Microsoft Word - 40.doc

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft Word - 40.doc"

钵季
6 years ago
Views:

1 数字签名及 PKI 技术原理与应用安阳师范学院史创明王立新 [ 中图分类号 ]TP [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 ] 摘要 : 现代电子商务要求交易过程中保证数据在互联网上的机密性完整性和有效性数字证书认证技术能保证上述要求公钥加密和公钥基础设施是数字证书认证技术的理论基础和实现基础, 本文详述了二者的内部机制和实现原理并例举了公钥基础设施在网络安全中的主要应用关键字 : 公钥加密数字签名公钥基础设施 PKI CA The Principle and Applications of PKI Enables Digital Signatures Abstract: E-commerce transactions needs more security, more integrality and more validity. The technology of digital signatures can answer for them. Public-key cryptography is the basic principle of digital signatures. Public-key integrality foundation is the guarantee of digital signatures application. This article tells the inner mechanism between PKI and digital signatures, and how they are implemented. This article also tells some important applications of public-key foundation on Internet security. Keyword: digital Signatures, public-key cryptography, E-commerce Security, PKI, CA 随着网络技术和信息技术的发展, 电子商务已逐步被人们所接受, 并在得到不断普及但通过网上进行电子商务交易时, 必须保证在交易过程中能够实现安全传输身份认证不可否认性数据完整性由于数字证书认证技术采用了加密传输和数字签名, 能够实现上述要求, 因此在国内外电子商务中, 都得到了广泛的应用公钥加密是数字证书认证技术的理论基础, 我们首先介绍公钥加密和数字签名的原理 1. 公钥加密与数字签名在密码学中, 信息交换的双方传送的数据通称报文, 加密前的报文叫明文报文, 即明文, 加密后的报文叫密文报文, 即密文, 对明文加密采用的一组规则称作加密算法, 对密文解密采用的一组规则称作解密算法, 加密和解密操作通常在密钥的控制下进行, 密钥有加密密钥和解密密钥之分密文没有解密密匙是不可读的加密和解密算法本身都是公开的, 属于纯数学的范筹密码学主要关注密匙管理的问题, 因为加密通信的安全性只与密匙有关加密通信方式主要有对称加密和非对称加密两种 1.1 对称加密对称加密用于解决数据本身加密问题, 现代的对称加密方式多用繁复的数学算法进行加密性能优异, 但对称加密本身存在几个缺点 : 1. 必须事先传递密匙, 造成密匙带内传输过程中极易被窃常规手段无法解决这高风险 2. 密匙管理困难 3. 由于密匙共享, 无法实现对加密者的认证虽然对称加密对数据本身的加密能力足够强大, 但由于对称加密无法解决密钥带内传输的安全性和对加密者的认证, 故它无法适合现代电子商务等基于互联网平台传输敏感信息的活动而公钥加密正好弥补了这些缺点, 为电子商务的发展铺平了道路 1.2 公钥加密

2 公钥加密使用一对密钥, 由公钥和私钥组成公钥被广泛发布私钥是个人安全持有的, 不公开的用公钥加密的数据只能够被私钥解密反过来, 使用私钥加密的数据也只能用公钥解密利用公钥机制我们可以设计如下通信过程 : 1. 甲公开发布他的公匙 ; 2. 乙用甲的公匙加密明文得到密文并传送给甲 ; 3. 甲用它从不公开的私匙对该密文解密由于不存在密钥的带内传输, 这样就解决了互联网交易的数据保密问题而数据不被篡改, 交易双方能互相验证身份, 交易发起方对自己的数据不能否认这三个问题都是数字签名实现的 1.3 数字签名数字签名是通过单向 Hash 函数和公钥算法共同实现的单向 Hash 函数将报文映射为定长的消息摘要, 即 Hash 值, 若报文有细微改动, 则 Hash 值完全不同, 单向是指从 Hash 值无法推知报文值利用单向 Hash 函数的这些特性, 可设计如下算法实现数字签名 : 1. 甲用乙的公匙将要发送给乙的消息 M 加密为 MP; 2. 用单向 Hash 算法算出 Hash 值 H, 用甲的私匙加密为 HP; 3. 将 MP 和 HP 封装为一个数据块发送给乙乙收到消息后, 只需简单地对 MP 再次用 Hash 算法算出 Hash 值 HQ, 并将它与 HP 比较, 相同该数据块真, 不同则该数据块假如果为真, 则乙用自己的私匙解密 MP, 得到 M 可见, 只要 MP 和 HP 中任意一项有丝毫改动, 那么乙收信后都会认定该数据块无效这就实现了数据的不可篡改由于只有甲自己才有私匙, 所以简单反推一下, 我们不难看出一旦乙的验证通过, 甲就已经绝对不可否认该数据块是他加密发送的了乙怎么确认甲的公钥的真实性, 而非中间人篡改过的? 这正是公钥基础设施 (Public Key Infrastructure, 简称 PKI) 所要解决的问题 2. 公钥基础设施本质上讲, PKI 是保护公开密钥的基础架构我们知道, 密码学的安全基础在于密钥的保护, 秘密密钥是秘密公开密钥是公开的, 任何人都可以访问, 似乎不需要保护但是, 公开密钥必须放在一个大家都可访问的地方才能被所有人访问, 这个地方如果对所有人都有写权, 就可能有人用假冒的公开密钥覆盖其他人的公开密钥, 使得与该人通信的秘密都被假冒人解密, 真正的接收者反而不能阅读因此, 公开密钥也要受到保护目前, 数据完整性保护最好的技术是基于公开密钥的数字签名公开密钥的数字签名成为证书, 对公开密钥签名的机构成为签证机关 2.1 数字证书数字证书是一种数字标识, 提供用户在互联网上的身份认证, 它是一个经证书授权中心数字签名的包含公开密钥拥有者信息和公开密钥的文件最简单的证书包含一个公开密钥名称以及证书授权中心的数字签名证书的格式遵循 ITUT X.509 国际标准 2.2 签证机关 CA 由于 CA 对众多用户的公开密钥签名, 所以必须由大家都信任的一个机构来承担, 而且要负法律责任要使 CA 的公钥验证用户的证书是可信的,CA 本身的公钥也需保护, 又需更高一级的 CA 来签名因此, 正如 X.509 所规定的,CA 用目录信息树 (DIT) 的方式组织最高一级

3 CA 称为根 CA(Root - CA), 如图 1 所示, 用户之间的证书验证, 需要对方证书生成的一条链 ( 称为证书链 ) 才能进行图 1 X..509 定义了 CA 的树型结构, 但没有指明 CA 的可信由什么来保证下面介绍 VISA/MASTER 组织制定的安全电子交易标准 (SET) [5 ] 2.3 SET 的 CA 体系结构安全电子交易 (SET) 是 VISA 和 MASTER 两大信用卡组织为电子商务提出的方案用于保护用户商户和金融机构三者网上交易的各自利益这种利益的保护既需要 PKI, 也需要 CA, 如图 2 所示图 2 其中 : RCA: 根 CA; BCA: 品牌 CA, 第二级 CA; GCA: 地理政策 CA, 第三级 CA, 可为不同地域制定不同的品牌策略 ; CCA MCA 和 PCA: 分别为持卡人商户和支付网关发行证书 2.4 CA 的功能及问题根据 IETF 的 PKI 规范,CA 应完成 CA 建立, RA 建立, 密钥对更新, 证书更新, 交叉证书请求更新, 黑名单请求, 证书 / 黑名单发现操, 密钥对恢复等功能

4 这些功能实际上都与密钥有关, 它们是一组结构严密而非常复杂的问题例如, 一旦 CA 新密钥生成,CA 证书就要更新, 下属 CA 或用户证书也全部要更新因此,CA 新密钥的生成必须通知所有下属 CA 和用户, 而在现实中要真正通知所有用户几乎不可能又如果密钥是用户生成的,CA/ RA 如何判定该密钥确实是由该用户生成的? 用户生成密钥如果是弱密钥又怎么办? 如果密钥是 CA/ RA 生成, 秘密密钥如何能安全地传递给用户? 总的来说, 设计 CA 必须解决密钥 / 证书 / 黑名单的请求生成存储和分发等问题, 以及由此导出的 CA 与 CA CA 与用户的协议交换, 不同 CA 树之间交叉证书, 算法 / 密钥 / 证书 / 目录服务等的策略问题,CA 和 LDAP 的瓶颈问题及 CA/ RA 增加和撤消问题等 3.PKI 应用作为一种保障网络交易安全的基础设施,PKI 得到了非常广泛的应用, 下面是几个 PKI 在网络安全中的应用实例 : 3.1 虚拟专用网络 (VPN) VPN 是一种架构在公用通信基础设施上的专用数据通信网络, 利用网络层安全协议 ( 尤其是 IPSec) 和建立在 PKI 上的加密与签名技术来获得机密性保护基于 PKI 技术的 IPSec 协议现在已经成为架构 VPN 的基础, 它可以为路由器之间防火墙之间或者路由器和防火墙之间提供经过加密和认证的通信虽然它的实现会复杂一些, 但其安全性比其他协议都完善得多 3.2 安全电子邮件电子邮件的安全需求也是机密完整认证和不可否认, 而这些都可以利用 PKI 技术来获得利用数字证书和私钥, 用户可以对他所发的邮件进行数字签名, 这样就可以获得认证完整性和不可否认性, 用加密的方法还可以保障信息的机密性目前发展很快的安全电子邮件协议是 S/MIME, 这是一个允许发送加密和签名邮件的协议该协议的实现需要依赖于 PKI 技术 3.3 电子商务 PKI 技术是解决电子商务安全问题的关键, 综合 PKI 的各种应用, 我们可以建立一个可信任和足够安全的网络在这里, 我们有可信的认证中心, 典型的如银行政府或其他第三方在通信中, 利用数字证书可消除匿名带来的风险, 利用加密技术可消除开放网络带来的风险, 这样, 商业交易就可以安全可靠地在网上进行参考文献 : [1] 李明柱,PKI 技术及应用开发指南, [2] 佘堃周明天, 公开密钥基础设施 (PKI) 核心签证机关 (CA) 计算机应用 1999 年 11 期 [3] Matt Bishop,Computer Security:Art and Science, 清华大学出版社 [4] Bruce Schneier, Applied Cryptography:Protocols,Algorithms,and Source Code in C,John Wiley & Sons 作者简介 : 史创明, 男, 1963-, 汉族, 安阳师范学院计算机科学系副教授, 籍贯 : 河南 ; 研究方向 : 计算机网络, 中文信息处理 ; 联系方式 : 史创明安阳师范学院计算机科学系邮编联系电话 : scmscmscm@163.com,

5 单位 : 安阳师范学院计算机科学系邮编 Author brief introduction: Name:Shi Chuangming.Sex:male.Nnationality:Han.Title of technical post: Associate professor.native place:henan.studying subjects:networks and Chinese information processing. Address: Department of Computer and Science, AnYang Teacher s College Henan China, Postalcode: Telephone number: scmscmscm@163.com. Unit: Department of Computer and Science, AnYang Teacher s College.

University of Science and Technology of China A dissertation for master s degree Research of e-learning style for public servants under the context of

中国科学技术大学硕士学位论文新媒体环境下公务员在线培训模式研究作者姓名 : 学科专业 : 导师姓名 : 完成时间 : 潘琳数字媒体周荣庭教授二一二年五月 University of Science and Technology of China A dissertation for