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TLS/GMSSL 服务端协议自适应

目录结构说明:

├─certs        // 证书以及密钥
├─websvr_test   //HTTP服务端/客户端测试Demo
└─websvr          //协议自适应实现

服务端 GMSSL/TLS 工作逻辑

autoswitchlogic

通过配置gmtls.Config 对象提供自动切换相关的配置，创建gmtls.Conn。

在对gmtls.Conn的Read/Wirte时将会触发握手行为HandShake。

HandShake会根据用户配置参数，判断需要使用 GMSSL、TLS、GMSSL/TLS 三种工作模式中的哪一种， 然后进入到相应的工作模式中运行。

  • TLS工作模式:
    • 运行serverHandshake 进入TLS握手。
    • 创建TLS握手上下文serverHandshakeState。
    • 读取并处理 来自于客户端的ClientHello 消息。
    • 进入 TLS握手流程。
  • GMSSL工作模式:
    • 运行serverHandshakeGM 进入GMSSL握手。
    • 创建TLS握手上下文serverHandshakeStateGM。
    • 读取并处理 来自于客户端的ClientHello 消息。
    • 进入 GMSSL握手流程。
  • GMSSL/TLS工作模式:
    • 运行serverHandshakeAutoSwitch 进入自动切换的握手模式。
    • 读取来自于客户端的ClientHello 消息。
    • 分析处理ClientHello，根据客户端协议版本。
    • 根据协议版本，选择使用具体握手方式：
      • GMSSL: 创建上下文serverHandshakeStateGM，进入GMSSL握手流程。
      • TLS: 创建上下文serverHandshakeState，进入TLS握手流程。

在GMSSL/TLS模式的服务端运行过程中，如何根据客户端版本选择需要使用的证书以及密钥？

自动切换模式，同时需要为服务端提供2份证书与密钥对（一份用于标准的TLS、一份用于GMSSL）, 在运行过程需要使用到gmtls.Config#GetCertificate方法来根据客户端的版本选择出合适的 证书密钥对，即在客户端版本是GMSSL的时候返回SM2签名证书密钥对；在客户端版本是标准的TLS时 返还RSA/ECC的证书密钥对，以次来动态适应不同客户端的连接需求。 针对于GMSSL特殊的双证书需求，特别为gmtls.Config增加了一个方法gmtls.Config#GetKECertificate 通过该方法来提供GMSSL密钥交换过程中使用密钥对。

更多细节实现见: auto_handshake_server

GMSSL/TLS 自动切换模式

快速开始：

  1. 准备 RSA、SM2签名、SM2加密，证书以及密钥对。
  2. 调用gmtls.NewBasicAutoSwitchConfig构造基础的配置对象。
  3. Use it.
func main() {
	config, err := gmtls.NewBasicAutoSwitchConfig(&sigCert, &encCert, &rsaKeypair)
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	ln, err := gmtls.Listen("tcp", ":443", config)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer ln.Close()

	http.HandleFunc("/", func(writer http.ResponseWriter, request *http.Request) {
		fmt.Fprintf(writer, "hello\n")
	})
	err = http.Serve(ln, nil)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
}

详细服务端的配置流程如下：

  1. 准备：
    • SM2签名密钥对、证书：sigCert
    • SM2加密密钥对、证书：encCert
    • RSA/ECC加密密钥对、证书：rsaKeypair
  2. 创建一个实现gmtls.Config#GetCertificate方法签名的方法，方法需要根据支持的签名类型：
    • 含有GMSSL版本：返回SM2签名证书密钥对(sigCert)。
    • 不含有GMSSL版本：返回RSA签名证书密钥对(rsaKeypair)。
  3. 创建一个实现gmtls.Config#GetKECertificate方法签名的方法，固定返回SM2加密证书密钥对(encCert)。
  4. 创建GMSupport并启用，自动切换模式。
  5. 创建gmtls.Config对象，接下就可以启动服务端实现自动切换功能。
fncGetSignCertKeypair := func(info *gmtls.ClientHelloInfo) (*gmtls.Certificate, error) {
    gmFlag := false
    // 检查支持协议中是否包含GMSSL
    for _, v := range info.SupportedVersions {
        if v == gmtls.VersionGMSSL {
            gmFlag = true
            break
        }
    }
    if gmFlag {
        return &sigCert, nil
    } else {
        return &rsaKeypair, nil
    }
}

fncGetEncCertKeypair := func(info *gmtls.ClientHelloInfo) (*gmtls.Certificate, error) {
    return &encCert, nil
}
support := gmtls.NewGMSupport()
support.EnableMixMode()
config := &gmtls.Config{
    GMSupport:        support,
    GetCertificate:   fncGetSignCertKeypair,
    GetKECertificate: fncGetEncCertKeypair,
}

更多细节请参考： HTTP over GMTLS/TLS Server Demo

TCLP 双向身份认证

服务端配置

  1. 设置启用国密TLCP支持。
  2. 配置服务端签名证书密钥和加密证书密钥。
  3. 设置服务端开启双向身份认证，并要求验证客户端证书。
  4. 配置根证书链，用于验证客户端证书。
config := &gmtls.Config{
    GMSupport:    gmtls.NewGMSupport(),
    Certificates: []gmtls.Certificate{sigCert, encCert},
    ClientAuth:   gmtls.RequireAndVerifyClientCert,
    ClientCAs:    certPool,
}

更多细节请参考：

客户端配置

  1. 设置启用国密TLCP支持。
  2. 配置双向身份认证的客户端方的签名证书和密钥对。
  3. 提供验证服务端证书的根证书链。
  4. 设置需要进行安全校验。

例如：

config := &gmtls.Config{
    GMSupport:          gmtls.NewGMSupport(),
    RootCAs:            certPool,
    Certificates:       []gmtls.Certificate{authKeypair},
    InsecureSkipVerify: false,
}

更多细节请参考：

国密HTTPS客户端

为了简化HTTPS客户端的构造gmtls包提供下面构造方法：

  • 创建单向身份认证HTTPS客户端：gmtls.NewHTTPSClient(*x509.CertPool)
  • 创建双向身份认证HTTPS客户端：gmtls.NewAuthHTTPSClient(*x509.CertPool, *gmtls.Certificate)
  • 创建定制化的TLS连接的HTTPS客户端：gmtls.NewCustomHTTPSClient(*gmtls.Config)

HTTPS 单向身份认证

单向身份认证客户端，只只验证服务器证书有效性，服务端不对客户端进行身份认证。

该模式下进行国密HTTPS的调用你需要：

  1. 提供根证书链。
  2. 构造HTTP客户端。
  3. 调用API访问HTTPS。
package main

import (
	"github.com/tjfoc/gmsm/gmtls"
	"github.com/tjfoc/gmsm/x509"
	"io/ioutil"
)

func main() {
	// 1. 提供根证书链
	certPool := x509.NewCertPool()
	cacert, err := ioutil.ReadFile("websvr/certs/SM2_CA.cer")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	certPool.AppendCertsFromPEM(cacert)
	// 2. 构造HTTP客户端
	httpClient := gmtls.NewHTTPSClient(certPool)
	// 3. 调用API访问HTTPS
	response, err := httpClient.Get("https://localhost:443")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer response.Body.Close()
	// 使用 response 做你需要的事情...
}

更多细节见 gmsm/http_client_test.go#TestNewHTTPSClient2

HTTPS 双向身份认证

双向身份认证，在服务端开启了对客户端的身份认证情况下，国密SSL通行就需要进行双向身份认证。

该模式下进行国密HTTPS的调用你需要：

  1. 提供根证书链。
  2. 提供客户端认证证书、密钥对。
  3. 构造HTTP客户端。
  4. 调用API访问HTTPS。
package main

import (
	"github.com/tjfoc/gmsm/gmtls"
	"github.com/tjfoc/gmsm/x509"
	"io/ioutil"
)

func main() {
	// 1. 提供根证书链
	certPool := x509.NewCertPool()
	cacert, err := ioutil.ReadFile("websvr/certs/SM2_CA.cer")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	certPool.AppendCertsFromPEM(cacert)
	// 2. 提供客户端认证证书、密钥对。
	clientAuthCert, err := gmtls.LoadX509KeyPair("websvr/certs/sm2_auth_cert.cer", "websvr/certs/sm2_auth_key.pem")
	// 3. 构造HTTP客户端。
	httpClient := gmtls.NewAuthHTTPSClient(certPool, &clientAuthCert)
	// 4. 调用API访问HTTPS。
	response, err := httpClient.Get("https://localhost:443")
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer response.Body.Close()
	// 使用 response 做你需要的事情...
}

更多细节见 gmsm/http_client_test.go#TestSimpleNewAuthHTTPSClient

TLCP GCM模式

《GBT 38636-2020 信息安全技术 传输层密码协议（TLCP）》协议中增加了GCM可鉴别加密模式相关的系列密码套件。

以ECC_SM4_GCM_SM3 密码套件为例，该套件使用SM4算法GCM可鉴别加密模式，替换了“SM4 CBC模式 + SM3 HMAC”，其余保持不变。

GCM模式下：

  • 密文数据结构和生成规则详见: 《GBT 38636-2020》 6.3.3.4.4 认证加密算法的数据处理
  • 实现随机数实现细节见：RFC 5116 (AES_GCM 参考 RFC 5288)

如何使用？

  • 目前客户端和服务端均支持 ECC_SM4_GCM_SM3 与 ECC_SM4_CBC_SM3 密码套件。
  • 服务端：无需而外配置。
  • 客户端：目前客户单默认使用ECC_SM4_CBC_SM3密码套件，需要手动配置才可以使用 ECC_SM4_GCM_SM3套件。

目前支持TLCP密码套件：

  • ECC_SM4_GCM_SM3
  • ECC_SM4_CBC_SM3
  • ECDHE_SM4_CBC_SM3
  • ECDHE_SM4_GCM_SM3

客户端 GCM配置

以单向身份认证举例，只需要在连接配置中增加响应的算法，将GCM模式套件放在数组较前面的位置就可以。

示例如下：

package main

import (
	"github.com/tjfoc/gmsm/gmtls"
	"github.com/tjfoc/gmsm/x509"
	"io/ioutil"
	"log"
)

func main() {
	// 信任的根证书
	certPool := x509.NewCertPool()
	cacert, err := ioutil.ReadFile("root.cer")
	if err != nil {
		log.Fatal(err)
	}
	certPool.AppendCertsFromPEM(cacert)
	cert, err := gmtls.LoadX509KeyPair("sm2_cli.cer", "sm2_cli.pem")

	config := &gmtls.Config{
		GMSupport:    &gmtls.GMSupport{},
		RootCAs:      certPool,
		Certificates: []gmtls.Certificate{cert},
		// 设置GCM模式套件放在前面
		CipherSuites: []uint16{gmtls.GMTLS_ECC_SM4_GCM_SM3, gmtls.GMTLS_ECC_SM4_CBC_SM3},
	}

	conn, err := gmtls.Dial("tcp", "localhost:50052", config)
	if err != nil {
		panic(err)
	}
	defer conn.Close()

	// 对 conn 读取或写入
}

关于 TLCP AEAD随机数

该套件采用 显式 和 隐式 随机数构造，AEAD随机数（Nonce），总长12字节，4字节隐式随机数、8字节显式部分。

      +---------------------+----------------------------------+
      |      Fixed(4byte)   |          Counter(8byte)          |
      +---------------------+----------------------------------+
      <----  隐式随机数  ---> <------------ 显式部分 ------------>
  • 隐式随机数为： 工作密钥中的 客户端写IV(client_write_IV ) 或 服务端写IV(server_write_IV)。
  • 显式部分为： 数据包序号(seq_num)，也就是GenericAEADCipher.nonce_explicit字段。

详见 RFC 5116 3.2. Recommended Nonce Formation

AEAD SM4 与 AEAD AES 128 实现一致。