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國密算法在數(shù)據(jù)存儲中的安全應(yīng)用
技術(shù)貼 張 妮娜 發(fā)布于 2018-02-02
分類：安全 / 智能計算 / 物聯(lián)網(wǎng)
時至今日，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)滲透到我們生活的點點滴滴，數(shù)據(jù)在其中的重要性不言而喻，一旦數(shù)據(jù)遭到惡意攻擊，導致泄漏或篡改等，這兩張網(wǎng)的安全性也就不復存在。因此，2015年重新頒布的《國家安全法》中第24、25條特別強調(diào)了數(shù)據(jù)安全要自主可控，而作為數(shù)據(jù)安全最重要環(huán)節(jié)之一的數(shù)據(jù)存儲安全也就成為了業(yè)界關(guān)注的焦點。
硬盤是數(shù)據(jù)的棲息地，那么如何確保數(shù)據(jù)能安全的存儲在硬盤上呢？眾所周知，人們?yōu)榉乐棺约杭抑胸斘锉槐I取，往往會在門上加上一把鎖，沒有鑰匙就沒辦法入門，一樣的道理，為了保護數(shù)據(jù)，可以對數(shù)據(jù)進行加密，只有擁有密鑰的用戶才能獲取數(shù)據(jù)內(nèi)容，這就是密碼技術(shù)。
密碼技術(shù)的核心是對信息按照一定的規(guī)則重新編碼來保證信息的機密性，國際上已有一系列密碼算法，而為了信息安全自主可控，我國商用密碼局近年來也組織制定了一些自主研發(fā)的密碼算法，包括SM1、SM2、SM3、SM4、SM7、SM9等。結(jié)合國家密碼算法，從硬盤固件安全和數(shù)據(jù)安全兩個方面出發(fā)，可以一定程度確保整個數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的安全。
下面先簡述幾種常用國密算法的基本原理和應(yīng)用場景，再從固件安全和數(shù)據(jù)安全兩個方面，詳細介紹國密算法在對應(yīng)安全節(jié)點的具體應(yīng)用。
幾種常用的國密算法
一系列國密算法中每個算法都有其獨特的用途，有些用于大量數(shù)據(jù)的加解密，有些用于身份的認證，有些用于防止數(shù)據(jù)被篡改。這些算法的安全性經(jīng)過大量的論證，并基于現(xiàn)代密碼學的原理，逐步公開算法的具體實現(xiàn)，任何單位和個人都可以使用國密算法來保護自己的信息安全，其中應(yīng)用最多最廣的是SM2、SM3、SM4算法。
SM2算法是一種基于橢圓曲線的非對稱密碼算法，即使用私鑰加密后的密文只能用對應(yīng)公鑰進行解密，反之使用公鑰加密的密文也只能用對應(yīng)的私鑰進行解密。通過對私鑰進行橢圓曲線運算可以生成公鑰，而由于橢圓曲線的特點，知道公鑰卻很難反推出私鑰，這就決定了SM2算法的安全性。SM2算法最常見的應(yīng)用是進行身份認證，也就是我們熟知的數(shù)字簽名與驗簽，通過私鑰的私密性來實現(xiàn)身份的唯一性和合法性。
SM3算法是一種雜湊算法，任意長度的數(shù)據(jù)進過SM3算法后會生成長度固定為256bit的摘要。SM3算法的逆運算在數(shù)學上是不可實現(xiàn)的，即通過256bit的摘要無法反推出原數(shù)據(jù)的內(nèi)容，因此在信息安全領(lǐng)域內(nèi)常用SM3算法對信息的完整性進行度量。
SM4算法是一種對稱密碼算法，它以128bit為一組進行加解密。密鑰也固定為128bit，使用某一密鑰加密后的密文只能用該密鑰解密出明文，故而稱為對稱加密。SM4算法采用32輪非線性迭代實現(xiàn)，加解密速度較快，常應(yīng)用于大量數(shù)據(jù)的加密，保存在存儲介質(zhì)上的用戶數(shù)據(jù)往往就使用SM4算法進行加密保護。
國密算法在固件安全中的應(yīng)用
固件控制著整個存儲系統(tǒng)的正常運行，倘若非法人員可以隨意導入固件、修改固件，那么數(shù)據(jù)也將完全暴露，因此保護數(shù)據(jù)存儲安全的首要一點就是要確保固件在導入、保存和執(zhí)行過程中的安全。
在固件導入過程中使用SM2算法進行驗簽，其中用到的公鑰保存在主控芯片內(nèi)部，私鑰由受信用的固件廠商保存。對于要導入的固件，需要使用私鑰對其進行簽名，將簽名和固件一起導入到盤片，帶有簽名的固件下載到緩存RAM后，再用公鑰進行SM2驗簽。只有使用合法私鑰簽名的固件才能通過驗簽，成功導入，沒有簽名或者使用非法私鑰簽名的固件無法通過驗簽而被丟棄。如此，擁有合法私鑰的用戶才擁有固件的導入權(quán)限，從源頭上確保了盤片內(nèi)部固件的合法性。
國密算法在數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用
以固態(tài)硬盤為例，用戶數(shù)據(jù)由主機寫入到硬盤的流程如上圖所示，虛線部分為國密算法在數(shù)據(jù)安全中的應(yīng)用。若用戶數(shù)據(jù)的明文直接保存在存儲介質(zhì)上，那么只要拿到存儲數(shù)據(jù)的存儲介質(zhì)，就能以一定的途徑獲取到其中存儲的用戶數(shù)據(jù)，比如換上其它的主控芯片、對存儲介質(zhì)上的電平進行分析等。我們可以在數(shù)據(jù)讀寫路徑上加上一道門鎖——SM4加解密：數(shù)據(jù)由主機傳輸?shù)骄彺鍾AM的過程中，使用SM4 算法加密，寫入到緩存上的就是密文，并最終以密文的形式保存在存儲介質(zhì)Flash上；讀取數(shù)據(jù)時再解密出明文返回給主機。
以上所述的加密過程對用戶是完全透明的，用戶完全感知不到加解密過程的存在。為確保明文數(shù)據(jù)只對授權(quán)用戶可見，需要對加解密數(shù)據(jù)的密鑰——介質(zhì)密鑰（MKey）進行保護，將其與授權(quán)用戶關(guān)聯(lián)起來。一種簡單的關(guān)聯(lián)方式如下圖所示，一方面使用SM3算法對用戶口令進行雜湊生成口令摘要，保存口令摘要用于身份鑒權(quán)；另一方面，對用戶口令進行派生構(gòu)造加密密鑰（EKey），對介質(zhì)密鑰進行加密保存。這個過程主要有以下三個方面：
創(chuàng)建——如上圖所示，用戶創(chuàng)建自己口令的同時，會生成取自口令摘要的加密密鑰EKey和取自真隨機數(shù)的介質(zhì)密鑰MKey；通過SM4算法將MKey用EKey加密；最終將口令摘要和MKey密文保存在Flash上。
鑒權(quán)——創(chuàng)建用戶口令后再次上電，鑒權(quán)之前，由于無法獲取MKey而使盤片處于鎖定狀態(tài)。鑒權(quán)的過程即時將輸入的用戶口令使用SM3算法進行雜湊得到一份摘要，再從Flash上加載出保存的口令摘要，兩份摘要相同則認為用戶身份合法，反之不同則不合法。
解鎖——輸入正確的用戶口令，通過身份鑒權(quán)之后，才能構(gòu)造出正確的EKey，解密出MKey明文，進而對讀寫的數(shù)據(jù)進行正常的加解密，實現(xiàn)盤片的解鎖，如上圖所示。
這個關(guān)聯(lián)過程也叫做密鑰管理過程，上面介紹的僅僅是一個基本思路，事實上在實際使用過程中，往往采用密鑰多級加密方式，也往往會在這個過程中加入一些真隨機數(shù)，來確保鑒權(quán)的有效性和介質(zhì)密鑰的私密性。
綜上所述，對用戶數(shù)據(jù)的直接保護也使用了兩道門鎖——一道是對數(shù)據(jù)的輸入和輸出加上SM4加解密，確保存儲的用戶數(shù)據(jù)是密文；另一道是對介質(zhì)密鑰加上SM3和SM4算法，確保介質(zhì)密鑰直接與可信用戶關(guān)聯(lián)，進而實現(xiàn)了用戶數(shù)據(jù)明文只有可信用戶唯一可見。
結(jié)語
SM2、SM3、SM4算法，從固件安全和數(shù)據(jù)安全兩個維度，為數(shù)據(jù)存儲安全建立了一道堅實的保護墻。將自主研發(fā)的國家商用密碼算法應(yīng)用到數(shù)據(jù)存儲安全，是順應(yīng)了國產(chǎn)化需求的，也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全自主可控道路上重要的一步。
（來源：湖南國科微電子股份有限公司 存儲產(chǎn)品線 任翠霞）
