加密机体系

作者: godson_ds | 来源:发表于2018-10-12 23:38 被阅读38次

笔者目前使用的jdk版本是1.6.0_29，Eclipse版本是Juno Release，Build id 20120614-1722。加密机使用卫士通SJL05型号金融数据加密机。如无特殊说明，本文所有的Java代码都是基于此。

修订记录

版本号	修订日期	修订说明
V0.1	2018/09/28	初稿
V1.0	2018/10/12	发布

参考资料

Q/CUP 006.4-2015 中国银联股份有限公司企业标准中国银联银行卡交换系统技术规范（国际卷）第4部分数据安全传输控制规范
SJL05型金融数据加密机程序员手册

银联密钥体系

约定中国银联银行卡信息交换系统(CUPS)与每个入网机构之间的密钥，由三层构成：

第一层：MK

Master Key，主密钥。加密机最高层密钥，人工方式输入产生，由三部分构成，分别由三人掌管，存储于加密机中，受加密机硬件设备保护。

第二层：MMK

Member Master Key，成员主密钥。指在银行卡安全体系中，分配给成员机构的密钥加密密钥，用于加密下一层密钥，受主密钥(MK)加密保护。CUPS与入网机构各产生一半，在硬件设备中合成；或由CUPS在加密机中随机生成并散列出2个分量；或由双方商定该密钥的产生办法。

第三层：PIK、MAK

PIN Key，用于加密PIN的密钥。
MAC Key，用于生成交易报文合法性校验数据(MAC)的密钥。

统称为数据密钥，Data Key，受成员主密钥(MMK)加密保护。由硬件加密机中的随机发生器产生。CUPS的加密机产生数据密钥，入网机构接收和存储CUPS发来的数据密钥。当CUPS认为需要时，可以主动向入网机构发起重置密钥报文。当入网机构需要新密钥的时候，必须向CUPS发出申请重置密钥报文。

HSM

Hardware and security module，硬件加密机，对传输的数据进行加密的外围硬件设备，用于PIN的加密和解密、验证报文和文件来源的正确性以及存储密钥。

顾名思义，加密机就是一台机器，其优势在于硬件设备存储密钥的安全性以及加解密运算的高效性。

图片来源于卫士通官网，金融数据密码机产品介绍。

排除行业要求必须使用加密机的场景，大家可以根据实际情况判断是否使用加密机，并不是使用加密机就一定好，符合自身需要的才是最好的。

卫士通

卫士通信息产业股份有限公司成立于1998年，由中国电子科技集团公司第30研究所发起成立。依托30所40年深厚的专业技术及人才资源积淀，凭借高效的现代企业运作机制和持续的战略创新，卫士通已发展成为我国最具主导地位的信息安全产业龙头企业，以此为核心拓展税务电子化、金融电子化、电子商务等安全IT化业务，实现企业规模化发展。并于2008年7月成功上市，成为“中国信息安全第一股”。

笔者就职公司使用加密机采购于卫士通，笔者也未曾接触过其他品牌加密机，因此本篇剩余部分仅涉及卫士通加密机，型号选择SJL05，因为SJL05型号加密机文档可以轻易从网上获取，不存在泄密问题，至于其他型号或其它品牌加密机使用，了解了原理，总归大同小异，举一反三不难。

SJL05

查阅《SJL05型金融数据加密机程序员手册》，虽然其中未明确SJL05加密机中密钥体系的定义，但是仍然可以根据其中接口推测出符合银联密钥体系规范的3层结构：

第一层：LMK

Local Master Key，本地主密钥。相当于银联密钥体系中的MK。

第二层：ZMK/BMK、TMK/ATK

ZMK，Zone Master Key，区域主密钥。
TMK，Terminal Master Key，终端主密钥。

相当于银联密钥体系中的MMK。

第三层：ZAK、ZPK、TAK、TPK

ZAK，Zone Authentication Key，区域认证密钥。
ZPK，Zone PIN Key，区域PIN密钥。
TAK，Terminal Administrative Key，终端认证密钥。
TPK，Terminal PIN encryption Key，终端PIN密钥。

ZAK、TAK相当于银联密钥体系中的MAK；ZPK、TPK相当于银联密钥体系中的PIK。

在特定应用场景，还可能衍生出更加复杂的密钥体系，比如4层结构：

但是，不管是哪种密钥体系，密钥明文不会暴露在外，上层密钥保护下层密钥，最上层密钥由加密机硬件保护的原理是不变的。

加密机实际应用

本章节介绍POS终端业务场景下对SJL05型号加密机具体接口的调用。各金融机构调用逻辑不尽相同，笔者仅提出一种基本思路，大家在实际应用时应当因地制宜切忌生搬硬套，如有不妥之处请大家批评指正。

首先，看一下基本的数据流图，实际可能更加复杂。

POS终端以P表示
收单机构以A表示
转接机构以B表示
发卡机构以C表示

POS终端密钥体系：

收单机构密钥体系：

转接机构密钥体系：

发卡机构密钥体系：

涉及加密机接口列表

在整个交易流程中，笔者提出SJL05型号加密机接口的调用逻辑，涉及如下接口。

命令码	名称	说明
0X08	产生并存储一个指定长度的主密钥，并打印明文到密码信封	产生一个指定长度的区域主密钥或终端主密钥或本地主密钥，存储在加密机指定位置，同时将明文密钥通过串口打印机打印到密码信封上，如果密钥类型为区域主密钥或终端主密钥，将同时返回用LMK加密的密文。
0XD108	加密明文密钥	输入指定长度的明文密钥，并用加密机本地主密钥加密后返回其密文密钥和校验码
0X0510	用本地主密钥加密终端主密钥	输入一个TMK明文，用本地主密钥加密后输出，并存放于主机系统中
0X0512	产生终端数据密钥（用TMK和LMK加密）	加密机产生一个数据密钥，分别用终端主密钥TMK和本地主密钥（LMK）加密后输出
0X0410	请求产生MAC（变长MAK）	请求产生MAC
0X0411	请求验证MAC（变长MAK）	请求验证MAC
0X0402	PINBLOCK转换（任意长度PIK）	PINBLOCK转换
0X76	用输入密钥对数据加/解密，再对数据进行MD5运算	利用输入的16字节密钥对数据做3DES/DES的CBC或ECB加密或解密，最后对加解密结果进行MD5摘要运算

密钥初始化

转接机构初始化本地主密钥B_LMK(0X08)，生成分发给收单机构的区域主密钥AB_ZMK(0X08)，生成分发给发卡机构的区域主密钥BC_ZMK(0X08)。在转接机构加密机中，B_LMK明文由加密机硬件保护，AB_ZMK、BC_ZMK由B_LMK加密保护；
收单机构初始化本地主密钥A_LMK(0X08)，录入转接机构分发的区域主密钥AB_ZMK(0XD108)，录入与POS终端约定的终端主密钥PA_TMK(0X0510)。收单机构加密机中，A_LMK明文由加密机硬件保护，AB_ZMK、PA_TMK由A_LMK加密保护；
发卡机构初始化本地主密钥C_LMK(0X08)，录入转接机构分发的区域主密钥BC_ZMK(0XD108)。发卡机构加密机中，C_LMK明文由加密机硬件保护，BC_ZMK由C_LMK加密保护；
POS终端录入终端主密钥PA_TMK，PA_TMK明文由POS终端安全模块保护。

签到

收单机构向转接机构请求数据密钥，包括：区域认证密钥AB_ZAK，区域PIN密钥AB_ZPK。在收单机构和转接机构加密机中，AB_ZAK、AB_ZPK由区域主密钥AB_ZMK保护；
发卡机构向转接机构请求数据密钥，包括：区域认证密钥BC_ZAK，区域PIN密钥BC_ZPK。在发卡机构和转接机构加密机中，BC_ZAK、BC_ZPK由区域主密钥BC_ZMK保护；
POS终端向收单机构请求数据密钥(0X0512)，包括：终端认证密钥PA_TAK，终端PIN密钥PA_TPK。在POS终端安全模块和收单机构加密机中，PA_TAK、PA_TPK由终端主密钥PA_TMK保护。

交易请求

POS终端刷卡，使用PA_TPK加密密码(PIN block)，PA_TAK生成交易报文MAC，上送交易报文至收单机构；
收单机构验证MAC(0X0411)，使用AB_ZPK转加密PIN block(0X0402)，AB_ZAK生成交易报文MAC(0X0410)，上送交易报文至转接机构；转加密过程是PA_TMK解密PA_ZPK，PA_ZPK解密PIN block，AB_ZMK解密AB_ZPK，AB_ZPK加密PIN block；
转接机构验证MAC(0X0411)，使用BC_ZPK转加密PIN block(0X0402)，BC_ZAK生成交易报文MAC(0X0410)，上送交易报文至发卡机构；转加密过程是AB_ZMK解密AB_ZPK，AB_ZPK解密PIN block，BC_ZMK解密BC_ZPK，BC_ZPK加密PIN block；
发卡机构验证MAC(0X0411)，使用BC_ZPK转加密PIN block(0X76)，校验PIN block的哈希值；
交易完成后原路返回；转加密过程是BC_ZMK解密BC_ZPK，BC_ZPK解密PIN block，PIN block计算哈希值。

以<0X76>接口为例编写代码

消息格式

输入域	长度	类型	备注
命令	1	H	0x76
银行索引号	2	H	区域主密钥索引号
密钥长度	1	H	0x08 ; 0x10
密钥KEY	16	H	加/解数据的密钥（zmk加密）
初始向量	8	H	CBC加密的初始向量
加/解密标识	1	H	1为加密，0为解密
算法标识	1	H	第0位：ECB＝0，CBC＝1 第1位：3DES＝0，DES＝1
LEN	2	H	处理数据的长度
数据	N	H	N＝LEN

输出域	长度	类型	备注
应答码	1	A	“A”
摘要数据	16	H
或
应答码	1	A	“E”
错误码	1	H	0x0C：非法银行主密钥索引号 0x59：输入的数据长度错误 0x2C：非法银行主密钥 0x10：无效的算法模式

SJL05处理过程

取出指定的区域主密钥ZMK；
用ZMK对输入的密钥KEY做3DES解密，得到密钥明文PKEY；
检查输入数据长度是否为8的倍数，不是，补0x00使之长度为8的倍数；
根据加/解密标识和算法标识，用PKEY对DATA做3DES/DES的CBC/ECB加密或解密；
对加密或解密的结果进行MD5摘要运算；
如果成功，返回16字节的MD5摘要结果。

代码示例

创建加密机命令父类

package com.godson.util.hsm;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;

/**
 * 加密机命令父类
 */
abstract public class HSMCommand {

    // 错误码
    protected int errorCode;

    // 封装消息报文
    abstract public void packetInputField(OutputStream os) throws Exception;

    // 解析响应报文
    public boolean parseOutputField(InputStream is) throws Exception {
        // 应答码
        int retCode = is.read();
        if ('E' == (char) retCode) {
            errorCode = is.read();
            return false;
        }
        return true;
    }

    public int getErrorCode() {
        return errorCode;
    }

    public void setErrorCode(int errorCode) {
        this.errorCode = errorCode;
    }
}

继承父类，实现0x76指令类

package com.godson.util.hsm;

import java.io.DataInputStream;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.nio.ByteBuffer;

/**
 * 0X76 用输入密钥对数据加/解密，再对数据进行MD5运算
 * 
 * <pre>
 * 利用输入的16字节密钥对数据做3DES/DES的CBC或ECB加密或解密，最后对加解密结果进行MD5摘要运算。
 * </pre>
 */
public class Cmd0X76 extends HSMCommand {
    private short zmkIndex;
    private byte keyLen;
    private byte[] key;
    private byte[] initVect;
    private byte enOrDe;
    private byte algorithm;
    private short dataLen;
    private byte[] data;
    private byte[] md;

    @Override
    public void packetInputField(OutputStream os) throws Exception {
        int len = 32 + dataLen;
        ByteBuffer buf = ByteBuffer.allocate(len);
        buf.put((byte) 0x76); // 命令，0x76
        buf.putShort(zmkIndex); // 银行索引号，区域主密钥索引号
        buf.put(keyLen); // 密钥长度
        buf.put(key); // 加/解数据的密钥（zmk加密）
        buf.put(initVect); // CBC加密的初始向量
        buf.put(enOrDe); // 加/解密标识，1为加密，0为解密
        buf.put(algorithm); // 算法标识，第0位：ECB＝0，CBC＝1，第1位：3DES＝0，DES＝1
        buf.putShort(this.dataLen); // 处理数据的长度
        buf.put(data); // 数据
        os.write(buf.array());
    }

    @Override
    public boolean parseOutputField(InputStream is) throws Exception {
        if (!super.parseOutputField(is)) {
            return false;
        }
        DataInputStream dis = new DataInputStream(is);
        md = new byte[16];
        dis.read(md); // 摘要数据
        return true;
    }

    public short getDataLen() {
        return dataLen;
    }

    public void setDataLen(short dataLen) {
        this.dataLen = dataLen;
    }

    public short getZmkIndex() {
        return zmkIndex;
    }

    public void setZmkIndex(short zmkIndex) {
        this.zmkIndex = zmkIndex;
    }

    public byte getKeyLen() {
        return keyLen;
    }

    public void setKeyLen(byte keyLen) {
        this.keyLen = keyLen;
    }

    public byte[] getKey() {
        return key;
    }

    public void setKey(byte[] key) {
        this.key = key;
    }

    public byte[] getInitVect() {
        return initVect;
    }

    public void setInitVect(byte[] initVect) {
        this.initVect = initVect;
    }

    public byte getEnOrDe() {
        return enOrDe;
    }

    public void setEnOrDe(byte enOrDe) {
        this.enOrDe = enOrDe;
    }

    public byte getAlgorithm() {
        return algorithm;
    }

    public void setAlgorithm(byte algorithm) {
        this.algorithm = algorithm;
    }

    public byte[] getData() {
        return data;
    }

    public void setData(byte[] data) {
        this.data = data;
    }

    public byte[] getMd() {
        return md;
    }

    public void setMd(byte[] md) {
        this.md = md;
    }
}

加密机调用模块

package com.godson.util.hsm;

import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

/**
 * 加密机模块
 */
public class HSMUtil {

    private String host; // 加密机IP地址
    private int port; // 加密机端口

    public HSMUtil(String host, int port) {
        this.host = host;
        this.port = port;
    }

    // 执行加密机指令
    public boolean execute(HSMCommand command) throws Exception {
        Socket sock = null;
        OutputStream os = null;
        InputStream is = null;

        try {
            // 建立Socket连接
            sock = new Socket(host, port);
            sock.setSoTimeout(5000);
            // 封装消息报文，并送给加密机
            os = sock.getOutputStream();
            command.packetInputField(os);
            os.flush();
            // 从加密机接受响应报文
            is = sock.getInputStream();
            return command.parseOutputField(is);
        } finally {
            // 关闭加密机读写流和连接
            try {
                if (os != null) {
                    os.close();
                    os = null;
                }
                if (is != null) {
                    is.close();
                    is = null;
                }
                if (sock != null) {
                    sock.close();
                    sock = null;
                }
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }
}

这里的加密机调用方式是有缺陷的，短连接在并发量较高时，容易产生大量的TIME_WAIT状态，产生TIME_WAIT的原因是：TCP在四次挥手关闭连接时，（假设客户端主动关闭连接）客户端在发送ACK后需要等待一段时间确保服务器端已成功接收ACK或未接收ACK可正常重发FIN，以避免发生服务器错误。

网上多数提出的解决方案是修改服务器参数：

修改/etc/sysctl.conf ：

net.ipv4.tcp_syncookies = 1 #表示开启SYN Cookies。当出现SYN等待队列溢出时，启用cookies来处理，可防范少量SYN攻击，默认为0，表示关闭
net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1 #表示开启重用。允许将TIME-WAIT sockets重新用于新的TCP连接，默认为0，表示关闭
net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1 #表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。>net.ipv4.tcp_timestamps开启时，net.ipv4.tcp_tw_recycle开启才能生效
net.ipv4.tcp_timestamps = 1 #表示开启TCP连接中TIME-WAIT sockets的快速回收，默认为0，表示关闭。
net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 #用来设置保持在FIN_WAIT_2状态的时间

保存后执行/sbin/sysctl -p生效。

笔者认为不可轻易修改服务器参数，应尽量从程序本身寻找解决问题的突破口，以长连接代替短连接是比较好的方式，但是从加密机接口文档中发现其并不支持长连接，不过仍然可以采用连接池等方案来减少socket的close，留给大家思考实现。