探索GmSSL+Nginx实践及原理

前言

随着大国崛起步伐的迈进，敏感单位的数据安全问题越发受到重视，数据的加密安全传输尤为重要，对于安全问题，国家自研加密算法提供了有力的保障。

作为信创行业的国有企业，十分有必要在网络通信中使用国密算法加密通信，保障客户数据安全，做出客户放心满意的产品。

本文将介绍如何制作出支持国密算法的nginx，及相关原理。

GmSSL

介绍

• 是由北京大学自主开发的国产商用密码开源库。
• 实现了对国密算法、标准和安全通信协议的全面功能覆盖，支持包括移动端在内的主流操作系统和处理器。
• 支持密码钥匙、密码卡等典型国产密码硬件。
• 提供功能丰富的命令行工具及多种编译语言编程接口。

它在国密算法中，主要两个作用：提供库、生成证书。

版本问题

• 根据 github 分支可以看出版本有：master(也称为 v3)、GmSSL-v2、GmSSL-v1。
• GmSSL 起始是由 OpenSSL 开源项目变更而来，相当于 OpenSSL 的一个分支。v2 版本及以前版本提供和 OpenSSL 相同的 API，可以很好的兼容依赖 OpenSSL API的应用，比如兼容 nginx、tomcat 等。
• 但是最新版 v3 版本，采用了新设计的架构和API，不再兼容 OpenSSL API的应用。
• 为了体现 v3 版本的适用性，团队开源出了基于 Nginx 1.21.0 修改的 Nginx-with-GmSSLv3（部署启动后 tls 流程我是没跑通的）。
• v3 版本还有一个重要变更：支持TLS 1.3，而 v2 版本只支持 TLS 1.2。

安装

下载代码

GmSSL Github 代码下载地址
我们切换分支使用 GmSSL-v2。

编译安装

git clone https://github.com/guanzhi/GmSSL.git
cd GmSSL
# 指定 gmssl 安装路径
./config --prefix=/usr/local/gmssl
# 编译安装
make && make install
# 检查安装成功否
/usr/local/gmssl/bin/gmssl version
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错误处理提示：

1. 出现 .so 文件找不到的报错，这表示动态链接库找不到，这种情况要么某库未安装，去yum安装一下；要么是需要库已经装了，但是路径不在当前系统的LIB路径里，需要 export LD_LIBRARY_PATH=${库的路径}:$LD_LIBRARY_PATH
2. 使用 /usr/local/gmssl/bin/gmssl 命令，大概率会出现undefined symbol: xxx的错误。这说明找到库了，但找错了，可能找到默认库路径里去了，而默认库里恰好存在同名的so文件（比如 libcrypto.so.1.1、libssl.so.1.1 文件是 gmssl 所需的，但默认库路径也有的）。添加环境变量export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/gmssl/lib:$LD_LIBRARY_PATH即可解决。

Nginx 安装

下载代码

nginx 下载
这里提供下载的 1.22.0 版本，你也可以选择合适的版本下载，并解压。

编译安装

准备

在刚解压的路径，vim 编辑nginx/auto/lib/openssl/conf文件：
将文中内容：

CORE_INCS="$CORE_INCS $OPENSSL/.openssl/include"
CORE_DEPS="$CORE_DEPS $OPENSSL/.openssl/include/openssl/ssl.h"
CORE_LIBS="$CORE_LIBS $OPENSSL/.openssl/lib/libssl.a"
CORE_LIBS="$CORE_LIBS $OPENSSL/.openssl/lib/libcrypto.a"
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修改为：

CORE_INCS="$CORE_INCS $OPENSSL/include"
CORE_DEPS="$CORE_DEPS $OPENSSL/include/openssl/ssl.h"
CORE_LIBS="$CORE_LIBS $OPENSSL/lib/libssl.a"
CORE_LIBS="$CORE_LIBS $OPENSSL/lib/libcrypto.a"
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执行安装

./configure --with-pcre \
         --with-http_ssl_module \
         --with-http_v2_module \
         --with-http_realip_module \
         --with-http_addition_module \
         --with-http_sub_module \
         --with-http_flv_module \
         --with-http_mp4_module \
         --with-http_gunzip_module \
         --with-http_gzip_static_module \
         --with-http_random_index_module \
         --with-http_secure_link_module \
         --with-http_stub_status_module \
         --with-http_auth_request_module \
         --with-http_slice_module \
         --with-mail \
         --with-threads \
         --with-file-aio \
         --with-stream \
         --with-mail_ssl_module \
         --with-stream_ssl_module \
         --with-openssl="${gmssl 安装路径}" \
         --with-cc-opt="-I${gmssl 安装路径}/include" \
         --with-ld-opt="-lm"
# 编译安装
make && make install
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上述命令可以看出，with-openssl是指定 openssl 安装路径的，但我们实际需要填写安装 gmssl 的路径。

证书

TLS 介绍

tls 是传输层安全协议，其“简单化”的握手流程如下：

1. Client 向 Server 请求建立连接（client hello）。
2. Server 将自己的证书发送给 Client（server hello）。
3. Client 验证证书，然后使用证书中的公钥加密后续通信的对称密钥，将加密内容发送给 Server。
4. Server 收到后解密获得对称密钥，且将用该对称密钥上层数据进行加解密。
5. 自此 TLS 握手完成，接下来使用对称密钥进行通信。
   真实的 tls 握手流程会比上述复杂，主要是为了防止降级攻击、重放攻击等攻击手段。

上述握手过程中有几点需要说明：

1. tls 中加密方式包含非对称加密、对称加密两种。
2. tls 中使用非对称加密的主要目的，只是为了安全“护送”对称密钥。真正数据是使用对称密钥加密，使用非对称密钥太耗时了。
3. 我们并不能使用公钥直接“护送”对称密钥，因为客户端分不清公钥是“哪家”的。万一 DNS 被劫持了，邪恶服务器顶替正常服务器，客户端收到了邪恶服务器的公钥，和邪恶服务器撩起来，就麻烦了。为了防止这种情况，需要对公钥签名，标明这个公钥是“哪家”的。
4. 所谓签名，就是将签名所需内容：公钥、域名、所有者等信息，发给 CA 机构（公认信任的机构），CA 机构会验证信息正确性，然后将信息做个hash，再将这个 hash 值和签名所需内容放在一起，最后 CA 机构用自己的私钥对放在一起的信息进行加密，这个过程就是签名，加密后的内容就是证书。现在再想一下上述的邪恶服务器还敢顶替正常服务器，用自己的证书和客户握手吗？肯定不敢了，它自己的证书可在 CA 机构备过案了呀。
5. 如果不是 CA 机构签发的证书，是私人签发的，客户端会有警告并提示：是否继续前往。

证书介绍

格式

其实证书就两种格式：二进制、文本格式。

常见的证书后缀包括：.der、.cer、.pem、.crt、.csr、.pfx、.p12、.jks等。

der、cer，二进制格式，只保存证书，不保存私钥。pfx、p12，二进制格式，同时包含证书和私钥。pem、crt、csr 一般是文本格式。

Gmssl 生成证书指令

概述

指令及开发文档：gmssl 命令及开发文档。

可以使用 Gmssl 发布私人证书，gmssl指令繁多，我们只需理解相关步骤指令含义即可，相关步骤包含：生成私钥、生成证书签名请求文件、生成证书。

生成私钥

gmssl ecparam -genkey -name sm2p256v1 -noout -out root.key

• gmssl 官方说法ecparam 和 genpkey命令，都可以用来生成私钥，但实际上genpkey不可用。
• -name表示选择一条椭圆曲线来生成私钥，可以通过gmssl ecparam -list_curves查看内建了哪些椭圆曲线。
• 我们使用-name sm2p256v1 就行，加密算法相关，不用深究。

生成证书签名请求文件

gmssl req -new -key root.key -out root.csr -subj "/C=CN/ST=BeiJing/L=BeiJing/O=公司名/CN=tom/emailAddress=邮箱"

• 生成 root.csr 证书签名请求文件，为什么生成root.csr，它的作用是什么：我们在签名的时候，需要提供公钥、域名、所有者等信息给 CA 机构，root.csr 就是这些信息合在一起的一个文本。所以可以知道csr文件里是含有公钥的。
• -subj表示主题，使用该指令就不用按照提示手动填入相关信息。

生成证书

/usr/local/gmssl/bin/gmssl x509 -req -days 3650 -sm3 -in root.csr -extfile openssl.cnf -extensions v3_ca -signkey root.key -out root.crt

• 使用根（CA）私钥对.crt文件加密（签名）。
• 这里的-extfile指定的openssl.cnf配置文件，其实就是 openssl 安装路径下的配置文件拷贝出来，并添加上以下配置：

# 这个配置必加，否则 gmssl 会报错的。openssl 则无需。
[ v3enc_req ]
basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = keyAgreement, keyEncipherment, dataEncipherment
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查看证书内容

/usr/local/gmssl/bin/gmssl x509 -in server.crt -text -noout

证书生成

生成脚本如下：

#!/bin/bash 
    	# 生成CA证书 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl ecparam -genkey -name sm2p256v1 -noout -out root.key 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl req -new -key root.key -out root.csr -subj "/C=CN/ST=BeiJing/L=BeiJing/O=公司名/CN=tom/emailAddress=邮箱" 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl x509 -req -days 3650 -sm3 -in root.csr -extfile openssl.cnf -extensions v3_ca -signkey root.key -out root.crt 
        
        # Server签名证书 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl ecparam -genkey -name sm2p256v1 -noout -out server.key 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl req -new -SM3 -key server.key -out server.csr -subj "/C=CN/ST=BeiJing/L=BeiJing/O=公司名/CN=tom/emailAddress=邮箱" 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl x509 -req -SM3 -days 3650 -in server.csr -extfile openssl.cnf -extensions v3_req -CA root.crt -CAkey root.key -set_serial 1000000001 -out server.crt 
        
        # Server加密证书 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl ecparam -genkey -name sm2p256v1 -noout -out server_en.key 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl req -new -SM3 -key server_en.key -out server_en.csr -subj "/C=CN/ST=BeiJing/L=BeiJing/O=公司名/CN=tom/emailAddress=邮箱" 
        /usr/local/gmssl/bin/gmssl x509 -req -SM3 -days 3650 -in server_en.csr -extfile openssl.cnf -extensions v3enc_req -CA root.crt -CAkey root.key -set_serial 1000002001 -out server_en.crt
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这里除了创建根（CA）密钥对，逻辑上只需再创建一个证书来使用就行，可我们脚本为什么创建了两个呢？后面再说。

Nginx 证书配置

在nginx.conf里对应的“server 块”中，配置：

ssl_certificate      "/usr/local/nginx/conf/tls/server.crt";
ssl_certificate_key  "/usr/local/nginx/conf/tls/server.key";
ssl_certificate      "/usr/local/nginx/conf/tls/server_en.crt";
ssl_certificate_key  "/usr/local/nginx/conf/tls/server_en.key";
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需要配置两个证书，也就是上面脚本创建两个的原因。

如果 Nginx 中只配置了单个证书，那么你抓包查看 tls 流程，就会发现：client hello后，服务端返回一个handshake failed错误。此时你会被这个哲学问题困扰很久，就和当初我一样，下面解释原因：

• 正常 tls 中使用公钥可以用来验证签名和加解密。但是国密里不行，它规范要求分为验证签名的公钥和加解密的公钥两种公钥，所以这里得配两个，同时国密浏览器也做了相应适配。
• 如果是 C++ 写的“国密客户端”可能需要调用 GmSSL 提供的 API 了。

完结

感谢阅读，完结！