密码在软件供应链安全应用

为进一步推动产业发展，更好地汇聚产学研用各方力量，聚焦关键软件领域密码应用核心问题，不断夯实软件产业发展基础，共同推动软件产业和密码技术融合发展，12月18日，“2021年商用密码应用创新高端研讨会”在经开区国家信创园成功召开。在会上，中关村网络安全与信息化产业联盟EMCG工作组组长王克带来题为《密码在软件供应链安全中的应用》的演讲。

一、软件供应链基本概念

背景：

2021年5月12日，拜登签署国家执行指令（EO-14028）《改进国家网络安全》提出24条“加强软件供应链安全”。至此，美国政府对网络空间软件供应链安全治理拉开序幕。

关键词：

软件供应链安全（software supply chain security）

关键软件（critical software）

软件物料清单（software bill of materials,SBOM)

软件透明度/可见性/可追溯性（transparency/visibility/traceability）

软件标签（software tag，label)

• 执行指令（EO-14028）“加强软件供应链安全”涉及机构

• 执行指令（EO-14028）“加强软件供应链安全”任务、期限及完成情况
• 
• 软件供应链框架形成（ISO、NIST、政府）

• 网络安全事件：

1、2020年SolarWinds（太阳风）

2、2021年

3月Exchange邮件系统软件漏洞

5月Colonial管道公司勒索软件攻击

12月Apache开源项目Log4j2漏洞

• 早期事件：

1、2010年伊朗核电站震网病毒

2、2016乌克兰发电厂遭软件攻击

3、2017年勒索软件WannaCry（美国国家安全局（NSA）泄露）

• 软件代码安全

开源代码。甚至政务、金融、能源等重要行业使用的软件有十八年前的开源代码，软件责任不可追溯，存在极大安全隐患。

• 软件资产

另一方面，由于软件没有作为组织机构、企业的资产，软件处于无台账状态，pc、服务器、云计算、移动App不审核、不检测、不签名的现象比较普遍，软件安全风险不能有效控制；检测版本与实际系统运行版本存在差异，使得大量实际系统运行软件存在来源不明，版本不一致，漏检代码运行带来软件安全隐患。

网络空间处于“谁进来了不知道、是敌是友不知道、干了什么不知道。”的不可知、不可控状态。

1、基本概念

• 供应链（Supply Chain）

《网络供应链风险管理》（NIST.SP800-161 Rev.1 2021）：指各级企业之间链接的资源和流程，每个企业都是从产品和服务的采购开始，延伸到产品生命周期的收购方。

《防范软件供应链攻击》（CISA&NIST 2021.4）：是由参与硬件、软件和管理服务的销售、交付和生产的零售商、分销商和供应商组成的网络。

——一个产品所涉及的不同实体构成的资源、过程的链接。——一种关系

多实体：最少两个实体

有向性：上游和下游，提供和接受

软件供应链（Software Supply Chain）

——一个软件所涉及的不同实体构成的代码、服务的链接。——一种关系

多实体：最少两个实体

有向性：上游和下游，提供和接受

《防范软件供应链攻击》（CISA&NIST2021.4)：ICT供应链生命周期有六个阶段：设计、开发和生产、分配、获得和部署、维护，软件也有这六个阶段。

• 软件供应链安全（Software Supply Chain Security）

在供应链生命周期每个阶段，软件被有意或无意引入恶意代码和漏洞，给系统带来的安全风险。（聚焦恶意代码和漏洞，非可靠性、断货风险）

• 软件供应链安全治理Software Supply Chain Security Governance

处理实体之间的关系，不只解决软件自身问题（如漏洞挖掘）。

三个关系:信任关系、责任关系、技术关系。

处理软件供应链全过程关系，不只解决某一环节的问题（如DevSecOps)。

解决软件可见性、可追溯性问题：软件是谁编制的？软件安全性能如何？代码是否被破坏？

处理多个实体关系依靠统一规范、标准。

• 软件资产管理（Software Asset Management，SWAM）

一个计算机中的软件包括固件、基本输入/输出系统(BIOS)、操作系统、应用程序、恶意软件，如工具包、木马、病毒和蠕虫。

软件资产Software Asset：一行源代码，或一个由多个产品、数千个可执行文件以及无数行代码组成的软件套件。软件资产两种形式存在：一是软件产品，二是可执行文件。

• 软件资产目录（Inventory of Software）：

为企业每个计算设备安装/执行的软件产品和可执行文件建立管理台账（软件注册表SRL）。

• 解决的问题：

软件授权

软件从可信供应商获得

减少软件攻击

• 技术方法：

白名单—只运行“已知的好的”或可信的软件

黑名单—禁止运行“已知的坏软件”或不可受信任的软件

灰名单—目前不知是好还是坏的软件，暂时可运行。

• 软件数字签名（Code Digital Signature）

白名单软件产品可执行文件具备软件数字签名（或数字指纹），以识别软件是否被非法修改，加入恶意代码。对于自研软件，应进行软件数字签名。

• 软件物料清单（Software Bill of Materials,SBOM)

ED-14028指示商务部国家电信和信息管理局(NTIA)，发布软件物料清单(SBOM)的“最小要素”。美国政府已将SBOM确定为推动软件供应链风险管理的优先事项。

一个格式化记录，包含在构建软件使用的各种组件细节和供应链关系。软件供应链安全治理手段。

SBOM的概念源自制造业，其中物料清单是详细说明产品中包含的所有项目的清单。例如：每辆车有一份详细的材料清单，列出了原始设备制造商自己制造和第三方供应商的零件。发现有缺陷的部件时，汽车制造商可以准确地知道哪些车辆受到影响，并通知车主维修或更换。SBOM为生产、购买和操作软件提供信息，以增强对供应链的理解，跟踪已知或新漏洞、风险。在此基础上构建安全工具，作为提高软件透明度的方法基础。

• 软件标识(SWID)标签（Software Identification Tag)

ISO-IEC19770-2-2015_软件资产管理—软件标识标签:一种标准化的数据结构，XML语言描述，支持软件资产管理自动化。SWID标签定义了三种标签：软件身份标签、软件补丁和补充标签。

例子：软件身份标签

• 软件标签（Software label）

EO-14028要求国家标准与技术研究所(NIST)与联邦贸易委员会(FTC)和其他机构协调，启动网络安全标签（Software label）的试点项目。2021.11.1，NIST发布《消费者软件网络安全标签的基线标准草案》。

二、密码在软件供应链安全中的应用

软件供应链安全重点：提高软件可视化、代码完整性和可追溯性。

软件可视化主要采用软件物料清单（SBOM）技术；软件完整性、可追溯性采用数字签名/验证密码技术。

1、国际互联网头部企业合作

Google2017年与7家技术公司在联合推出Grafeas开源计划，为企业定义统一的审计、管理使用开源项目方法。

Linux基金会在软件物料清单（SBOM）管理方面，建立了SPDX（The Software Package Data Exchange，软件包数据交换），为组织共享软件数据提供通用规范格式。7月29日全球开展《SBOM准备情况调查》。

ISO国际标准化组织，2015年发布SWID（Software Identification，软件标识）标签标准ISO/IEC 19770-2:2015，为组织跟踪设备商安装的软件提供一种透明方式。

2、国际互联网头部企业合作开展软件签名

2021年3月10日，谷歌、Linux基金会、Red Hat以及普渡大学共同推出开源软件签名服务sigstore项目，提高软件供应链安全。

——sigstore

提供免费证书和自动化工具，所有的证书和认证都是全球可见的、可发现的和可审计的。

让开发人员能够更轻松地签名软件发布，让用户更容易进行验证。

——Grafeas开源计划

提供一种统一审计和管理软件供应链方式。同时，推出Kritis，对容器镜像进行签名验证，确保只部署经过可信授权方签名的容器镜像，降低运行恶意代码风险。

——TagVault.org

软件标签注册和认证机构（社区），为软件发布商提供生成满足CPE及SWID标准的软件认证标签工具，并对认证标签进行数字签名，确保数据权威性，任何查看标签数据的人均可验证数据的来源，以满足ISO/IEC19770-2：2015标准要求。

3、国内情况——标准

GB/T 36637-2018《信息安全技术ICT供应链安全风险管理指南》，中国电子技术标准化研究院、中科院软件所、联想、华为、蚂蚁金服、阿里、京东、浪潮等单位起草。

GB/T 22239-2019《信息安全技术信息系统安全等级保护基本要求》对软件采购、供应商选择、资产管理、外包软件开发、漏洞与风险管理、移动app来源及开发者实名签名等提出要求。

GB/T 39786-2021《信息安全技术信息系统密码应用基本要求》宜采用密码技术对重要可执行程序进行完整性保护，并对其来源进行真实性验证。

T/ZSA 3001.01-2016《企业移动智能终端应用开发、安装、运行管控机制指南》规范企业App开发者审核、软件开发、软件审核与检测、软件签名及验证、软件发布、软件安装及运行监管等过程。

T/ZSA 37-2020《移动智能终端密码技术政企应用指南》提出移动App双签名与验证机制。

中关村网络安全与信息化产业联盟、中关村标准化协会2016年发布T/ZSA 3001.01-2016《企业移动智能终端应用开发、安装、运行管控机制指南》。

标准规定了企业移动应用软件（App）开发者审核、软件开发、软件审核与检测、软件签名及验证、软件发布、软件安装及运行监管等过程，为移动智能终端厂商、应用开发者、企业应用软件服务商实施企业移动应用软件（App）资产生命期管理提供指南。

中关村网络安全与信息化产业联盟、中关村标准化协会发布T/ZSA 37-2020《移动智能终端密码技术政企应用指南》。标准提供了移动智能终端App双签名与验证机制，为政府、企事业单位开展移动应用软件管控提供代码签名指导。

App开发者签名：App开发者使用其在官方机构（App分发渠道）登记的私钥对其开发的App进行数字签名。由于数字签名可保证签名数据完整性，数字签名不可抵赖性保证了App软件责任可溯源。

官方机构（App分发渠道）签名：官方机构（App分发渠道）使用自己的私钥对开发者签名的App进行二次签名，仍保持App开发者签名的有效性，即“双签名”。采用双签名机制保证App是经过官方机构安全审核、检测的，防止恶意App传播，进一步降低App安全风险。

4、实名计算(Real-Named Computing)理论

2010年清华大学研究提出哲学指导：网络空间与现实空间是映射的、趋同的。现实空间主体——人的社会活动需要实名，网络空间主体——软件运行也一定需要实名。

网络安全事实：软件定义一切，软件破坏一切。软件不管控，网络无宁日。

定义：计算机系统运行软件时要确认软件的真实责任者。这样的计算称实名计算（Real-Named Computing）。

形式化：

定义1：P表示一个软件，S表示数字签名函数，S(P)A为软件制造者A对软件P的数字签名，称P‖S(P)A为实名软件(Real-Named Software)，用Pˊ表示。

定义2：P表示一个软件，当P运行时，计算系统须确认S(P)的签名者。称这种计算为实名计算(Real-Named Computing)。

——实名计算模型

图灵实名计算

• 带标签图灵机(Identified Turing Machine,ITM)

定义4 ITM=(Q,Σ,Γ,δ,q0,β,F,IM)

其中Q,Σ,Γ,δ,q0,β,F与经典图灵机定义相同，IM表示图灵机ITM的标签，是ITM的唯一标识，且S(M)A满足定义４,为图灵机制造者A的签名。

• 选择模拟通用图灵机（Selected Simulating Universal Turing Machine,SSUTM）

设M1,M2,…Mn为n个定义５的带标签图灵机，为Mi,以及输入wi的0-1编码。先构造一个选择模拟图灵机SSTM，SSTM有3条带。

由图灵机理论可知，对于定义5的3带图灵机SSMT，存在一个单带图灵机ITMU与之等价，称ITMU为选择模拟通用图灵机（Selected Simulating Universal Turing Machine,SSUTM）。显然SSUTM和原始图灵机等价。

• 安全的选择模拟通用图灵机（S-SSUTM）

定义6一个通用图灵机，它可确定ITM M1,M2,…Mn编码被修改,且非ITM不能在其上模拟,称这个通用图灵机是安全的。

定理1一个通用图灵机是安全的,当且仅当其等价的３带图灵机转换规则是SSTM转换规则。

基于SSUTM的冯·诺依曼计算模型

可信Cyber空间软件控制模型TCSCM

5、实名计算技术

6、实名计算工程体系

7、实名计算应用研究实践——“软件入伍”模型(Software-Enrollment Machine）

• 基本功能：

1)软件注册;

2)软件发布;

3)软件下载;

4)软件远程认证;

5)软件本地验证;

6)注册软件删除;

7)增加注册软件;

• 密码管理:

软件签名证书体系

软件签名证书发放

接受SRC、SAC、SEU用户的证书申请、审核、签发、发布、证书撤消申请以及CRL的签发和发布。

密钥管理

8、实名计算与SE、CS、TC的关系，如下图所示：

9、政企软件管理平台（Government Enterprise Application Platform）

作用：

（1）依据网络安全等级保护2.0、信息系统密码应用国家标准；

（2）为企事业单位提供APP开发者审核、安全开发、安全检测、数字签名、运行管理APP资产全生命期管理服务；

（3）保证政企APP合规、安全、高品质、责任可追溯

APP国密签名：

对APP进行国密算法多重代码签名与验证的功能模块，包含提供给开发者的签名工具、平台使用的自动签名服务和SDK、平台和手机系统可用的验证签名SDK和DEMO、文档等。APP国密签名。

GEAP安全移动终端：GEAP移动终端只运行GEAP平台安全审核及签名的App。

发展方向：