Fabric系列 - HSM之1 介绍

HSM介绍

Hardware Security Modules

• 签名 / 验签
• 加密 / 解密
• CA generation / verify
  • PKCS#11
  • SDF
• 支持国密
• 硬件钱包也是一种HSM

Fabric中对HSM的支持

支持PKCS11标准

BCCSP（Blockchain Cryptographic Service Provider）为Fabric其他模块（如MSP组件等）提供密码服务套件，包括加密、解密、签名与验证、哈希函数等方法，如代码清单7-51所示。目前，BCCSP模块提供了PKCS11类型和SW类型两种基本实现。其中，PKCS11（Public-Key Cryptography Standards）类型是基于HSM（Hardware Security Modules）硬件安全模块（https://github.com/miekg/pkcs11）的加密服务实现，属于通用的接口标准，利用pkcs11库提供的上下文对象pkcs11.Ctx在SessionHandle基础上支持密码服务，SW类型是基于软件的加密服务实现的，直接使用crypto库下的包支持密码服务。同时，BCCSP模块可提供对应的两类工厂对象，其他模块则基于这两类工厂对象调用对应的密码服务接口。

docker 部署 Fabric

如果您使用 docker 部署 Fabric，则需要使用以下命令构建自己的映像并启用 PKCS11：

make docker GO_TAGS=pkcs11

如果您使用 docker compose 部署节点，则在构建自己的映像后，您可以更新 docker compose 文件以使用卷在容器内挂载 softhsm 库和配置文件。例如，您可以将以下环境和卷变量添加到 docker compose 文件中：

environment:
     - SOFTHSM2_CONF=/etc/hyperledger/fabric/config.file
  volumes:
     - /home/softhsm/config.file:/etc/hyperledger/fabric/config.file
     - /usr/local/Cellar/softhsm/2.1.0/lib/softhsm/libsofthsm2.so:/etc/hyperledger/fabric/libsofthsm2.so

对定制化国密友好

将安全与密码服务封装为BCCSP组件，提供生成密钥、消息签名与验签、加密与解密、获取哈希函数等服务功能，具有可插拔组件特性，能够扩展定制的密码安全服务算法（如国密等）

附BCCSP接口的源码

// BCCSP is the blockchain cryptographic service provider that offers
// the implementation of cryptographic standards and algorithms.
// BCCSP 是区块链加密服务提供商，提供加密标准和算法的实施。
type BCCSP interface {

	// KeyGen generates a key using opts.
	KeyGen(opts KeyGenOpts) (k Key, err error)

	// KeyDeriv derives a key from k using opts.
	// The opts argument should be appropriate for the primitive used.
	KeyDeriv(k Key, opts KeyDerivOpts) (dk Key, err error)

	// KeyImport imports a key from its raw representation using opts.
	// The opts argument should be appropriate for the primitive used.
	KeyImport(raw interface{}, opts KeyImportOpts) (k Key, err error)

	// GetKey returns the key this CSP associates to
	// the Subject Key Identifier ski.
	GetKey(ski []byte) (k Key, err error)

	// Hash hashes messages msg using options opts.
	// If opts is nil, the default hash function will be used.
	Hash(msg []byte, opts HashOpts) (hash []byte, err error)

	// GetHash returns and instance of hash.Hash using options opts.
	// If opts is nil, the default hash function will be returned.
	GetHash(opts HashOpts) (h hash.Hash, err error)

	// Sign signs digest using key k.
	// The opts argument should be appropriate for the algorithm used.
	//
	// Note that when a signature of a hash of a larger message is needed,
	// the caller is responsible for hashing the larger message and passing
	// the hash (as digest).
	Sign(k Key, digest []byte, opts SignerOpts) (signature []byte, err error)

	// Verify verifies signature against key k and digest
	// The opts argument should be appropriate for the algorithm used.
	Verify(k Key, signature, digest []byte, opts SignerOpts) (valid bool, err error)

	// Encrypt encrypts plaintext using key k.
	// The opts argument should be appropriate for the algorithm used.
	Encrypt(k Key, plaintext []byte, opts EncrypterOpts) (ciphertext []byte, err error)

	// Decrypt decrypts ciphertext using key k.
	// The opts argument should be appropriate for the algorithm used.
	Decrypt(k Key, ciphertext []byte, opts DecrypterOpts) (plaintext []byte, err error)
}

结论:

• Fabric代码中已支持HSM的通用接口标准PKCS11, 接入HSM相对容易
• 由于案例与密码服务已组件化, 定制国密算法也相对容易

Fabric中的应用场景

(0) 加密算法

openssl x509 -text -noout -in cert.pem  | grep 'ASN1 OID'
openssl x509 -text -noout -in cert.pem  | grep Signature Algorithm

Algorithm	Fabric's TLS and MSP	Snapcale's TLS
SHA	SHA256	SHA256
Public Key	prime256v1 (即 secp256r1)	secp384r1
Signature	ecdsa-with-SHA256	ecdsa-with-SHA256

(1)用于Fabric-CA上

客户端使用Fabric-CA的Flow,如下图:

可在 Fabric-CA Server 上用HSM, 用以保护 Root CA的私钥

要求 HSM 具备的能力:

• 产生/导入 一个根私钥 r_key
• 安全保管私钥 r_key
• 用r_key制作/导入 自签名的X509根证书 r_cert
• 用r_key和r_cert为客户端颁发证书c_cert与私钥c_key,外部可获取c_cert和c_key

(2)用于分层架构的Fabric-CA上

架构如下图:

1. 可在 Fabric-CA Root Server 上用HSM, 用以保护 Root CA的私钥

   要求 HSM 具备的能力:

   • 产生/导入 一个根私钥 r_key
   • 安全保管私钥 r_key
   • 用r_key制作/导入 自签名的X509根证书r_cert
   • 用r_key和r_cert为 Intermediate CA颁发证书i_cert与私钥i_key,外部可获取

2. 或者在 Fabric-CA Intermediate Server 上用HSM, 用以保护 Root CA的私钥

   要求 HSM 具备的能力:

   • 导入 一个Intermediate私钥 i_key 和证书i_cert
   • 安全保管私钥 i_key
   • 用i_key和i_cert为客户端颁发证书c_cert与私钥c_key,外部可获取c_cert和c_key

国密相关资料

国密SM2不能通过签名和消息恢复公钥

原因

在secp256k1我们可以根据签名{r,s}和消息恢复公钥，但是SM2却不能通过签名和消息恢复公钥，因为在SM2的h值计算过程中，SM2用到了公钥的坐标，所以必须知道公钥了，和只有签名和消息recover公钥相矛盾。

消息摘要h的生成过程(h在签名,verify和recover时都是需要的)

ZA = SM3 [ENTLA+IDA+a+b+Gx+Gy+Px+Py]
h = SM3 [ZA||MSG]

需要用recover模式验签的区块链的变通方法

因为SM2无法通过签名和消息recover公钥，所以在对交易验证的过程，我们都是取出公钥然后验证。即通过签名者的账户名取出其公钥,再与事务中的签名进行校验

但是，在我们的系统里，一个账号可以拥有几个公钥，所以需要遍历账号的公钥验证交易，导致多公钥账号的交易执行性能会低些。幸运的是，我们统计系统中所有的账号，99%只有一对公私钥，所以理论上不会对系统整体性能造成影响。

[Summary] 对于HSM的具体要求如下：

1. 具备key pair 生成能力： (pri_key, pub_key)
2. 底层支持：
   1. FIPS ECC curve: secp256k1, secp256r1, secp384r1, SHA256, SHA512.
   2. 国密

参考:

https://blog.csdn.net/weixin_39606244/article/details/112961507

https://zhuanlan.zhihu.com/p/369012651

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