两种密码中间件模块标准SKF 和PKCS#11 的对比分析

陈琢，陈强

（成都卫士通信息产业股份有限公司，成都610041）

0 引言

随着信息安全需求的发展，密码技术已得到广泛的使用，成为信息时代中不可获缺的组成部分。同时，为了提高密码运算的性能，提高密钥等关键信息的安全性，例如USBKey、加密TF 卡、贴芯卡等专门的密码设备应运而生，越来越多的系统使用这些密码设备来分担密码运算操作。为了给应用开发人员便利地调用这些密码设备，多个国际、国内的加密API 标准随即出现。这类标准为应用隐藏了密码设备的实现细节，为应用开发者提供统一的方式来使用不同的密码设备，大大增强了应用的可扩展性[1]。其中，PKCS#11[2]和SKF[3]是使用较广泛的两种。

1 SKF和PKCS#11标准介绍

1.1 SKF简介

国家密码管理局于2010 年首次发布《智能IC 卡及智能密码钥匙密码应用接口规范》，即SKF 接口标准。之后于2012 年11 月更新为GM/T0016-2012《智能密码钥匙密码应用接口规范》发布。目前很多国内密码设备厂商都为其产品提供了SKF 接口的开发包。随着国密技术的发展，SKF 接口在加密模块和软件上的使用已越发广泛。

在SKF 接口规范中，一个设备中存在一个设备认证密钥和多个应用，应用之间相互独立，并具有各自的管理员PIN、用户PIN 和权限。应用逻辑结构如图1所示。

图1 SKF设备的应用逻辑结构图

以数据加密调用过程为例，SKF 接口使用的一个典型流程如下：

（1）枚举设备：SKF_EnumDev

（2）连接设备：SKF_ConnectDev

（3）枚举应用：SKF_EnumApplication

（4）打开应用：SKF_OpenApplication

（5）验证应用PIN 码：SKF_VerifyPIN（6）枚举容器：SKF_EnumContainer

（7）打开容器：SKF_OpenContainer

（8）设置会话密钥：SKF_SetSymmKey

（9）加密初始化：SKF_EncryptInit

（10）加密多个数据包：SKF_EncryptUpdate

（11）加密多个数据包结束：SKF_EncryptFinal

（12）关闭容器：SKF_CloseContainer

（13）关闭应用：SKF_CloseApplication

（14）断开设备连接：SKF_DisConnectDev

1.2 PKCS#11简介

公钥密码标准PKCS（Public-Key Cryptography Standards）是RSA 实验室与本行业、学术界以及政府的代表一起合作推出的一套规范，它包含一系列规范，其中PKCS#11 是加密设备接口标准。该标准详细规定了密码令牌接口Cryptoki（Cryptographic Token Interface）的编程接口，现在由OASIS（Organization for the Advancement of Structured Information Standards，结构化信息标准促进组织）技术委员会管理，最新的正式版本是2.40。

PKCS#11 定义了会话（session）、槽（slot）、令牌（token）、对象（object）的概念，用于抽象密码设备的使用过程。其中会话抽象应用与设备的连接，槽抽象卡槽或读卡器等安全设备，令牌抽象加密TF 卡等密码设备，对象抽象在密码操作中使用和产生各种数据结构[4]。

使用PKCS#11 标准的密码设备中，逻辑结构如图2 所示。

图2 PKCS#11设备的逻辑结构图

以数据加密调用过程为例，Cryptoki 使用的一个典型流程如下：

（1）初始化接口库：C_Initialize

（2）获取密码设备的槽位：C_GetSlotList

（3）选择使用的槽位，创建会话：C_OpenSession

（4）登录设备：C_Login

（5）查找已有的密钥或生成新密钥：

①查找初始化：C_FindObjectsInit

②进行查找：C_FindObjects

③结束查找：C_FindObjectsFinal

④生成：C_GenerateKey 或C_GenerateKeyPair

（6）加密初始化：C_EncryptInit

（7）加密多个数据包：C_EncryptUpdate

（8）加密多个数据包结束：C_EncryptFinal

（9）退出登录：C_Logout

（10）关闭会话：C_CloseSession

（11）退出库调用状态：C_Finalize

2 SKF和PKCS#11的对比分析

SKF 和PKCS#11 均是密码设备对外提供的接口标准，为外部开发者调用密码设备提供统一的、便利的途径。本节对两种接口的差异进行比较。

2.1 权限管理的不同

在SKF 标准中，权限分为设备权限、用户权限和管理员权限。在特定操作中（包括创建应用、删除应用和修改设备认证密钥），需要设备权限。在SKF 设备中，每个应用都有自己的PIN 码（包括用户PIN 码和管理员PIN 码），因此，各应用可独立地使用设备，获取权限。

在PKCS#11 中，没有设备权限，仅有用户权限和管理员权限。设备上仅有一个用户PIN 和一个管理员PIN。因此，当一个应用使用正确的PIN 码登录后，即通过了整个设备的权限认证。

2.2 设备初始化过程的不同

对于SKF 设备，应用在开始使用时需要在设备中创建好相应的应用。因此，在正确枚举出设备后，应用可能涉及到的操作包括：设备认证、创建应用、打开应用、验证PIN 码（创建容器需要用户权限）、创建容器。之后，可以此容器中进行密钥操作和调用密码算法。

相对地，对于PKCS#11 设备，应用在正确枚举到设备后，需要的操作包括打开会话和登录。之后即可进密钥操作和调用密码算法。

2.3 密钥及数据的管理方式上的不同

SKF 接口通过应用和容器来组织密钥。在同一个设备中，可存在多个应用，而每个应用各自拥有若干个容器。一个容器可存放一对加密公私钥对和一对签名公私钥对，以及对应的加密证书和签名证书。在这些公私钥对和证书生成或导入后，设备将它们保存起来，直到通过接口函数将它们删除。在设备使用过程中产生的会话密钥，仅在会话期间有效。当会话关闭（如关闭容器）后，这些会话密钥不会保存。因此，SKF 接口中，以非对称密钥和会话密钥的操作为主，不支持对称密钥的存储。其他数据可作为文件存储于应用中，通过SKF 的文件操作相关接口来进行读写和控制。

相对地，PKCS#11 没有应用和容器的概念。它通过定义多种对象来组织密码设备上的数据，包括数据对象、证书对象和密钥对象[5]。PKCS#11 为每类对象定义了丰富详细的属性参数，使开发者可根据需求定义每个对象的属性，例如是否在设备中保存、对象的标识、是否可导出、是否可用于加解密、是否可用于打包其他密钥，等等。在应用调用PKCS#11 过程中，通过会话（session）来管理临时产生的对象。在一个session中产生的临时对象（session object），仅在此会话中可以使用。当此session 关闭时，这些对象都将消失。而保存于设备上的对象，所有应用都有同样的权限。

2.4 支持算法的不同

SKF 接口以支持国密算法为主，包括SM1、SM2、SM3、SM4，同时包括部分国际算法：RSA、SHA1 和SHA256。PKCS#11 支持多种国际算法，但可通过自定义机制进行扩展。

3 基于PKCS#11接口的SKF接口设计思路

当前，部分密码设备提供PKCS#11 接口，不提供SKF 接口。在这种情况下，由于PKCS#11 接口更具普遍性，将PKCS#11 作为较低一层，可以实现SKF 接口，扩大密码设备的适用范围。

基于PKCS#11 实现SKF 接口，主要需要解决上节中分析的SKF 与PKCS#11 的差异处。PKCS#11 对象中丰富的属性，可用于建立与SKF 类似的应用结构。

在调用SKF 接口时，为找到可用的设备，设备管理类的函数往往最先调用，主要包括枚举设备、连接设备、断开设备、获取设备状态等）。对应到PKCS#11 接口中，可在此阶段进行库的初始化，查找设备和获取设备信息。可通过C_Initialize、C_GetSlotList 等接口获取。

由于SKF 和PKCS#11 中的权限管理不同，在这个阶段中，除了进行初始化，可完成PKCS#11 设备的登录。此后不使用PKCS#11 设备上的PIN。例如，在连接设备时，在已知密码设备PKCS#11 的PIN 码的情况下，调用PKCS#11 的登录接口。

SKF 中设备认证密钥、应用、容器及文件，由于在PKCS#11 无对应的概念，可通过在PKCS#11 设备中存储为对象来实现。对应的层次及结构关系，通过PKCS#11 对象可定义的丰富的属性来实现。例如，可通过定义特定的CKA_APPLICATION 或CKA_LABEL来标识出设备认证密钥，如下：

类似地，应用、应用PIN、容器、文件、证书均使用PKCS#11 数据对象存储，容器中的密钥对应使用PKCS#11 密钥对象存储。可使用以下属性来建立关系。

●应用和应用PIN：在创建应用时，使用PKCS#11接口创建数据对象存储。可使用一个对象。使用CKA_APPLICATION 标识为SKF 相关对象。将接口中传入的应用名称（szAppName）存入CKA_LABEL。PIN和PIN 的剩余可用次数及权限控制作为对象值写入。

●容器：创建容器时，使用PKCS#11 接口创建数据对象存储。使用CKA_APPLICATION 标识为某应用的容器。CKA_LABEL 中存储容器名称。

●文件：创建文件时，使用PKCS#11 接口创建数据对象存储。使用CKA_APPLICATION 标识为某应用的文件。CKA_LABEL 中存储文件名称。其他内容，包括文件大小，读写权限及文件内容存入CKA_VALUE 中。

●证书：在证书导入时，使用PKCS#11 接口创建数据对象存储。使用CKA_APPLICATION 存储应用名、容器名及证书标识。CKA_LABEL 中存储证书类型（加密证书或签名证书）。证书内容存入CKA_VALUE中。

●密钥：在密钥产生时，使用PKCS#11 接口创建密钥对象存储。使用CKA_ID 存储应用名、容器名、密钥类型（加密密钥或签名密钥）。

4 结语

随着密码设备的广泛使用，使用统一的、标准的密码设备接口越来越关键。SKF 和PKCS#11 接口标准作为两种主流接口，很好地解决了这个问题，增强了应用程序的可移植性。本文对比分析了两种标准的差异性，并提出基于PKCS#11 实现SKF 的一种方案，为使用SKF 和PKCS#11 的开发人员提供参考。