走向合规：Go加密库对FIPS 140的支持

本文永久链接 – https://tonybai.com/2024/11/16/go-crypto-and-fips-140

在今年3月份，Microsoft Azure团队宣布开设Go开发人员博客，旨在向开发者通报Microsoft在Go领域的最新动态，包括如何在Azure上部署Go工作负载以及与Go编程相关的文章。

然而，经过一段时间的关注，我发现该博客上的大多数文章都呈现出类似下图中的标题格式：

似乎微软在紧跟Go的发布节奏，发布自己维护的fork版本。那么，这些fork版本与上游Go究竟有何不同呢？通过查阅其fork版的README文件，我们可以找到答案：

原来微软的Go分支主要是为了向开发者提供符合FIPS 140-2标准的Go加密库。

近期，Russ Cox也发起了一个新提案，旨在使Go的加密库符合FIPS 140标准，以便能够去除Boring Crypto库。

对于许多对加密领域不太熟悉的读者来说，这可能会引发一系列疑问：什么是FIPS 140标准？Go目前对FIPS 140标准的支持状态如何？新提案将如何影响Go未来对FIPS 140标准的支持？

在这篇文章中，我们就一起了解一下FIPS 140标准、Go对其支持的现状以及未来的支持策略。

1. 什么是FIPS 140标准认证

FIPS 140（联邦信息处理标准第140号）是美国政府制定的一套计算机安全标准，主要用于规定加密模块的要求。该标准由美国国家标准与技术研究院（NIST）发布，旨在确保用于加密的硬件和软件模块满足一定的安全标准。

FIPS 140标准经历了多个版本的演进：

• FIPS 140-1

于1994年发布，2002年撤回。它首次定义了四个安全级别和十一项要求领域。

• FIPS 140-2

于2001年发布，考虑了技术的发展和用户反馈，是国际标准ISO/IEC 19790:2006的基础文件。FIPS 140-2仍然在使用，直到2022年4月某些应用程序的测试可以继续进行。FIPS 140-2定义了四个安全级别：

级别1：最低要求，所有组件必须是“生产级”的，且不允许有明显的安全漏洞。
级别2：增加了物理防篡改的要求，要求有角色基础的身份验证。
级别3：要求更高的物理防篡改能力和基于身份的认证，同时要求对模块的关键安全参数接口进行物理或逻辑隔离。
级别4：对物理安全要求更严格，要求能够抵御环境攻击。

• FIPS 140-3

在2019年发布，作为FIPS 140-2的继任者，FIPS 140-3对标准进行了更新，使其与国际标准更为一致，并引入了新的安全要求。

FIPS 140认证由加密模块验证计划（CMVP）负责，该计划是NIST与加拿大通信安全局（CSE）共同运营的。认证过程涉及对加密模块的详细测试，确保其符合相应的标准要求。所有使用加密的美国联邦政府部门都必须使用经过FIPS 140认证的模块。

FIPS 140并不保证使用该标准的模块一定是安全的，但它确立了一系列文档和测试要求，确保加密模块在设计和实现上的可靠性。对于希望使用加密模块的用户和开发者来说，确认所使用的模块是否有现有的验证证书是非常重要的。

FIPS 140是美国政府对加密模块的要求，许多公司需要遵守这些标准以满足合规性需求，尤其是一些企业在与美国政府及其他受监管行业的合作中，FIPS合规性变得至关重要，这也是微软为何要建立Go Fork分支满足FIPS合规性，以及Go团队发起尽快让Go加密库满足FIPS合规性的提案的根本原因。随着Go在受监管环境中的采用增加，FIPS合规性将影响Go的吸引力和开发者体验。

那么当前Go密码学包对FIPS的支持是怎样的呢？我们继续往下看。

2. Go密码学包对FIPS标准支持的现状

到目前为止(Go 1.23.x版本)，Go原生的crypto包并不具备FIPS认证。并且，在2017年的一个名为”crypto: FIPS 140-2 Certification“的issue中，Go密码学领域的首任技术负责人Adam Langley给出了这样的答复：

从Adam Langley的表述中可以看出，他似乎对FIPS 140这样的官方标准持有一种不屑的态度。同时他也指出对于FIPS 140认证感兴趣的开发者，可以尝试使用dev.boringcrypto分支。

dev.boringcrypto分支是什么呢？它又是如何实现FPIS 140合规的呢？其实思路很简单，那就是：既然我暂时是不合规的，那我就找一个合规的，然后包装一下提供给开发者使用。

那么什么库是合规的呢？BoringSSL，也就是Google fork的OpenSSL库的自维护版本，更精确地一点是BoringSSL库的一部分内容通过了FIPS 140-2认证：

截图来自Google Cloud blog

而通过认证的这部分模块被称为BoringCrypto：

截图来自NIST官网

Go dev.boringcrypto分支就是通过BoringSSL的binding来实现FIPS 140合规的，通过导入crypto/tls/fipsonly包，可以将所有TLS配置限制为FIPS合规设置，确保使用合规的加密算法。下面是Go 1.23.0中crypto/tls/fipsonly下fipsonly.go的源码，我们可以看到它实际上使用的是crypto/internal/boring下面的合规包：

// Copyright 2017 The Go Authors. All rights reserved.
// Use of this source code is governed by a BSD-style
// license that can be found in the LICENSE file.

//go:build boringcrypto

// Package fipsonly restricts all TLS configuration to FIPS-approved settings.
//
// The effect is triggered by importing the package anywhere in a program, as in:
//
//  import _ "crypto/tls/fipsonly"
//
// This package only exists when using Go compiled with GOEXPERIMENT=boringcrypto.
package fipsonly

// This functionality is provided as a side effect of an import to make
// it trivial to add to an existing program. It requires only a single line
// added to an existing source file, or it can be done by adding a whole
// new source file and not modifying any existing source files.

import (
    "crypto/internal/boring/fipstls"
    "crypto/internal/boring/sig"
)

func init() {
    fipstls.Force()
    sig.FIPSOnly()
}

从Go 1.8开始，Go都会在发布大版本时建立对应该大版本的dev.boriingcrypto分支，如下图：

但Go官方在Go 1.18版本之后似乎就不维护这个分支了。微软也恰是从那时(2022年初)开始fork了Go repo并维护自己的fips合规版本，在Linux上，该Fork使用OpenSSL的Go binding进行加密，而在Windows上使用CNG（Cryptography Next Generation）。

注：尽管使用微软的Go工具链构建的应用程序可以在FIPS兼容模式下运行，但这并不意味着自动符合FIPS认证。开发团队需确保使用FIPS合规的加密原语及工作流程。如果无法提供FIPS合规的实现，修改后的加密运行时将回退到Go标准库的加密方法，如使用crypto/md5或非标准nonce大小的AES-GCM等。

由于BoringSSL是C语言的，Go dev.boringcrypto分支势必要依赖cgo，将部分加密包的内部实现替换为通过FIPS 140认证的模块。但这种方案存在许多问题，如内存不安全代码、影响Go版本更新、性能问题和开发体验等。于是就有了文前提到的旨在移除BoringCrypto的Go团队的新提案。

新提案的内容是什么呢？下面我们就来细致看看。

3. Go加密库原生支持FIPS 140认证的提案

根据Go加密库上一任Tech leader Filippo Valsorda在proposal: crypto: mechanism to enable FIPS mode中的描述，Go团队希望为Go加密库实现FIPS 140-3认证，并允许开发者启用或禁用FIPS模式，以满足合规性要求。

该proposal建议在运行时通过设置GODEBUG标志来启用FIPS模式，新增GODEBUG=fips140选项。并且通过GODEBUG=fips140的值可以控制FIPS模式：

• on为启用FIPS模式。
• only：仅允许使用经过批准的加密算法，其他非批准算法将返回错误。
• enforce（该值依然在讨论中）：它会强制执行使用FIPS合规算法，非批准算法将返回错误或导致程序崩溃。

在代码层面，新增crypto/fips140包或放在crypto/internal/fips下，其中包含Enabled() bool函数，用于运行时检查当前是否启用了FIPS模式。

Russ Cox之后在”proposal: cmd/go: add fips140 module selection mechanism“的issue中着重阐述了在Go module层面对fips 140的支持策略，目前仍在更新中，根据Russ Cox 2024.11.11的最新comment，当前设计的策略大致如下：

• 引入新的目标配置环境变量GOFIPS140用于构建工具链（替代之前在propsal中考虑新增的-fips140命令行标志）

该环境变量可取值为off、latest、inprocess、certified或v1.X.Y-fips.N，默认值为off。使用go version -m或获取debug.BuildInfo时，可显示新的构建设置GOFIPS140，其值为off、devel或具体的版本号。

- off（默认）：使用最新源代码，GODEBUG设置为fips140=off。
- latest：使用最新源代码，GODEBUG设置为fips140=on。
- v1.X.Y-fips.N：使用指定的快照。
- inprocess：使用正在进行FIPS标准认证的版本。
- certified：使用经过NIST的FIPS认证的版本。

• 不将FIPS代码视为module

用户不可见的API或工具将不会将crypto/internal/fips代码视为module。在运行go list时，crypto/internal/fips/…的包可以来自/$GOROOT/src/crypto/internal/fips/…或module cache中的目录，Module字段将为nil，与标准库其他部分一致。

• 版本管理与模块系统的分离

尽管crypto/internal/fips有语义版本控制的版本集合，但它们与Go模块系统完全分离。存在于lib/fips140中的文件将采用实现定义(implementation-defined)的格式，尽管其格式很可能采用module zip和checksum的形式。

以上策略的实施将增强Go在FIPS 140支持方面的灵活性和可控性，为开发者提供了更清晰的配置选项。通过将FIPS 支持的配置独立于模块系统，开发者可以更方便地管理构建环境，避免潜在的配置冲突。

并且按照Russ Cox的说法，Go团队计划每年进行一次Go加密库的重新验证，以保持模块的合规性和及时更新。

4. 小结

本文探讨了Go语言加密库在FIPS 140标准支持方面的现状及未来发展。FIPS 140是美国政府制定的一套加密模块安全标准，目前的版本为FIPS 140-3，涵盖了最新的安全要求。

我们详细分析了Go加密库的现状，包括通过BoringSSL实现FIPS 140合规的dev.boringcrypto分支，以及微软维护的FIPS 140合规Go Fork版本。此外，Go团队还提出了针对FIPS 140-3认证的新提案，旨在允许开发者在运行时灵活启用或禁用FIPS模式。这一新提案的实施将为Go提供更大的合规灵活性，并为开发者提供清晰的配置选项，从而增强Go在受监管环境中的吸引力和实用性。

目前，关于Go加密库对FIPS 140支持的相关事项仍处于提案阶段，具体思路和实现细节可能会随着进一步的发展而变化。然而，本文通过对FIPS认证的介绍以及Go加密库未来计划的阐述，相信读者已经初步掌握了选择Go加密模块和满足合规性需求的有用信息。

如果你有什么疑问，欢迎在评论区留言，通过讨论碰撞，我们一起进步和成长！

5. 参考资料

• FIPS 140 – https://en.wikipedia.org/wiki/FIPS_140
• crypto: obtain a FIPS 140-3 validation – https://github.com/golang/go/issues/69536
• proposal: crypto: mechanism to enable FIPS mode – https://github.com/golang/go/issues/70123
• proposal: cmd/go: add fips140 module selection mechanism – https://github.com/golang/go/issues/70200
• Crypto FIPS 140-2 support – https://github.com/microsoft/go/blob/microsoft/main/eng/doc/fips/README.md
• BoringSSL FIPS 140-2 – https://boringssl.googlesource.com/boringssl/+/master/crypto/fipsmodule/FIPS.md
• CMVP: Certificate #4407 – https://csrc.nist.gov/projects/cryptographic-module-validation-program/certificate/4407
• FIPS 140-2 Validated – https://cloud.google.com/security/compliance/fips-140-2-validated
• Google, LLC BoringCrypto FIPS 140-2 Non-Proprietary Security Policy – https://csrc.nist.gov/CSRC/media/projects/cryptographic-module-validation-program/documents/security-policies/140sp3678.pdf

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