mode http
             option forwardfor
             balance roundrobin
             server emqx_node_1 192.168.92.120:8083 check-send-proxy send-proxy-v2 check inter 10s fall 2 rise 5
     ```

[![雙向認證](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/05/27/bc35361cd2e67241.png?x-oss-process=style/bb "雙向認證")](https://www.emqx.com/zh/blog/application-of-gmsm-in-internet-of-vehicles-security-authentication-scenario "雙向認證")

- 啟動測試

假如配置檔案放在：`/usr/local/haproxy/conf/` 下

啟動命令：`/usr/local/haproxy/sbin/haproxy -f /usr/local/haproxy/conf/haproxy.cfg`

## 結語

本文為大家介紹了國密演算法的基礎背景知識以及其在車聯網場景中的應用，同時介紹了 EMQ 基於國密演算法的傳輸加密認證整合方案，透過本文提供的配置操作示例，讀者可以嘗試在車聯網平臺中使用國密認證，進一步增加平臺安全性。

EMQ 車聯網 GmSSL 整合解決方案緊密對接車聯網產業對網路安全、資料安全的迫切需求，為車聯網通訊安全提供了有力保障。目前已經部署應用在車聯網平臺安全認證和 V2X 車路協同等多個車雲安全通訊場景。

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國密在車聯網安全認證場景中的應用

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