版权声明：转载或使用时请注明出处与作者。 https://blog.csdn.net/weixin_43177881/article/details/83034315
首发地址：简书-加密机体系
欢迎关注我的简书账号：godson_ds
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
或
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
版权声明：本文为博主原创文章，转载请附上博文链接！
