1 简介

我国密码行业中有两个主要的通信协议相关的技术标准：

《信息安全技术传输层密码协议(TLCP)》：即GB/T 38636-2020
《SSL VPN 技术规范》：即GM/T 0024-2014
上述协议关联标准：如数字证书标准GB/T 20518, SM2密码算法标准GB/T 35275等

《SSL VPN技术规范》作为行业标准，部分内容已上升为《信息安全技术传输层密码协议(TLCP)》国密标准。

国密TLS，又称GMTLS1.1，GMTLS1.1中的1.1代表国密TLS的版本号: _0x0101_。众所周知，目前TLS协议支持的版本：

VersionTLS10 = 0x0301
VersionTLS11 = 0x0302
VersionTLS12 = 0x0303
VersionTLS13 = 0x0304

目前主流的TLS软件程序实现中，通信实体在建立TLS连接时，会优先协商使用最大版本号TLS协议 _(版本号越大意味着安全性越高、性能越好)_，因此VersionGMSSL = 0x0101 版本号的设定增加了软件支持的复杂度，这也是阻碍GMTLS1.1广泛应用的一个重要原因。

TLCP 显著的特点是将 TLS 协议中使用的数字证书拆分成了加密和签名两种用途的证书，加密证书和签名证书以及对应私钥均需要进行配置使用，所以 TLCP 也俗称“国密双证书”协议。

1.1 密钥种类

1.1.1 概述

采用非对称密码算法进行身份鉴别和密钥交换，身份鉴别通过后协商预主密钥，双方各自计算主密钥，进而推导出工作密钥。使用工作密钥进行加解密和完整性校验。

1.1.2 服务端密钥

服务端密钥为非对称密码算法的密钥对，包括签名密钥对和加密密钥对，其中签名密钥用于握手过程中服务端身份鉴别，加密密钥对用于预主密钥的协商。

1.1.3 客户端密钥

客户端密钥为非对称密码算法的密钥对，包括签名密钥对和加密密钥对，其中签名密钥用于握手过程中客户端身份鉴别，加密密钥对用于预主密钥的协商。

1.1.4 预主密钥

预主密钥（pre_master_secret）是双方协商生成的密钥素材，用于生成主密钥

1.1.5 主密钥

主密钥（master_secret）由预主密钥、客户端随机数、服务端随机数、常量字符串，经计算生成的 48 字节密钥素材，用于生成工作密钥。

1.1.6 工作密钥

工作密钥包括数据加密密钥和校验密钥。其中数据加密密钥用于数据的加密和解密,校验密钥用于数据的完整性计算和校验。发送方使用的工作密钥称为写密钥，接收方使用的工作密钥称为读密钥。

1.2 密码套件

GMTLS1.1中相关的密码套件（图片来自GB/T 38636-2020）：

从图中可以了解到GMTLS1.1：

密钥交换算法包含ECDHE、ECC、IBSDH、IBC 以及 RSA，其中 IBC 和 IBSDH 主要涉及到 SM9 标识密码算法_。
加密算法只有SM4，加密模式涉及两种方式：CBC和GCM。
校验算法/哈希算法包含：SM3 和 SHA256

注：从上图中我们还可以了解到，在GMTLS1.1支持的套件中，包含了国际算法RSA和SHA256，这里从公开文献中未找到具体原因，大胆猜测主要是为了：

支持国际知名CA机构颁发的数字证书
作为一种切换到全国密TLS过度

1.3 协议原理

GMTLS1.1 协议主要参考了TLS1.1，并借鉴了TLS1.2的部分内容。在关键流程上基本一致，只是在密码算法使用上用国密算法对国际算法进行了替换。

1.4 国际和商密（SM）对比

TLCP协议与TLS协议对比：

1.5 证书对比

2 基于铜锁（Tongsuo）部署国密服务端

铜锁（Tongsuo）对国密双证书协议进行了支持，并统称为 NTLS。NTLS 并不是指某一种具体的符合商用密码相关技术标准要求的网络协议，而是多个协议的统称。在铜锁（Tongsuo）中代指 TLCP 和 0024 国密双证书协议，因为 NTLS 和标准 TLS 协议存在工作方式的不同，因此铜锁（Tongsuo）中增加了一些新的 API 来对其进行支持。而应用程序若想使用 NTLS 功能，就需要调用这些新增 API，给现有基于 OpenSSL API 进行适配的应用程序带来了额外的开发工作量。

下载 Tongsuo

NTLS (TLCP and GM/T 0024) 基于 Tongsuo。

1	git clone https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo.git

编译：

1	./config --prefix=/opt/tongsuo enable-ntls

下载 Tengine

1	git clone https://github.com/alibaba/tengine.git

编译 Tengine

./configure --add-module=modules/ngx_tongsuo_ntls \
    --with-openssl=../Tongsuo \
    --with-openssl-opt="--strict-warnings --api=1.1.1 enable-ntls" \
    --with-http_ssl_module --with-stream \
    --with-stream_ssl_module --with-stream_sni

配置 Tengine 开启 NTLS

可以直接使用Tongsuo项目中已经签发的SM2双证书，仅用于测试；

根CA > 中间CA > 客户端/服务端证书，根CA证书签发中间CA证书，中间CA证书签发客户端和服务端的证书，包括签名证书和加密证书，这些证书的公钥算法都是SM2。

服务端签名证书和私钥：
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/server_sign.crt
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/server_sign.key

服务端加密证书和私钥：
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/server_enc.crt
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/server_enc.key

CA证书，这里面包含根CA和中间CA证书：
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/chain-ca.crt
客户端签名证书和私钥：
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/client_sign.crt
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/client_sign.key

客户端加密证书和私钥：
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/client_enc.crt
https://github.com/Tongsuo-Project/Tongsuo/blob/master/test/certs/sm2/client_enc.key

worker_processes  1;

events {    
	worker_connections  1024;
}

http {
	include       mime.types;
	default_type  application/octet-stream;
	server {
			listen       443 ssl;
			server_name  localhost;
			enable_ntls  on;
			ssl_sign_certificate        server_sign.crt;
			ssl_sign_certificate_key    server_sign.key;         
			ssl_enc_certificate         server_enc.crt;
			ssl_enc_certificate_key     server_enc.key;
			location / {
				return 200 "body $ssl_protocol:$ssl_cipher";
			}
	}
}

stream {
     server {
        listen       8443 ssl;
        enable_ntls  on;
        ssl_sign_certificate        server_sign.crt;
        ssl_sign_certificate_key    server_sign.key;            
		ssl_enc_certificate         server_enc.crt;        
		ssl_enc_certificate_key     server_enc.key;
        return "body $ssl_protocol:$ssl_cipher";
    }
}

3 国密证书生成

3.1 证书制作相关命令

生成一个 EC 密钥对（私钥和公钥），使用 SM2 曲线参数，保存私钥为 server_sign.key 文件：

1	openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out server_sign.key

使用私钥生成一个证书签名请求（CSR），并将其保存为 server_sign.csr 文件。该请求使用 SM3 散列算法，并且采用给定的主题信息：

1	openssl req -config $CONF_DIR/subca.cnf -key server_sign.key -new -out server_sign.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=server sign"

-config $CONF_DIR/subca.cnf: 指定配置文件，包含了生成 CSR 所需的详细信息和设置。
-key server_sign.key: 指定用于生成 CSR 的私钥文件路径。
-new: 创建新的证书签名请求。
-out server_sign.csr: 指定生成的 CSR 文件名。
-sm3: 使用 SM3 散列算法。
-nodes: 生成的私钥不加密。
-subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=server sign": 指定证书主题信息。

使用 CA 配置文件（假设为 $CONF_DIR/subca.cnf）中定义的设置和参数，通过 CA 签发证书，将上一步生成的 CSR 文件 server_sign.csr 作为输入。签发的证书输出到 server_sign.crt 文件中：

1	openssl ca -config $CONF_DIR/subca.cnf -extensions server_sign_req -days 3650 -in server_sign.csr -notext -out server_sign.crt -md sm3 -batch

-config $CONF_DIR/subca.cnf: 指定用于签发证书的 CA 配置文件。
-extensions server_sign_req: 指定要应用的扩展名。
-days 3650: 设置证书有效期为 3650 天（约合 10 年）。
-in server_sign.csr: 指定输入的证书签名请求文件。
-notext: 生成的证书不包含文本。
-out server_sign.crt: 指定生成的证书文件名。
-md sm3: 使用 SM3 消息摘要算法进行签名。
-batch: 在执行证书签发过程中避免交互式操作。

3.2 证书制作配置文件

上边的 subca.cnf 指定了生成证书的相关配置信息和扩展配置：

[ ca ]
# `man ca`
default_ca = CA_default

[ CA_default ]
# Directory and file locations.
dir               = ./
certs             = $dir/certs
crl_dir           = $dir/crl
new_certs_dir     = $dir/newcerts
database          = $dir/db/index
unique_subject    = no
serial            = $dir/db/serial
RANDFILE          = $dir/private/random

# The root key and root certificate.
private_key       = $dir/subca.key
certificate       = $dir/subca.crt

# For certificate revocation lists.
crlnumber         = $dir/crlnumber
crl               = $dir/crl/ca.crl.pem
crl_extensions    = crl_ext
default_crl_days  = 30

# SHA-1 is deprecated, so use SHA-2 instead.
default_md        = sm3

name_opt          = ca_default
cert_opt          = ca_default
default_days      = 365
preserve          = no
policy            = policy_strict

[ policy_strict ]
# The root CA should only sign intermediate certificates that match.
# See the POLICY FORMAT section of `man ca`.
countryName             = optional
stateOrProvinceName     = optional
organizationName        = optional
organizationalUnitName  = optional
commonName              = supplied
emailAddress            = optional

[ server_sign_req ]
# Extensions to add to a certificate request
basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = nonRepudiation, digitalSignature
# Add more items here, for instance:
subjectAltName = @alt_names

[ server_enc_req ]
# Extensions to add to a certificate request
basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = keyAgreement, keyEncipherment, dataEncipherment
# Add more items here, for instance:
subjectAltName = @alt_names

[ client_sign_req ]
# Extensions to add to a certificate request
basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = nonRepudiation, digitalSignature

[ client_enc_req ]
# Extensions to add to a certificate request
basicConstraints = CA:FALSE
keyUsage = keyAgreement, keyEncipherment, dataEncipherment

3.3 脚本工具

#!/bin/env bash

set -x 

export PATH=/opt/tongsuo/bin:$PATH

WORK_DIR=$(cd $(dirname $0);pwd)
CONF_DIR=$WORK_DIR/conf

function my_clean() {
    rm -f *.key *.csr *.crt
    rm -rf {newcerts,db,private,crl}
}


function begin() {
    mkdir {newcerts,db,private,crl}
    touch db/{index,serial}
    echo 00 > db/serial
}

function gen_ca_certs() {
    # sm2 ca
    openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out ca.key
    openssl req -config $CONF_DIR/ca.cnf -new -key ca.key -out ca.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=root ca"
    openssl ca -selfsign -config $CONF_DIR/ca.cnf -in ca.csr -keyfile ca.key -extensions v3_ca -days 3650 -notext -out ca.crt -md sm3 -batch

    # sm2 middle ca
    openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out subca.key
    openssl req -config $CONF_DIR/ca.cnf -new -key subca.key -out subca.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=sub ca"
    openssl ca -config $CONF_DIR/ca.cnf -extensions v3_intermediate_ca -days 3650 -in subca.csr -notext -out subca.crt -md sm3 -batch

    cat ca.crt subca.crt > chain-ca.crt
}

function gen_server_certs() {
    # 服务端 国密双证书
    openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out server_sign.key
    # 提交生成证书的信息，subca.cnf中包含证书信息
    openssl req -config $CONF_DIR/subca.cnf -key server_sign.key -new -out server_sign.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=server sign"
    # 签发证书 指定扩展信息和配置
    # openssl x509 -req -in server_sign.csr -CA your_ca.crt -CAkey your_ca.key -CAcreateserial -out server_sign.crt -days 365 -extfile your_config_file.conf -extensions req_ext
    # 指定 -extensions 引用扩展配置
    openssl ca -config $CONF_DIR/subca.cnf -extensions server_sign_req -days 3650 -in server_sign.csr -notext -out server_sign.crt -md sm3 -batch

    openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out server_enc.key
    openssl req -config $CONF_DIR/subca.cnf -key server_enc.key -new -out server_enc.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=server enc"
    openssl ca -config $CONF_DIR/subca.cnf -extensions server_enc_req -days 3650 -in server_enc.csr -notext -out server_enc.crt -md sm3 -batch
}

function gen_client_certs() {
    # 客户端 国密双证书
    openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out client_sign.key
    openssl req -config $CONF_DIR/subca.cnf -key client_sign.key -new -out client_sign.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=client sign"
    openssl ca -config $CONF_DIR/subca.cnf -extensions client_sign_req -days 3650 -in client_sign.csr -notext -out client_sign.crt -md sm3 -batch

    openssl genpkey -algorithm ec -pkeyopt ec_paramgen_curve:sm2 -out client_enc.key
    openssl req -config $CONF_DIR/subca.cnf -key client_enc.key -new -out client_enc.csr -sm3 -nodes -subj "/C=AA/ST=BB/O=CC/OU=DD/CN=client enc"
    openssl ca -config $CONF_DIR/subca.cnf -extensions client_enc_req -days 3650 -in client_enc.csr -notext -out client_enc.crt -md sm3 -batch
}

function end() {
    rm -f *.csr
    rm -rf {newcerts,db,private,crl}
}

function main() {
    begin
    case $1 in
        gen_server_cert)
        gen_ca_certs
        gen_server_certs
        ;;
        gen_client_cert)
        gen_ca_certs
        gen_client_certs
        ;;
        gen_cert)
        gen_ca_certs
        gen_server_certs
        gen_client_certs
        ;;
        clean)
        my_clean
        ;;
        *)
        echo "usage: $0 {gen_server_cert|gen_client_cert|gen_cert|clean}"
    esac
    end
}

main "$@"

4 客户端工具

wrk+铜锁：https://www.yuque.com/tsdoc/ts/kd16l0
curl+铜锁：https://www.yuque.com/tsdoc/ts/xuxk18ckbtpgvfdi

5 测试

5.1 国密双证书和双向认证

5.1.1 客户端证书生成

生成客户端证书和密钥：

openssl ecparam -genkey -name SM2 -out client_sign.key
openssl ecparam -genkey -name SM2 -out client_enc.key

openssl req -x509 -new -key client_sign.key -out client_sign.crt -subj /CN=client_sign/
openssl req -x509 -new -key client_enc.key -out client_enc.crt -subj /CN=client_enc/

cat client_sign.crt client_enc.crt > client_sign_enc.crt

以上的是生成自签名证书，如果需要使用已有的 CA证书进行签发，可以通过参数 -CA 和 -CAkey 选项指定签发证书所需的 CA 证书和对应的私钥。

5.1.2 服务端配置

生成的 client_sign_enc.crt 对客户端的两个证书进行合并，因为是自签名证书，可以直接把client_sign_enc.crt 配置到服务端，如下以 Nginx的配置为例：

server {
    listen       8443 ssl;
    server_name  _;

    ssl_session_cache shared:SSL:1m;
    ssl_session_timeout 1m;
    ssl_session_tickets off;
    ssl_protocols TLSv1 TLSv1.1 TLSv1.2;
    ssl_ciphers HIGH:!aNULL:!MD5:!ADH:!RC4;
    ssl_prefer_server_ciphers on;

    enable_ntls  on;
    # 国密双证书
    ssl_sign_certificate        certs/gmtls/server_sign.crt;
    ssl_sign_certificate_key    certs/gmtls/server_sign.key;
    ssl_enc_certificate         certs/gmtls/server_enc.crt;
    ssl_enc_certificate_key     certs/gmtls/server_enc.key;

    #ssl_trusted_certificate certs/gmtls/chain-ca.crt;
    # 指定 验证客户端的证书
    ssl_client_certificate certs/gmtls/client_sign_enc.crt;
    # 开启客户端认证
    ssl_verify_client on;
    ssl_verify_depth 2;

    #ssl_certificate certs/server.crt;
    #ssl_certificate_key certs/server.key;

    location / {
        proxy_http_version 1.1;
        proxy_set_header Upgrade $http_upgrade;
        proxy_set_header Connection "Upgrade";
        proxy_set_header host $host;

        proxy_pass http://127.1.1.1:9090;
        #return 200 "test hello\n";
    }
}

5.1.3 测试

通过 openssl 命令行指定客户端证书，进行双向认证，发送HTTPS请求：

/bin/echo -e "GET / HTTP/1.0\r\n\r\n" |  openssl s_client -connect 192.168.170.137:8443 -CAfile chain-ca.crt -servername optional -quiet -sign_cert client_sign.crt -sign_key client_sign.key -enc_cert client_enc.crt -enc_key client_enc.key  -enable_ntls -ntls

可以通过 -cipher ECDHE-SM2-SM4-GCM-SM3 指定密码套件，其他使用方式如：

-cipher 'ECDHE-RSA-AES256-GCM-SHA384,ECDHE-RSA-AES128-GCM-SHA256' ：按照优先级指定多个加密套件。如果第一个不可用，将尝试使用下一个。
-cipher 'AES256-*' ：使用模式匹配，AES256-* 表示选择所有以 AES256- 开头的加密套件。
-cipher 'AES256:!aNULL'：! 表示排除指定类型的加密套件，例如 !aNULL 表示排除匿名加密套件。

参考资料：# TLS原理与实践（四）国密TLS