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随着近年来国际贸易冲突和技术封锁，互联网的快速发展， IOT 随着该领域的兴起，金融领域的变化日益加剧。特别有必要和迫切需要摆脱对外国技术和产品的过度依赖，建设行业网络安全环境，提高中国行业信息系统的安全可信度。
密码算法是保证信息安全的核心技术，特别是在互联网的核心领域，长期以来一直被使用 AES、SHA-2、RSA 国际通用密码算法系统及相关标准。
Linux 内核和 OpenSSL 作为互联网的基本软件基础，近年来对商密算法提供了有限的支持，核心只实现基础 SM3 摘要算法和 SM4 鉴于上述原因，我们最近正在进行对称加密 ，内核中商密算法的这一短板得到了补充，率先在内核中 Alibaba Cloud Linux 和 Anolis OS 发行版输出。与此同时，蚂蚁相关团队也积极投资，将商密标准推向 OpenSSL 社区为国密标准的国际化做出了巨大贡献。
OS 核心安全一直是安全界的重点研究课题。今天，我们使用商业秘密算法来支持它 Linux 内核 IMA 安全子系统，为客户输出可靠的安全可靠技术。
IMA 是 Integrity Measurement Architecture 的缩写，。目前 Linux 支持内核完整性子系统 EVM 和 IMA，前者用于保护文件的扩展属性。本文讨论了后者。
能够评估正在打开的文件的完整性。
能够正在执行 exec 评估文件(可执行程序)的完整性。
能够正在执行 mmap(PROT_EXEC) 评估文件(共享库)的完整性。
正在加载的 kernel 模块和固件进行完整性评估。
所谓完整性评估，是指在执行特定的内核操作时，主动检查文件内容的完整性。IMA 子系统借用内核 security 子系统在 open(), execve(), mmap()等系统调用中下系统 hook 执行自己的代码。
IMA 完整性验证时，文件扩展属性将提前存储在文件系统中 security.ima 进行。具体来说，借款。IMA签名工具 evmctl，当系统部署时，管理员将文件的完整性信息作为特权用户写入文件扩展属性 security.ima 中。
当系统运行时，IMA 子系统将从扩展属性中读取文件的完整性信息，并与实际计算的完整性信息进行比较。
因此，即使攻击者通过密码破解获得了当地特权，或者利用安全漏洞获得了当地特权，在准备操作恶意程序或植入后门程序时，因为没有 IMA 在私钥的情况下，不可能构建合法的 IMA 因此，恶意程序或被篡改的程序无法运行。即使带有 IMA 受保护的存储设备受到离线攻击（例如，将存储设备从主机上取下，拿到另一台机器进行修改，然后重新安装到主机上）。被篡改的文件或攻击者植入的恶意软件在运行过程中仍不能运行，这可以在一定程度上抑制类似性 Dirty Cow 这种核心漏洞的危害。
所谓 IMA 商密化，就是在 IMA 在整个签名验证过程中，使用商密算法 SM3 取代国际常用的哈希算法 SHA256、SHA512 等，用 SM2 更换算法签名验签 RSA 算法。
SM2:基于椭圆曲线密码（ECC）提供数字签名、密钥交换和公钥加密的公钥密码算法标准 RSA/ECDSA/ECDH 等国际算法
SM3:消息摘要算法，哈希结果是 256 bits，用于替换 MD5/SHA1/SHA256等国际算法
Anolis OS 是龙蜥社区（OpenAnolis）全开源、中立、开放的发行版支持多计算架构，云场景优化100% 兼容 CentOS 8 软件生态。Anolis OS 8 旨在为开发者和运维人员提供稳定、高性能、安全、可靠、开源的操作系统服务。
BabaSSL 基于蚂蚁集团和阿里集团内部，诞生于蚂蚁的项目 OpenSSL版本合并，项目主体已经在github开源（https://github.com/BabaSSL/BabaSSL ），当前的开源版本是 8.2.也是目前最新的稳定版。
BabaSSL 目前，它已广泛应用于阿里巴巴集团和蚂蚁集团。从具体场景来看，有以下三个方面：存储、网络和端部设备。网络服务的场景是BabaSSL 最大的支撑场景，如淘宝、天猫、阿里云等涉及链路加密的服务器端。
BabaSSL 它是一个密码算法库，算法库，兼容 OpenSSL 1.1.1 版本的基础上，全面支持了商密算法以及商密相关协议，作为国密场景下的密码算法主要解决方案，也是密码算法国产化的工程实现。
基于 OpenSSL 1.1.1，具备 OpenSSL 1.1.1 保持兼容的所有能力和能力
支持国密 SM2、 SM3 和 SM4，并对 OpenSSL 1.1.1 中所欠缺的 SM2 能力，比如 X509 证书的签发和验证功能已完成
GM/T 0024 和 TLCP 国密双证书 TLS 协议
支持 RFC 8998：TLS 1.3 国密单证书
提供了对 IETF 在标准化过程中 Delegated Credentials
支持 IETF QUIC API 底层密码学能力
更加完善的 SM2 例如，算法支持 X.509 支持证书签发和验证
申请软件密码模块一级资格
主要环境包括操作系统和上密码相关工具包，这里选择操作系统 Anolis 商密版 OS 8.2 镜像(同时支持 x86 和 arm64)目前最新版本完全支持全套商密算法 SM2/3/4 以及使用 SM2-with-SM3 算法的 X509 证书，，默认开启 IMA 特性。
上层密码学工具选择内置在镜像中的 BabaSSL，版本是 8.2.一是完全实现商密标准的密码算法库。，默认内置 Anolis 商密镜像中。
ShangMi 源会内置在下一个版本的全栈国密镜像中，目前也可以编辑/etc/yum.repos.d/AnolisOS-ShangMi.repo来使用 Anolis OS 的 ShangMi 源。
# AnolisOS-ShangMi.repo # [ShangMi] name=AnolisOS-$releasever - ShangMi baseurl=http://mirrors.openanolis.cn/anolis/$releasever/ShangMi/$basearch/os enabled=1 gpgkey=file:///etc/pki/rpm-gpg/RPM-GPG-KY-ANOLIS
gpgcheck=1安装实践 IMA 必要的工具包：其中 BabaSSL 默认已经安装到标准目录取代OpenSSL， ima-evm-utils 默认已经安装。
yum install -y keyutils为了使用 IMA 功能，先要准备以下密钥和证书：
CA 根证书，自签名的证书，作为信任根内置到内核里
IMA 私钥，与 IMA 证书对应的 SM2 私钥，用于签名文件
IMA 证书，由 CA 根证书签名，系统启动后动态导入内核
# 创建签名证书请求使用的配置文件openssl.cnf
cat > openssl.cnf << EOF
[ req ]
default_bits = 2048
distinguished_name = req_distinguished_name
prompt = no
string_mask = utf8only
x509_extensions = v3_req
[ req_distinguished_name ]
O = Test
OU = Test
CN = Test key
emailAddress = test@foo.com
[ v3_req ]
basicConstraints=critical,CA:FALSE
keyUsage=digitalSignature
subjectKeyIdentifier=hash
authorityKeyIdentifier=keyid:always
EOF
# 生成SM2私钥private.pem
openssl ecparam -genkey -name SM2 -out private.pem
# 从私钥生成证书请求
openssl req -new \
-key private.pem \
-out csr.pem \
-sm3 -sigopt "sm2_id:1234567812345678" \
-subj "/C=CN/ST=Zhejiang/L=Hangzhou/O=Alibaba/OU=OS/CN=test/emailAddress=test@foo.com"
# 生成一个自签名的根证书ca.crt，作为CA证书
openssl ecparam -genkey -name SM2 -text -out ca.key
openssl req -new \
-x509 -days 3650 \
-key ca.key \
-out ca.crt \
-sm3 -sigopt "sm2_id:1234567812345678" \
-subj "/C=CN/ST=Zhejiang/L=Hangzhou/O=Alibaba/OU=OS/CN=CA/emailAddress=ca@foo.com"
# 使用CA证书给SM2证书请求签名，生成IMA要使用的商密证书cert.pem
openssl x509 \
-req -days 3650 \
-in csr.pem \
-out cert.pem \
-sm3 \
-sigopt "sm2_id:1234567812345678" \
-sm2-id "1234567812345678" \
-CA ca.crt -CAkey ca.key -CAcreateserial \
-extfile openssl.cnf -extensions v3_req生成了 CA 证书之后，为了测试和验证 IMA 特性，我们就需要把 CA 根证书内置到内核，这需要使用新的 CA 根证书重新编译内核。
首先下载 Anolis OS 的 ANCK 内核代码，其开发分支为devel-4.19
git clone git@codeup.openanolis.cn:codeup/kernel/cloud-kernel.git -b devel-4.19# 安装编译依赖
yum install -y bison flex elfutils-libelf-devel bc make gcc
# 用上一步生成好的ca.crt作为sm2_cert.pem，使用默认配置编译内核
cp -f ca.crt <kernel_src>/certs/sm2_cert.pem
# 进入内核源码目录，使用默认配置编译内核
cd <kernel_src>
# 如果您是arm的镜像，请将arch/arm64/configs/anolis_defconfig作为.config；
# 如果是x86的，请将arch/x86/configs/anolis_defconfig作为.config。以x86为例
cp -f arch/x86/configs/anolis_defconfig .config
# 配置系统的可信跟证书为/certs/sm2_cert.pem
sed -i 's/CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS=\"\"/CONFIG_SYSTEM_TRUSTED_KEYS=\"certs\/sm2_cert.pem\"/' .config
make
# 安装modules
make modules_install
# 安装内核，这一步也会自动生成initramfs并更新grub.cfg
make install
# 查看vmlinuz
ls -l /boot/vmlinuz*
# 将新内核（比如vmlinuz-4.19.91+ ）设置为缺省的启动内核
grubby --set-default /boot/vmlinuz-4.19.91+
reboot
重启机器后，通过/proc/keys或者keyctl可以看到我们的 SM2 根证书已经内置到了内核中：
# cat /proc/keys | grep sm2
02a32516 I------ 1 perm 1f030000 0 0 asymmetri Alibaba: CA: bc08a9e6e43c30fd421ebc6fec7bb9063a089aca: X509.sm2 3a089aca []
# keyctl show %:.secondary_trusted_keys
Keyring
371108982 ---lswrv 0 0 keyring: .secondary_trusted_keys
945861859 ---lswrv 0 0 \_ keyring: .builtin_trusted_keys
575535217 ---lswrv 0 0 \_ asymmetric: Build time autogenerated kernel key: 60d20efc1951f58c8bba2b04d937e4fa2a6cd62a
44246294 ---lswrv 0 0 \_ asymmetric: Alibaba: CA: bc08a9e6e43c30fd421ebc6fec7bb9063a089aca为了使用 IMA 功能，我们需要把前面用 CA 证书签名的 IMA 证书 cert.pem 导入到内核，之后才能用该证书正确验签 IMA 私钥签名的文件，因为内核已经集成了 CA 根证书，也只有 CA 签名的证书才能成功导入内核。
因为内核只支持导入 DER 格式的证书，因此我们需要先将 pem 的证书转换为 der 格式的，具体命令如下
# 内核只支持导入DER格式的证书
openssl x509 -in cert.pem -out cert.der -outform der用 keyctl 导入证书，注意
# 非持久性导入, 重启后失效
keyctl padd asymmetric "IMA" %:.ima < cert.derIMA 证书导入成功后，我们可以从 /proc/keys 看到证书信息
# IMA证书导入成功后，我们可以从/proc/keys看到证书信息：
cat /proc/keys | grep sm2
03cd0857 I------ 1 perm 1f030000 0 0 asymmetri Alibaba: CA: 10024aa19b7b8d73f4b3b413f70bcf94806f9ca2: X509.sm2 806f9ca2 []
069ced19 I--Q--- 1 perm 39010000 0 0 asymmetri IMA: X509.sm2 604c5d8c []接下来给系统中需要 IMA 验证的文件加上 SM3 的签名，这里简单粗暴的给常用目录下文件全部签名，如果文件比较多的话，这个过程会持续几分钟。
# 使用SM3哈希算法，private.pem是签名用的私钥，给系统主要目录下所有文件做IMA签名
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /bin
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /sbin
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /usr
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /lib
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /lib64
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /etc
evmctl ima_sign -a sm3 -s -k /path/to/private.pem -r -t f /home
# 通过getfattr可以查看添加到文件扩展属性中的签名数据（不是必需）
yum install -y attr
getfattr -n security.ima /path/to/fileIMA 策略是使能 IMA 的必备步骤，策略的内容可以根据实际需要进行定制。为了方便说明问题，这里以用户 imatest 来测试，在下面的规则示例中，当以 imatest 身份运行可执行程序和共享库时，会进行 IMA 度量以及 apprase 检查。
# 创建用户
imatestuseradd imatest
# 用户ID可以从/etc/passwd中看到，这里是1001，用户ID会在IMA规则中用到
tail /etc/passwd | grep imatest
# imatest:x:1001:1001::/home/imatest:/bin/bash将下面的文件内容另存为ima.policy文件：
appraise appraise_type=imasig uid=1001 func=BPRM_CHECK
measure uid=1001 func=BPRM_CHECK
appraise appraise_type=imasig uid=1001 func=MMAP_CHECK
measure uid=1001 func=MMAP_CHECK上面的规则表示：
度量以uid=1001身份运行的程序和共享库，并将度量值记录在 /sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements 文件中。
评估以 uid=1001 身份运行的程序和共享库，如果程序的完整性被破坏，程序将被拒绝运行。
然后写入 IMA 规则到内核：
cat ima.policy > /sys/kernel/security/ima/policyIMA 策略写入内核后，IMA 特性就已经在内核生效了，此时可以以 imatest 用户身份执行一些操作
su imatest
... ...通过ascii_runtime_measurements我们可以看到 IMA 运行时度量的信息，这些都是通过 IMA 验证的文件，以下是部分度量日志：
# cat /sys/kernel/security/ima/ascii_runtime_measurements
10 bcb0e518b79de0d7f2cd20b8a29a7092e65db7ef ima-sig sha1:0000000000000000000000000000000000000000 boot_aggregate
10 d20bcf8ea6f3f8c03dd475766dfe18ccc14d264b ima-sig sm3:66acf6555ad2f6e5b89e1a80644eae4fd0015e5b811be63d1a58415e2f4f2b0e /usr/bin/bash 030211604c5d8c00473045022100ce91713b9aa37a2f8ce16f95acc00a7f072d7d3cc90ad8fae916ffc6072b10f4024
10 b829e4761f7a717dde6daab8089c8bac15fbb139 ima-sig sm3:1bcd4a4cb2a2c4418aa7075f5c012de03a383f3af172579132e5ad21bd5752c5 /usr/lib64/ld-2.17.so 030211604c5d8c0046304402203db3c575be22d35abe49d6e9f7fde0be22be02fdd9211feebf7ae172b8c66
10 be220df2bc614980a06eff27f7286305c7afbdc2 ima-sig sm3:66acf6555ad2f6e5b89e1a80644eae4fd0015e5b811be63d1a58415e2f4f2b0e /usr/bin/bash 030211604c5d8c00473045022100e66e7f2d356668c1779cfbe05838979c789d9f81c8b5cd0e19022b8255ea13f1024
10 d262c29452b0d575a81786c49453fe6f14c0969d ima-sig sm3:1bcd4a4cb2a2c4418aa7075f5c012de03a383f3af172579132e5ad21bd5752c5 /usr/lib64/ld-2.17.so 030211604c5d8c004730450220432ee49d0fe84c36633365afdd1fc138316e5ea2cb854c5dc5b0c9d03619f
10 26bf0fc75828783a0013b9f52045c9a56e8b4853 ima-sig sm3:18781f4c910453fdbcb36a359092128df86a660e230db4bb52765e32e209cf94 /usr/lib64/libtinfo.so.5.9 030211604c5d8c00473045022100fb46c2b15aef6f1005fea3f96d23d95a2d036d5da761d593b76891
10 28ee84f368f892180efaefb3d9b68c90ded73268 ima-sig sm3:1c568b3aa88a2bafe543d4aa1db95c12e7e062f54de5c55c50729fa3ac786ab2 /usr/lib64/libdl-2.17.so 030211604c5d8c00483046022100930e63c0325013bfdbdbe098bc13ac514703af2ff7998fe447675910
10 88120ffffa110b3621947f937117739f46cc8a46 ima-sig sm3:a53099f1946d13df1cf2561be1989cafbf4f1e4908294b315f80b8b07936c6d8 /usr/lib64/libc-2.17.so 030211604c5d8c00473045022010f571c748201ddc229f5b9cbbc4d471fb892b98653f8f73dc614eacfa2
10 1c83184c6b11f31ca8f1090aafc4ee5be8e336b0 ima-sig sm3:a591bc1f9eb1d1b89f0a1a83f6236302132a973515edebec1664499e32e42f12 /usr/lib64/libnss_files-2.17.so 030211604c5d8c00483046022100b51c03e638f2d71f6a4368592d8e055c231441962b1fb0989
... ...注意期中第一条日志，boot_aggregate 是系统启动阶段 TPM PCR 的汇聚值，这个值是汇聚 TPM 设备对应 PCR bank 的值做一个 digest，所使用的摘要算法是根据 TPM 设备版本以及支持的 PCR bank 决定，默认是 SHA1，当然这个摘要也可以通过配置成默认优先 SM3，例子中没有 TPM 设备，所以这里值是 0。
接下来，我们再构造一个没有经过签名的可执行文件并执行：
su imatest
cd ~
echo 'int main(){}' > dummy.c
gcc -o dummy dummy.c运行 dummy 可执行文件，提示没有权限，这是符合预期的，同样，如果文件的签名是错误的，没有通过签名验证，也是会被拒绝执行的。
# ./dummy
bash: ./dummy: Permission denied
# dmesg
audit: type=1800 audit(1631788187.296:8): pid=1426 uid=1001 auid=0 ses=4 op=appraise_data cause=IMA-signature-required comm="bash" name="/home/imatest/dummy" dev="vda2" ino=668226 res=0我们看到，通过对这些软件栈的改造，可以平滑迁移到商密算法，并且完全基于商密算法构建出 IMA 的安全机制，而这些机制在以前都是完全且只能构建在国际标准的算法之上的。
当下的商密标准或多或少已经在基础软件库中有了支持，虽然一些基础的安全能力也可以在商密算法的基础上建立起来，但是还有部分空白领域仍然需要持续的开拓，以应对我国信息安全行业的安全可信。
期待下篇，我们在内核模块签名之上所做的商密化改造。
—— 完 ——
SIG是开放的，并争取让交付成果成为社区发行的一部分，由组内核心成员主导治理，可通过邮件列表和组内的成员进行交流。龙蜥社区SIG目前已超20个，包括硬件兼容性测试 SIG、商密软件栈、高性能存储技术 SIG、Java语言与虚拟机SIG、Cloud Kernel、OceanBase SIG等。
加入微信群：添加社区助理-龙蜥社区小龙（微信：openanolis_assis），备注【龙蜥】拉你入群；加入钉钉群：扫描下方钉钉群二维码。欢迎开发者/用户加入龙蜥社区（OpenAnolis）交流，共同推进龙蜥社区的发展，一起打造一个活跃的、健康的开源操作系统生态！
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