加密机体系

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文章目录

修订记录
参考资料
银联密钥体系
第一层:MK
第二层:MMK
第三层:PIK、MAK
HSM
卫士通
SJL05
第一层:LMK
第二层:ZMK/BMK、TMK/ATK
第三层:ZAK、ZPK、TAK、TPK
加密机实际应用
涉及加密机接口列表
密钥初始化
签到
交易请求
以<0X76>接口为例编写代码
消息格式
SJL05处理过程
代码示例

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:
加密机体系
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。

Alt text
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:
在这里插入图片描述
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:

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

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:

在这里插入图片描述

收单机构密钥体系:
在这里插入图片描述

转接机构密钥体系:

在这里插入图片描述

发卡机构密钥体系:

在这里插入图片描述
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

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。
———————
作者:godson_ds
来源:CSDN
原文:https://blog.csdn.net/weixin_43177881/article/details/83034315?utm_source=copy
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