使用来自USB令牌的证书和密钥进行数字签名

Question

我想使用用户的密钥和来自USB令牌（加密狗）的证书来签名文件。

我一直在搜索stackoverflow和其他网站，但除了.NET框架中的一些优秀功能（我没有使用）之外，它没有得到任何有用的东西。

似乎由于密钥未公开，加密由硬件本身完成。这是否意味着每个硬件制造商都提供自己的API，并且没有通用的方法来解决这个问题？

另外，我读到一旦将令牌插入计算机，其证书就会被加载到系统存储中。是否可以使用商店的证书？如何在商店中识别和访问此类证书？那私钥怎么样？

当可以从.p12或.pfx文件中提取证书时，我使用OpenSSL进行数字签名。

如果我在某处错了，请纠正我，我是这个话题的新手。

Answer 1

我不知道我将OpenSSL引擎的任何方面描述为“相当简单”。命令行版本是混乱的，我只能弄清楚命令行在代码中自己做了什么。操作顺序和生命周期都没有被很好地调用（我仍然不完全知道它们是什么，但是我的系统正在运行而且不再泄漏内存，所以是的。）

我在github上发布了正常运行的版本：https://github.com/tkil/openssl-pkcs11-samples

以下是tok-sign.c的相关部分的导览：

首先，一些帮手：

#define FAIL( msg, dest )                      \
    do {                                       \
        fprintf( stderr, "error: " msg "\n" ); \
        goto dest;                             \
    } while ( 0 )

/* mandatory is "not optional"... */
const int CMD_MANDATORY = 0;

关于dynamic引擎最奇怪的事情可能是它真的是一个元引擎：你提供各种参数，当你提供它LOAD时，它会加载动态库并创建一个新的引擎可用。一旦您知道正确的操作顺序，它在代码中就会很简单。在这里，我们可以访问动态引擎，对其进行配置，然后让它引入pkcs11引擎：

ENGINE_load_dynamic();
ENGINE * dyn = ENGINE_by_id( "dynamic" );
if ( ! dyn )
    FAIL( "retrieving 'dynamic' engine", free_out_sig_file );

// this is the bridge between OpenSSL and any generic PCKS11 provider:
char * engine_pkcs11_so = "/opt/crypto/lib/engines/engine_pkcs11.so";

if ( 1 != ENGINE_ctrl_cmd_string( dyn, "SO_PATH", engine_pkcs11_so, CMD_MANDATORY ) )
    FAIL( "dyn: setting so_path <= 'engine_pkcs11.so'", free_dyn );

if ( 1 != ENGINE_ctrl_cmd_string( dyn, "ID", "pkcs11", CMD_MANDATORY ) )
    FAIL( "dyn: setting id <= 'pkcs11'", free_dyn );

if ( 1 != ENGINE_ctrl_cmd( dyn, "LIST_ADD", 1, NULL, NULL, CMD_MANDATORY ) )
    FAIL( "dyn: setting list_add <= 1", free_dyn );

if ( 1 != ENGINE_ctrl_cmd( dyn, "LOAD", 1, NULL, NULL, CMD_MANDATORY ) )
    FAIL( "dyn: setting load <= 1", free_dyn );

此时，如果所有这些调用都成功，您的OpenSSL实例现在可以访问名为“pkcs11”的新引擎。现在我们需要访问新引擎，正确配置它，并让它自己初始化：

ENGINE * pkcs11 = ENGINE_by_id( "pkcs11" );
if ( ! pkcs11 )
    FAIL( "pkcs11: unable to get engine", free_dyn );

// this is the actual pkcs11 provider we're using.  in this case, it's
// from the OpenSC package.
char * opensc_pkcs11_so = "/opt/crypto/lib/opensc-pkcs11.so";

if ( 1 != ENGINE_ctrl_cmd_string( pkcs11, "MODULE_PATH", opensc_pkcs11_so, CMD_MANDATORY ) )
    FAIL( "setting module_path <= 'opensc-pkcs11.so'", free_pkcs11 );

if ( 1 != ENGINE_ctrl_cmd_string( pkcs11, "PIN", key_pin, CMD_MANDATORY ) )
    FAIL( "setting pin", free_pkcs11 );

if ( 1 != ENGINE_init( pkcs11 ) )
    FAIL( "pkcs11: unable to initialize engine", free_pkcs11 );

现在我们可以访问令牌了，我们可以获取私钥用于OpenSSL操作：

EVP_PKEY * key = ENGINE_load_private_key( pkcs11, key_id, NULL, NULL );
if ( ! key )
    FAIL( "reading private key", free_pkcs11 );

但是，我无法弄清楚如何通过ENGINE接口提取相应的证书，所以我直接去了LibP11：

PKCS11_CTX * p11_ctx = PKCS11_CTX_new();
if ( ! p11_ctx )
    FAIL( "opening pkcs11 context", free_key );

if ( 0 != PKCS11_CTX_load( p11_ctx, opensc_pkcs11_so ) )
    FAIL( "unable to load module", free_p11_ctx );

PKCS11_SLOT * p11_slots;
unsigned int num_p11_slots;
if ( 0 != PKCS11_enumerate_slots( p11_ctx, &p11_slots, &num_p11_slots ) )
    FAIL( "enumerating slots", free_p11_ctx_module );

PKCS11_SLOT * p11_used_slot =
  PKCS11_find_token( p11_ctx, p11_slots, num_p11_slots );
if ( ! p11_used_slot )
    FAIL( "finding token", free_p11_slots );

PKCS11_CERT * p11_certs;
unsigned int num_p11_certs;
if ( 0 != PKCS11_enumerate_certs( p11_used_slot->token, &p11_certs, &num_p11_certs ) )
    FAIL( "enumerating certs", free_p11_slots );

最后，我们开始收集CMS_Sign请求的数据。我们查看令牌上的所有证书，挑选出与私钥对应的证书，然后将其余证书存储在OpenSSL STACK_OF(X509)中：

STACK_OF(X509) * extra_certs = sk_X509_new_null();
if ( ! extra_certs )
    FAIL( "allocating extra certs", free_p11_slots );

X509 * key_cert = NULL;
for ( unsigned int i = 0; i < num_p11_certs; ++i )
{
    PKCS11_CERT * p11_cert = p11_certs + i;

    if ( ! p11_cert->label )
        continue;

    // fprintf( stderr, "p11: got cert label='%s', x509=%p\n",
    //         p11_cert->label, p11_cert->x509 );

    if ( ! p11_cert->x509 )
    {
        fprintf( stderr, "p11: ... no x509, ignoring\n" );
        continue;
    }

    const char * label = p11_cert->label;
    const unsigned int label_len = strlen( label );

    if ( strcmp( label, key_label ) == 0 )
    {
        // fprintf( stderr, "p11: ... saving as signing cert\n" );
        key_cert = p11_cert->x509;
    }
    else if ( strncmp( label, "encrypt", 7 ) == 0 &&
              label_len == 8 &&
              '0' <= label[7] && label[7] <= '3' )
    {
        // fprintf( stderr, "p11: ... ignoring as encrypting cert\n" );
    }
    else
    {
        // fprintf( stderr, "p11: ... saving as extra cert\n" );
        if ( ! sk_X509_push( extra_certs, p11_cert->x509 ) )
            FAIL( "pushing extra cert", free_extra_certs );
    }
}

if ( ! key_cert )
    FAIL( "finding signing cert", free_extra_certs );

最后，我们可以对数据进行签名，然后在DER格式的文件中输出签名：

CMS_ContentInfo * ci = CMS_sign( key_cert, key, extra_certs, in_data_file,
                                 CMS_DETACHED | CMS_BINARY );
if ( ! ci )
    FAIL( "could not create signing structure", free_extra_certs );

if ( 1 != i2d_CMS_bio( out_sig_file, ci ) )
       FAIL( "could not write signature in DER", free_ci );

之后，它只是清理：

free_ci:
    CMS_ContentInfo_free( ci );

free_extra_certs:
    /* these certs are actually "owned" by the libp11 code, and are
     * presumably freed with the slot or context. */
    sk_X509_free( extra_certs );

free_p11_slots:
    PKCS11_release_all_slots( p11_ctx, p11_slots, num_p11_slots );

free_p11_ctx_module:
    PKCS11_CTX_unload( p11_ctx );

free_p11_ctx:
    PKCS11_CTX_free( p11_ctx );

free_key:
    EVP_PKEY_free( key );

free_pkcs11:
    ENGINE_free( pkcs11 );

free_dyn:
    ENGINE_free( dyn );

Answer 2

有两个选项：

1. PKCS＃11。几乎每个USB加密令牌和智能卡供应商都为您可以调用的PKCS＃11提供驱动程序DLL。我需要注意的是，PKCS＃11接口规范非常松散，这导致了不同供应商之间的怪癖和不兼容性。即您可能需要在一个设备中使用一组证书属性，在另一个设备中使用不同的属性集。
2. 的CryptoAPI。大多数供应商都提供了一个CryptoAPI模块（CSP），它将证书“映射”到Windows证书存储中，您可以像在Windows证书存储中使用任何证书一样使用它进行签名。这意味着在Windows API中使用各种Crypt *，Cert *和类似功能。

我不认为OpenSSL可以用于您的任务 - 您需要使用CryptoAPI或PKCS＃11。

我们的SecureBlackbox产品提供统一的高级界面，用于根据各种加密标准和使用PKCS＃11和/或CryptoAPI对数据进行签名。仍然在PKCS＃11的情况下（或完成签名的系统的操作员）需要知道PKCS＃11驱动程序DLL的路径。 SecureBlackbox可以使用C ++版本从C ++中使用。

Answer 3

您可以通过使用OpenSSL引擎并为其提供PKCS＃11引擎来实现此目的。

这可以通过命令行（-engine标志）或通过设置引擎来完成。 openssl发行版/ apps /中的apps.c就是很好的例子。

命令行的典型调用类似于

usr/bin/openssl << EOM
engine dynamic -pre SO_PATH:/Library/OpenSC/lib/engines/engine_pkcs11.so  -pre ID:pkcs11 -pre LIST_ADD:1 -pre LOAD -pre MODULE_PATH:opensc-pkcs11.so
req -engine pkcs11 -batch -subj "/CN=moi" -new -key slot_$SLOT-id_$KID -keyform engine -x509 -out cert.pem -text
EOM

在设备上创建并签署请求。

签名：

${OPENSSL} << EOM || exit 1
engine -vvvv dynamic \
    -pre SO_PATH:/Library/OpenSC/lib/engines/engine_pkcs11.so  \
    -pre ID:pkcs11 \
    -pre LIST_ADD:1 \
    -pre LOAD \
    -pre MODULE_PATH:$PKCS \
    -pre PIN:$PIN  \
    -pre VERBOSE 

x509 -engine pkcs11 -req -in req.csr -out signed.pem \
    -CAfile $CA \
    -keyform engine -key $SLOT:$CAKID \
    -cert $CAKID.pem

请注意，对于后者，未修补的openssl不允许引用卡上的证书（仅密钥）。所以首先需要提取它并存储为文件。

并使用卡上的密钥将客户端身份验证连接到服务器：

${OPENSSL} << EOM || exit 1
engine -vvvv dynamic \
    -pre SO_PATH:/Library/OpenSC/lib/engines/engine_pkcs11.so  \
    -pre ID:pkcs11 \
    -pre LIST_ADD:1 \
    -pre LOAD \
    -pre MODULE_PATH:$PKCS \
    -pre PIN:$PIN  \
    -pre VERBOSE 

s_client -engine pkcs11 -connect localhost:1443 \
    -CAfile $CA \
    -keyform engine -key $SLOT:$KID \
    -cert $KID.pem

EOM

转换为本机代码相当简单 - 只需在openssl apps.c文件中的apps.c中搜索引擎 - 看看如何完成。在大多数情况下，它是一些

pkey = ENGINE_load_private_key(e, file,

而不是旧的

BIO_read_filename(key,file)
pkey=d2i_PrivateKey_bio(key, NULL);