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容常
7 years ago
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1 密钥管理主讲人 : 裴士辉 e_mail:

2 密钥管理所有的密码技术都依赖于密钥密钥的管理本身是一个很复杂的课题, 而且是保证安全性的关键点

3 密钥类型基本密钥 (Base Key) 又称初始密钥 ( Primary Key), 用户密钥 (User key), 是由用户选定或由系统分配给用户的, 可在较长时间 ( 相对于会话密钥 ) 内由一个用户所专用的密钥会话密钥 (Session Key) 即两个通信终端用户在一次通话或交换数据时使用的密钥文件密钥 (File key): 用于加密文件 ; 数据加密密钥 (Data Encrypting Key): 用于加密数据

4 密钥类型密钥加密密钥 (Key Encrypting Key) 用于对会话密钥或文件密钥进行加密时采用的密钥又称辅助 ( 二级 ) 密钥 (SecondaryKey) 或密钥传送密钥 (key Transport key) 通信网中的每个节点都分配有一个这类密钥主机主密钥 (Host Master Key) 它是对密钥加密密钥进行加密的密钥, 存于主机中在公钥体制下, 还有公开密钥秘密密钥签名密钥之分

5 密钥类型将用于数据加密的密钥称三级密钥 ; 保护三级密钥的密钥称二级密钥, 也称密钥加密密钥 ; 保护二级密钥的密钥称一级密钥, 也称密钥保护密钥例如 : 如用口令保护二级密钥, 那么口令就是一级密钥

6 密钥使用的单一性准则通常一个密钥只用于单一的用途

7 所有的密钥都有生存期密钥的生存周期 : 授权使用该密钥的周期原因 : 1. 拥有大量的密文有助于密码分析 ; 一个密钥使用得太多了, 会给攻击者增大收集密文的机会 ; 2. 假定一个密钥受到危及或用一个特定密钥的加密 / 解密过程被分析, 则限定密钥的使用期限就相当于限制危险的发生

8 密钥的生存期一个密钥主要经历以下几个阶段 : 1. 产生 ( 可能需要登记 ) 2. 分配 3. 使用 4. 更新 / 替换 5. 撤销 6. 销毁

9 密钥生成

10 加密算法和密钥长度的选择 Bits of security Symmetric key algorithms FFC (e.g., DSA, D-H) IFC (e.g., RSA) ECC (e.g., ECDSA) 80 2TDEA19 L = 1024 N = 160 k = 1024 f = TDEA L = 2048 N = 224 k = 2048 f = AES-128 L = 3072 N = 256 k = 3072 f = AES-192 L = 7680 N = 384 k = 7680 f = AES-256 L = N = 512 k = f = 512+

11 推荐的算法和最小密钥长度 Algorithm security lifetimes Symmetric key algorithms (Encryption & MAC) FFC (e.g., DSA, D-H) IFC (e.g., RSA) ECC (e.g., ECDS A) Through 2010 (min. of 80 bits of strength) 2TDEA23 3TDEA AES-128 AES- 192 AES-256 Min.: L = 1024; N =160 Min.: k=1024 Min.: f=160 Through 2030 (min. of 112 bits of strength) 3TDEA AES-128 AES-192 AES- 256 Min.: L = 2048 N = 224 Min.: k=2048 Min.: f=224 Beyond 2030 (min. of 128 bits of strength) AES-128 AES-192 AES-256 Min.: L = 3072 N = 256 Min.: k=3072 Min.: f=256

12 密钥产生手工 / 自动化选择密钥方式不当会影响安全性使密钥空间减小

13 差的选择方式易受字典式攻击攻击者并不按照数字顺序去试所有可能的密钥, 首先尝试可能的密钥, 例如英文单词名字等 (Daniel Klein 使用此法可破译 40% 的计算机口令 ), 方法如下 : (1) 用户的姓名首字母帐户名等个人信息 (2) 从各种数据库得到的单词 (3) 数据库单词的置换 (4) 数据库单词的大写置换 (5) 对外国人从外国文字试起 (6) 尝试词组

14 好的密钥的特点真正的随机选用易记难猜的密钥较长短语的首字母, 词组用标点符号分开采用散列函数

15 不同等级的密钥的产生方式不同主机主密钥安全性至关重要, 故要保证其完全随机性不可重复性和不可预测性可用投硬币骰子, 噪声发生器等方法产生密钥加密密钥数量大 (N(N-1)/2), 可由机器自动产生, 安全算法伪随机数发生器等产生会话密钥可利用密钥加密密钥及某种算法 ( 加密算法, 单向函数等 ) 产生

16 随机数生成器 Random number generators (RNGs) Deterministic Random bit Generators (DRBGs), deterministic random number generators or pseudorandom number generators 通过加密算法来生成随机位 Non-Deterministic Random Bit Generators (NRBGs),true RNGs 通过不可预测的物理源来生成随机位

17 物理的方法构建 RNGS 早期的方法有掷骰子, 投硬币, 转轮盘 ; 根据量子力学的原理, 基于随机的原子或亚原子物理现象构建 RNGS: radioactive decay, thermal noise, shot noise, avalanche noise in Zener diodes, clock drift, the timing of actual movements of a hard disk read/write head, and radio noise In 2010, Kanter et al. at Bar-Ilan University created a physical random bit generator that operates at a rate of 300 gigabits per second, the fastest thus far created.

18 物理的方法构建 RNGS 对一些随机的视频流的图像进行 hash 运算, 如对 lava lamp (or Astro lamp) 的图像进行处理利用一些生物特性构建 RNGS

19 X9.17 密钥产生其中加密 E K (X) 表示用密钥对 X 进行三重 DES 加密 K 是密钥 V 0 是秘密的 64 位种子 T 是时间标记 R i 是预产生的随机密钥 R E ( E ( T) V) i k k i i V i 1 Ek( Ek( Ti) Ri)

20 对 RNGS 的统计测试 The first tests for random numbers were published by M.G. Kendall and Bernard Babington Smith in the Journal of the Royal Statistical Society in 一些测试方法 : frequency test serial test poker test gap test In 1995, the statistician George Marsaglia created a set of tests known as the diehard tests, which he distributes with a CD-ROM of 5 billion pseudorandom numbers.

21 Good RNGs Turing Award winner in 2000 Andrew Chi-Chih Yao 姚期智 Contributions Theory of computation Complexity Theory of RNGs If there is no practical way to predict the next bit of an RNG with more than 50% chance, the RNG will pass all statistical tests.

22 使用伪随机数产生器应注意的问题 PRNG 的种子通常是参照系统时钟生成的使用系统时间的某一点来作为种子这意味着如果能算出生成器什么时间发生, 那么就可以知道由生成器生成的每一个值用时钟播种的伪随机数, 所有结果是可以预测的如果想要安全性, 必须为数字生成器播种一个真正的随机数

23 #include <stdlib.h> #include <stdio.h> #include <time.h> void main( void ) { int i; // srand( (unsigned)time( NULL ) ); srand( 25 ); } for( i = 0; i < 10;i++ ) printf( " %6d\n", rand() );

24 在线赌博中欺骗 Texas Hold em Poker 在线赌博系统的缺陷 : 欺骗性的玩家可以实时计算每人手中确切的牌 Reliable Software Technologies (RST) 的软件安全性组发现的这个缺陷原因在于软件调用 randomize() 来生成一副随机牌随机数生成器的种子是按照系统时钟, 用午夜后的毫秒数选取的这意味着随机数生成器的输出是容易预测的

25 Texas Hold 'em Poker 的一系列缺陷在实际的纸牌中洗牌顺序的总的可能数为 : 52!( 大约是 ) 种 32 位的随机数生成器的种子产生的可能的洗牌顺序数为 : 2 32 基于午夜后的毫秒数挑选种子可能的洗牌顺序数为 : 24*60*60*1000= 86,400,000 将攻击程序与生成伪随机数的服务器上的系统时钟同步, 使得可能组合的数量减少到大约 : 200,000 需要知道纸牌中的五张牌便可推出最优匹配既知道欺骗性玩家手中的两张牌作为输入, 再加上三个玩家的第一张翻开的牌 ( 发牌 ) 便可推出排序

26 密钥交换

27 密钥交换主密钥的分配方式 Diffie-Hellman 算法

28 主密钥的分配方式利用安全信道实现 1. 直接面议或通过可靠信使递送 2. 将密钥分拆成几部分分别传送

29 Diffie-Hellman 算法 Alice 和 Bob 协商一个大素数 n 和模 n 的本原元 g, n 和 g 不用保密 1.Alice 选取一个大的随机整数 x, 并且发送给 Bob: X= g x mod n 2.Bob 选取一个大的随机整数 y, 并且发送给 Alice : Y= g y mod n 3.Alice 计算 : 4.Bob 计算 : k = Y x mod n = g xy mod n k = X y mod n = g xy mod n

30 站间协议协议假定 Alice 和 Bob 彼此有对方的公开密钥证书 1. Alice 产生随机数 x, 并把 X=g x mod n 发送给 Bob 2. Bob 产生随机数 y, 计算 k=x y mod n=g xy mod n, 并发送给 Alice 如下消息 : Y=g y mod n, E k (S skb (X,Y)) 3. Alice 也计算 k. 她对 Bob 发送的消息解密, 并验证他的签名然后发送给 Bob 如下消息 : E k (S ska (X,Y)) 4. Bob 解密消息并验证 Alice 的签名

31 秘密分割

32 秘密分割在某些情况下, 通常必须由两人或多人同时参与才能生效, 这时都需要将秘密分给多人掌管, 并且必须有一定人数的掌管秘密的人同时到场才能恢复这一秘密

33 秘密分割门限方案 threshold schemes 设秘密 s 被分成 n 个部分信息, 每一部分信息称为一个子密钥或影子, 由一个参与者持有, 使得 : 1 由 k 个或多于 k 个参与者所持有的部分信息可重构 s 2 由少于 k 个参与者所持有的部分信息则无法重构 s 则称这种方案为 (k, n) 秘密分割门限方案,k 称为方案的门限值

34 Shamir 门限方案设 {(x 1,y 1 ),,(x k,y k )} 是平面上 k 个点构成的点集, 其中 x i (i=1,,k) 均不相同, 那么在平面上存在一个惟一的 k-1 次多项式 f(x) 通过这 k 个点若把密钥 s 取作 f(0), n 个子密钥取作 f(x i ) (i=1,2,,n), 那么利用其中的任意 k 个子密钥可重构 f(x), 从而可得密钥 s

35 例 5.1 设 k=3,n=5,q=19,s=11, 随机选取 a 1 =2,a 2 =7, 得多项式为 f(x)=(7x 2 +2x+11) mod 19 分别计算 f(1)=(7+2+11) mod 19=20 mod 19=1 f(2)=( ) mod 19=43 mod 19=5 f(3)=( ) mod 19=80 mod 19=4 f(4)=( ) mod 19=131 mod 19=17 f(5)=( ) mod 19=196 mod 19=6 得 5 个子密钥

36 如果知道其中的 3 个子密钥 f(2)=5,f(3)=4,f(5)=6, 就可以重构 s.

37 练习 Suppose we have a (2,4) Shamir secret sharing scheme mod the prime p = 13. Participants A, B, C are given the following valid shares: A : (1; 11); B : (2; 3); C : (3; 8): (a) What is the secret? (b) Suppose D has the point (4, 7). Is this a valid share? Explain why or why not.

38 练习题分权管理假设部队中一个班 10 个人, 其中士兵 8 个人, 副班长 1 人, 班长一人假设一件事情, 4 个士兵可以决定或者 2 个士兵加上副班长可以决定或者班长可以决定请问如何设计密钥共享方案?

39 下此课内容缓冲区溢出

40 下次课再见!

口令密钥生成密钥分配内容公开密钥的分配共享密钥的分配会话密钥的分配通过公钥获得会话密钥密钥分割 Mihir Bellare and Phillip Rogaway,Introduction to Modern Cryptography 课件 2

口令密钥生成密钥分配内容公开密钥的分配共享密钥的分配会话密钥的分配通过公钥获得会话密钥密钥分割 Mihir Bellare and Phillip Rogaway,Introduction to Modern Cryptography 课件 2 密钥分配密钥分割裴士辉 QQ:1628159305 口令密钥生成密钥分配内容公开密钥的分配共享密钥的分配会话密钥的分配通过公钥获得会话密钥密钥分割 Mihir Bellare and Phillip Rogaway,Introduction to Modern Cryptography 课件 2 口令 Mihir Bellare and Phillip Rogaway,Introduction