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hsm — 基于 PC/SC 的 Zig 硬件安全模块库,用于 PIV、CAC 和 YubiKey 令牌。支持证书、PIN 管理、签名和解密。 | Kitploit
工具/GitLabGitLab/devnw/zig/hsm
加密/解密工具密码学硬件安全身份验证
GitLabdevnw/zig/hsm

hsm

基于 PC/SC 的 Zig 硬件安全模块库,用于 PIV、CAC 和 YubiKey 令牌。支持证书、PIN 管理、签名和解密。

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2个月前尚未审核

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zhsm

一个基于 Zig 的硬件安全模块 (HSM) 库,通过 PC/SC 访问 PIV、CAC 和 YubiKey 令牌。

状态

方面信息
API 稳定性开发中
Zig 版本0.16.0
平台Linux、macOS、Windows
许可证MIT

功能

  • PIV 支持 (NIST SP 800-73-4)

    • 证书获取(插槽 9A、9C、9D、9E)
    • PIN 验证、修改和解锁
    • ECDSA P-256/P-384 签名
    • RSA 2048/3072/4096 签名
    • RSA 解密
  • CAC 支持(通用访问卡)

    • 现代兼容 PIV 的 CAC(完整操作)
    • 传统 CAC PKI 小程序检测(仅小程序选择)
  • YubiKey 支持

    • PIV 小程序操作
    • 基于 ATR 的检测
    • 可选的管理命令
  • 安全性

    • 日志中无机密信息(经过编辑的调试模式)
    • 敏感缓冲区清零
    • 严格的 TLV 解析,包含深度/长度限制
    • 严格的错误类型(无 anyerror)
    • 会话绑定的 PIN 验证(基于 ATR 的卡交换检测)
  • 并行操作(通过 thread_pool)

    • 跨多个插槽的批量签名
    • 跨多个密钥的批量解密
    • 跨多个读卡器的并行令牌发现
    • 跨多个插槽的并行证书检索
    • 低于阈值(< 2 个项目)时自动顺序回退
    • 默认启用 (-Denable_tp=true);使用 -Denable_tp=false 禁用

要求

  • Zig 0.16.0 或兼容版本
  • PC/SC 库:
    • Linux:libpcsclite-dev(Debian/Ubuntu)或 pcsc-lite-devel(Fedora)
    • macOS:内置 PCSC.framework
    • Windows:内置 Winscard.dll

在 Linux 上安装 PC/SC

root@kitploit:~
# Debian/Ubuntu
sudo apt-get install libpcsclite-dev pcscd

# Fedora/RHEL
sudo dnf install pcsc-lite-devel pcsc-lite

# 启动 PC/SC 守护进程
sudo systemctl start pcscd
sudo systemctl enable pcscd

构建

root@kitploit:~
# 构建并运行单元测试
make

# 或直接使用 zig
zig build test

# 运行模拟器集成测试
zig build test -Dintegration_sim=true

# 构建示例(需要安装 PC/SC 库)
zig build examples -Dlink_pcsc=true

构建选项

FIPS-140-3 / PQC 模式

使用 -Dfips=true,每个与安全相关的加密原语通过 crypto_backend 接缝路由到已链接且经过验证的 OpenSSL 3.x FIPS 提供程序,并且模拟器获得仅在 FIPS 模式下可用的后量子 PIV 令牌操作(ML-DSA-65 签名、ML-KEM-768 封装/解封装)。该标志默认关闭,零开销;仅在 -Dfips=true 下解析 fips 依赖关系。

root@kitploit:~
# 默认构建 — std.crypto 后端,无 OpenSSL 链接
zig build test

# FIPS 构建 — OpenSSL FIPS 提供程序(先运行 `make deps` from fips)
OPENSSL_CONF=/usr/local/ssl/ssl/openssl.cnf \
  zig build test -Dfips=true -Dopenssl_path=/usr/local/ssl

# 两种模式一次完成
make test-dual

参见 docs/FIPS.md 了解接缝设计、FIPS 豁免策略和 PQC 令牌操作。

安全说明: allow_pcsc_env_override 选项默认禁用,以防止恶意库注入攻击 (CWE-427)。仅在开发/测试时启用:

root@kitploit:~
# 生产构建(安全,环境变量被忽略)
zig build

# 开发构建(允许 HSM_PCSC_LIB_PATH)
zig build -Dallow_pcsc_env_override=true

启用后,库在加载前会经过验证:

  • 必须是绝对路径
  • 不可全局可写
  • 对组可写文件发出警告

快速开始

root@kitploit:~
const std = @import("std");
const hsm = @import("hsm");

pub fn main() !void {
    var gpa = std.heap.GeneralPurposeAllocator(.{}){};
    defer _ = gpa.deinit();
    const allocator = gpa.allocator();

    // 列出可用令牌
    const tokens = try hsm.listTokens(allocator, false);
    defer {
        for (tokens) |*t| t.deinit();
        allocator.free(tokens);
    }

    if (tokens.len == 0) {
        std.debug.print("未找到令牌\n", .{});
        return;
    }

    // 打开第一个令牌
    var token = try hsm.openToken(allocator, tokens[0].id, .{});
    defer token.close();

    // 验证 PIN
    try token.verifyPin("123456");

    // 读取证书
    const cert = try token.getCertificate(.authentication);
    defer allocator.free(cert);
    std.debug.print("证书:{} 字节\n", .{cert.len});

    // 签名摘要
    var digest: [32]u8 = undefined;
    std.crypto.hash.sha2.Sha256.hash("Hello, PIV!", &digest, .{});

    const signature = try token.sign(.authentication, .ecdsa_p256, &digest);
    defer allocator.free(signature);
    std.debug.print("签名:{} 字节\n", .{signature.len});
}

API 概述

类型

函数

错误

所有操作返回 HsmError 中的错误:

  • PC/SC:PcscUnavailable、ReaderGone、CardRemoved、Timeout
  • PIN:PinIncorrect、PinLocked、PinLengthInvalid
  • 能力:NotSupported、SlotNotFound、AlgorithmNotSupported
  • 数据:InvalidTlv、CertificateNotFound、InvalidDigestLength
  • 安全:SecurityConditionNotSatisfied、

并行操作模块

parallel 模块使用 thread_pool 库提供批量 HSM 操作。它作为一个独立的 Zig 模块构建,在 -Denable_tp=true(默认)时可用。设置 -Denable_tp=false 将完全编译出该接缝;公共函数仍然存在并回退到顺序实现。

低于阈值时,操作顺序执行,无线程池开销。底层的 PKCS#11 调用是脚手架;通过在 src/parallel.zig 中实现 signData、decryptData、discoverToken 和 retrieveCert 函数来集成您的 PKCS#11 后端。

测试

单元测试

root@kitploit:~
# 运行所有单元测试
zig build test

模拟器集成测试

该库包含一个 PIV 卡模拟器,用于无硬件测试:

root@kitploit:~
# 运行模拟器测试
zig build test -Dintegration_sim=true

模拟器使用嵌入式测试密钥(参见 src/sim/key_material.zig)。无需外部密钥文件或环境变量。

硬件在环 (HIL) 测试

用于真实硬件测试:

root@kitploit:~
# 只读测试(证书读取)
HSM_HIL=1 zig build test -Dhsm_hil=true

# 需要 PIN 的测试
HSM_HIL=1 HSM_PIN=123456 zig build test -Dhsm_hil=true

# 危险测试(写操作) - 请谨慎使用
HSM_HIL=1 HSM_PIN=123456 HSM_DANGEROUS=1 zig build test -Dhsm_hil=true

模糊测试

root@kitploit:~
# 持续模糊测试(手动停止)
zig build test --fuzz -- --test-filter fuzz

示例

root@kitploit:~
# 构建示例(需要安装 PC/SC 库)
zig build examples -Dlink_pcsc=true

# 列出令牌
./zig-out/bin/list_tokens
./zig-out/bin/list_tokens --sim  # 使用模拟器

# 使用 PIV 签名(PIN 通过交互式 TTY 提示输入)
./zig-out/bin/piv_sign
./zig-out/bin/piv_sign --sim

# 或通过环境变量提供 PIN(安全性较低)
HSM_PIN=123456 ./zig-out/bin/piv_sign --sim

安全说明

  1. PIN 处理:PIN 永远不会存储在令牌结构中,并且在使用后清零。

  2. TLV 解析:所有 TLV 解析都有深度 (10) 和长度 (64KB) 限制,以防止资源耗尽。

  3. 错误处理:未知状态词导致显式错误,而非静默失败。

  4. 日志记录:调试日志绝不包含敏感数据(PIN、密钥等)。

  5. 内存:使用 hsm.zeroize() 清零敏感缓冲区,可防止编译器优化。

  6. PC/SC 库加载:库从受信任的绝对路径加载 PC/SC。可以通过 HSM_PCSC_LIB_PATH 进行显式覆盖(必须是绝对路径)。

可观测性

hsm 附带一个可选加入的 OpenTelemetry 接缝,用于 HSM 操作的追踪跨度。该接缝默认关闭,关闭时产生零开销——构建永远不会解析 otel 依赖项,每个辅助函数都会编译为编译时已知的空操作,生成的产品不包含任何 otel 或 observability 链接符号。

启用

root@kitploit:~
zig build test                  # 默认:-Dwith_otel=false(空操作)
zig build test -Dwith_otel=true # 可选加入:发送跨度

启用后,每个公共 Token.sign / Token.decrypt 调用都会发出一个 hsm.{operation} 跨度(例如 hsm.sign、hsm.decrypt),包含两个属性:

  • crypto.algorithm — 算法标签(例如 ecdsa_p256、rsa2048_pkcs1v15)。
  • crypto.key.id — 插槽标识符(例如 authentication、signature、key_management、card_auth)。

安全契约

该接缝围绕一个规则设计:绝不导出加密材料。跨度属性被导出到外部主机(通常是 OTLP 收集器),并最终进入可能具有比 HSM 操作本身更弱访问控制的追踪/日志中。

  • 此库绝不会将私钥字节、明文、密文、签名、摘要或 PIN 附加到跨度上。
  • 只有操作类型、插槽标识符和算法名称通过遥测离开进程。
  • 如果您的应用程序的插槽标识符本身是敏感的(例如与用户身份关联),请在传递给 hsm.observability.startHsmOperationSpan 之前对其进行编辑或哈希处理。

进程引导

root@kitploit:~
const hsm = @import("hsm");

pub fn main() !void {
    // 将 Otel 值存放在稳定地址上——可以是 main() 栈帧中的 `var`
    // 以供进程生命周期使用,也可以是堆分配。该初始化辅助函数仅在
    // `-Dwith_otel=true` 时存在;在禁用的构建下,
    // hsm.observability_init 解析为空结构体,此块编译为空操作。
    if (comptime hsm.observability.enabled) {
        var otel = try hsm.observability_init.Otel.init(allocator, "my-service");
        defer otel.deinit();
        otel.installGlobals();
    }
    // ... main 的其余部分,包括任何 hsm.Token.sign 调用——每个调用
    // 现在都会发出一个附加到您服务的 `hsm.sign` 跨度。
}

该接缝读取 OTEL_* 环境变量(采样器、导出程序端点、service.name 等),遵循 OpenTelemetry 环境变量规范。默认值:基于父级的 traceidratio 采样器,采样率为 5%,OTLP/HTTP-protobuf 导出程序到 http://localhost:4318。

配方 + 验证

完整的集成配方(构建布线、测试框架、空操作验证器)记录在 otel 部署仓库中: otel/docs/integration/RECIPE.md。

在合并影响接缝的更改之前,必须通过三道验证门:

root@kitploit:~
zig build test                                 # 默认标志 = false
zig build test -Dwith_otel=true                # 标志开启
scripts/verify-consumer-noop.sh                # 符号泄漏检查

verify-consumer-noop.sh 验证门使用 -Dwith_otel=false 构建库,并使用 nm --defined-only 遍历 zig-out/,如果任何 otel/observability 符号残留在产物中则失败。它镜像了跨仓库的 otel/scripts/verify-consumer-noop.sh(仅在兄弟仓库布局 <root>/otel//<root>/hsm/ 中运行),因此没有该布局的贡献者仍然可以在本地对接缝进行验证。

项目结构

root@kitploit:~
src/
├── hsm.zig              # 主 API 和类型
├── root.zig             # 模块入口点
├── apdu.zig             # APDU 编码/解码
├── tlv.zig              # BER-TLV 解析
├── parallel.zig         # 并行操作(thread_pool)
├── pcsc/
│   └── pcsc.zig         # PC/SC 传输层(Linux/macOS/Windows)
├── piv/
│   └── piv.zig          # PIV 实现
├── cac/
│   └── cac.zig          # CAC 实现
├── yubikey/
│   └── yubikey.zig      # YubiKey 检测
└── sim/
    ├── sim.zig          # 模拟器入口点
    ├── transport.zig    # 模拟传输层
    ├── piv_card.zig     # 模拟 PIV 卡
    └── key_material.zig # 嵌入式测试密钥

tests/
├── integration.zig      # 基本集成测试
├── sim_integration.zig  # 模拟器集成测试
└── hil_tests.zig        # 硬件在环测试

examples/
├── list_tokens.zig      # 令牌发现示例
└── piv_sign.zig         # 签名示例

参考

  • NIST SP 800-73-4 - PIV 规范
  • FIPS 201-3 - PIV 标准
  • PC/SC 工作组 - PC/SC 规范
  • Yubico PIV 工具 - YubiKey PIV 文档

贡献

参见 CONTRIBUTING.md 获取指南。

许可证

MIT 许可证 - 详见 LICENSE。


基于 Zig 0.16.0 构建 | PIV | CAC | YubiKey | PC/SC

下载工具
选项默认值描述安全影响
integration_simfalse运行模拟器集成测试无
hsm_hilfalse运行硬件在环测试(需要真实令牌)无
link_pcscfalse链接示例的 PC/SC 库无
include_simulator调试:true
发布:false
包含带有测试密钥的 PIV 模拟器CWE-321:在生产中使用测试密钥
allow_pcsc_env_overridefalse安全风险:允许 HSM_PCSC_LIB_PATH 环境变量CWE-427:不可信库加载
fipsfalse将安全加密路由到已链接的 FIPS-140-3 提供程序(关闭时零开销)关闭时无影响
openssl_path(未设置)非标准安装的 OpenSSL 安装前缀(例如 /usr/local/ssl)无
类型描述
TokenKind令牌类型:.piv、.cac、.yubikey、.unknown
TokenInfo发现的令牌元数据
Token用于操作的已打开令牌句柄
Slot密钥插槽:.authentication (9A)、.signature (9C)、.key_management (9D)、.card_auth (9E)
Algorithm加密算法:.ecdsa_p256、.ecdsa_p384、.rsa2048_pkcs1v15 等
Capabilities令牌能力标志
PcscScopePC/SC 上下文范围:.user(默认)、.system
函数描述
listTokens(allocator, use_sim)列出可用令牌
openToken(allocator, id, opts)按 ID 打开令牌
token.reconnect()重新连接到令牌并重置认证状态
token.verifyPin(pin)验证 PIN
token.changePin(old, new)修改 PIN
token.unblockPin(puk, new_pin)使用 PUK 解锁 PIN
token.getCertificate(slot)获取 DER 编码的证书
token.sign(slot, alg, digest)签名摘要
token.decrypt(slot, alg, ciphertext)解密数据
token.capabilities()获取令牌能力
token.close()关闭令牌连接
AuthenticationFailed
函数描述阈值
parallelSign(allocator, inputs, results)跨插槽批量签名2+ 个项目
parallelDecrypt(allocator, inputs, results)跨密钥批量解密2+ 个项目
parallelTokenDiscover(readers, results)跨读卡器令牌发现2+ 个读卡器
parallelCertRetrieve(allocator, requests, results)跨插槽证书检索2+ 个请求