使用USB令牌中的证书和密钥进行数字签名

Question

我想使用USB令牌（加密狗）中的用户密钥和证书对文件进行签名。

我已经在stackoverflow和其他网站上搜索了一段时间，但除了中的一些好功能之外，没有得到任何有用的东西。NET framework（我没有使用）。

似乎由于密钥没有暴露，加密是由硬件本身完成的。这是否意味着每个硬件制造商都提供自己的API，并且没有通用方法来解决这个问题？

此外，我还了解到，一旦令牌插入计算机，其证书就会加载到系统存储中。是否可以使用存储区中的证书？如何在存储中识别和访问此类证书？那私钥呢？

当证书可以从中提取时，我使用OpenSSL进行数字签名。p12或。pfx文件。

如果我在某个地方错了，请纠正我，我对这个话题是新手。

Answer 1

存在2个选项：

1. PKCS#11。几乎每个USB加密令牌和智能卡供应商都为PKCS#11提供了一个驱动程序DLL，您可以调用它。我需要注意的是，PKCS#11接口规范非常松散，这会导致不同供应商之间的怪癖和不兼容。一、 e.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

我认为OpenSSL不能用于您的任务-您需要使用CryptoAPI或PKCS#11。

我们的SecureBackbox产品提供了一个统一的高级接口，用于根据各种加密标准并使用PKCS#11和/或CryptoAPI对数据进行签名。对于PKCS#11，您（或进行签名的系统的操作员）仍然需要知道PKCS#11驱动程序DLL的路径。可以从C使用其库版本使用SecureBackbox。

Answer 2

您可以通过使用OpenSSL的引擎并为其提供PKCS#11引擎来实现这一点。

这可以通过命令行（引擎标志）或通过设置引擎来完成。应用程序。openssl发行版的c/in/apps/有很好的例子。

命令行的典型调用形式如下

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

这创造了

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（仅允许密钥）。因此，首先需要将其提取并存储为文件。

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

这很容易翻译成本机代码，只需在应用程序中搜索引擎即可。openssl应用程序中的c。c文件-查看这是如何完成的。在大多数情况下

pkey = ENGINE_load_private_key(e, file,

与旧的相反

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

Answer 3

我不知道我会将OpenSSL引擎的任何方面描述为“相当简单”。命令行版本很混乱，我只能在自己编写代码后才能知道命令行在做什么。操作顺序和生存期调用得不太好（我仍然不完全知道它们是什么，但我的系统正在运行，不再泄漏内存，所以耶。）

我已经在github上发布了功能版本：https://github.com/tkil/openssl-pkcs11-samples

以下是tok-sign. c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;

动态引擎最奇怪的地方可能是它实际上是一个元引擎：你给它输入各种参数，当你给它输入加载时，它加载动态库，并提供一个新的引擎。一旦知道了正确的操作顺序，代码就很简单了。在这里，我们访问动态引擎，对其进行配置，然后要求它引入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，那么您的OpenSSL实例现在可以访问一个名为“pkcs11”的新引擎。现在，我们需要访问该新引擎，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，我们可以获取用于OpenSSL操作的私钥：

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

但是，我不知道如何通过引擎接口提取相应的证书，所以我直接转到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\U签名请求的数据。我们查看令牌上的所有证书，找出与私钥对应的证书，然后将其余证书存储在（X509）的OpenSSL堆栈中：

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，然后将签名输出到DER格式的文件中：

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 );

之后就是清理：

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 );