（通信与信息系统专业论文）基于pki技术的ca系统研究及其数字证书管理的实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 为了确保网络时代的信息安全，应用最有效的安全技术来建立信息安全体 系结构成为首先需要解决的问题。国际上提出了基于公钥基础设施( p k i ，p u b l i c k e yi n f r a s t r u c t u r e ) 作为标准的信息安全体系结构，现已被普遍采用。p k i 是一 种完全符合x 5 0 9 标准的密钥管理平台，它能够为所有网络应用透明地提供采用 加密和数字签名等密码服务所必需的密钥和证书管理。在p k i 中，最关键的实 体是数字证书，它提供网络上的身份证明。数字证书拥有者可以将其证书提供 给其他人、w e b 站点及网络资源，以证实他的合法身份，并且与对方建立加密 的、可信的通信。证书还同时起着公钥分发的作用，每份证书都携带着持有人 的公钥，签名证书携带的是签名公钥，信息加密证书携带的是信息加密公钥。 所有实体的证书是由一个权威机构弋a ( c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) 发行的。c a 是保证信息安全的关键。 本文研究的目的就是从保障网络信息安全的角度出发，深入探讨p k i 体系 的理论以及相关的应用，建立一套较为完善的基于双证书的，密钥管理功能分 离的c a 系统。特别的，实现c a 系统中最为核心的数字证书管理，提供数字证 书的签发、注销和发布等各项功能。该系统以非对称加密算法结合对称加密算 法，生成数字证书所需的各种信息，并以开放源代码操作系统为平台，以跨平 台的开发语言为工具，实现一个能保证信息安全的数字证书发放基础设施，充 分保证信息的机密性、真实性、完整性、不可抵赖性。 关键词：信息安全；p k i ；c a ；数字证书；密码算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t t oe n s u r et h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t yi nt h et i m eo fi n t e r a c t ，t h ep r i m a r yp r o b l e mt o b es o l v e di st oi m p l e m e n tt h ei n f r a s t r u c t u r eo fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yb yt h em o s t e f f e c t i v et e c h n o l o g i e so fs e c u r i t y a ni n f r a s t r u c t u r eb a s e do nt h es t a n d a r do fp u b l i c k e yi n f r a s t r u c t u r e ( p r d ) h a sb e e nb r o u g h tf o r w a r do v e r s e a sa n da d o p t e dg e n e r a l l y p i gi sap l a t f o r mo fk e ym a n a g e m e n t ，w h i c hc o m p l e t e l ya c c o r d sw i t ht h es t a n d a r do f x 5 0 9 i tc a np r o v i d ea l ln e t w o r ka p p l i c a t i o n s 、v i n lt h em a n a g e m e n to fk e y sa n d c e r t i f i c a t e st r a n s p a r e n t l y , w h i c hi sn e c e s s a r yf o rt h es e r v i c e so fc i p h e r , s u c ha s e n c r y p t i o na n dd i g i t a ls i g n a t u r e i nt h ep i g ，t h ev i t a le n t i t y i s d i g i t a lc e r t i f i c a t e ， w h i c hc e r t i f i e st h ei d e n t i t yo ni n t e r a c t t h eo w n e ro fd i g i t a lc e r t i f i c a t ec a np r o d u c e h i sc e r t i f i c a t et oo t h e rp e o p l e ，w e bs i t e sa n dn e t w o r kr e s o u r c e s t h ec e r t i f i c a t e sh e l p v a l i d a t i n gh i sl e g a li d e n t i t y , e s t a b l i s h i n gt h ee n c r y p t e da n dc r e d i b l ec o m m u n i c a t i o n 埘t ho t h e r s t h ec e r t i f i c a t e sc o n t r i b u t et ot h ep u b l i ck e y sd i s t r i b u t i o n e v e r y c e r t i f i c a t ei se m b e d d e dw i t l li t so w n e r sp u b l i ck e y a l lc e r t i f i c a t e so fe n t i t i e sa r e i s s u e db ya na u t h o r i t a t i v eo r g a n i z a t i o n - - c a ( c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) c ai sc r u c i a lf o r i n f o r m a t i o ns e c u r i t y t h i sp a p e ra i m sa tf u r t h e rr e s e a r c ho nt h et h e o r yo fp i gs y s t e m sa n di t sr e l a t e d a p p l i c a t i o n sa tt h ea s p e c to fp r o t e c t i n gi n f o r m a t i o no ni n t e m e t i te s t a b l i s h e sa n i n t e g r a t e d c as y s t e m ，w h i c hi sc h a r a c t e r i s t i co fd u a l c e r t i f i c a t ea n dk e y m a n a g e m e n t s e p a r a t e d s p e c i a l l y , t h i sp a p e rg i v e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e m a n a g e m e n to fd i g i t a lc e r t i f i c a t e s ，w h i c hi st h ec o r eo fc as y s t e m ，s u c ha ss i g n i n g ， i s s u i n ga n dr e v o k i n gc e r t i f i c a t e s t h ec am a n u f a c t u r e sd i g i t a lc e r t i f i c a t e s w i t h n e c e s s a r yi n f o r m a t i o n ，b yc r y p t o g r a p h yo fa s y m m e t r i ck e ya l g o r i t h m sa n ds y m m e t r i c k e ya l g o r i t h m s i ti m p l e m e n t sa ni n f r a s t r u c t u r ef o ri s s u i n gd i g i t a lc e r t i f i c a t et op r o t e c t i n f o r m a t i o n ，b a s e do np l a t f o r mo fo p e n s o u r c e do p e r a t i n gs y s t e m ，d e v e l o p e db y c r o s s p l a t f o r ml a n g u a g e ， w h i c hg u a r a n t e e st h ec o n f i d e n t i a l i t y , a u t h e n t i c a t i o n ， i n t e g d t y , n o n r e p u d i a t i o no fi n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：i n f o r m a t i o ns e c u r i t y ；p i g ；c a ；d i g i t a lc e r t i f i c a t e ；c r y p t o g r a p h i i 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 早期信息安全的主要是应用在军事或是外交方面，而其他方面的应用，除 了金融界以外，根本不会很重视信息安全的问题。但是随着i n t e m e t 的兴起和信 息技术的飞速发展，极大的改变了我们生活环境。网络的便捷、高效率、低成 本的优点，吸引了越来越多的企业投入到电子商务的怀抱中来，政府也积极展 开基于网络的电子政务系统的建设。这一切都给信息安全工作提出了全新的要 求和前所未有的挑战。 1 1 信息安全的研究现状 在过去的几十年中，人们对信息安全的要求已经经历了两个重大变化。在 数据处理设备广泛使用之前，对有价值信息的安全保护主要是通过物理和行政 的手段来实现的。 随着计算机的引入，显然需要使用自动化的工具来保护那些存储在计算机 中的文件和其他信息，这对一个共享系统则更为必要，对于那些能够通过公用 电话或数据网络进行访问的系统，这种需求则尤为迫切。我们把设计用来保护 数据、阻挡黑客的工具集合通称为计算机安全。信息安全的第二个主要变化是 分布式系统的引入以及网络和通信设施的使用，这些网络和通信设旌用来在终 端用户与计算机以及计算机与计算机之间传输数据。在数据传输过程中需要有 网络安全措施来保护数据。 为了加强信息系统的安全，系统必须提供信息安全服务，该服务的目标是 对抗安全攻击。计算机和网络安全研究与发展一般只关注几种通用的安全服务， 这些服务包括了一个信息安全设施所需的各种功能： 机密性：确保在一个计算机系统中的信息和被传输的信息仅能被授权让 读取的各方得到。 真实性：确保一个消息的来源或电子文档被正确地标识，同时确保该标 识没有被伪造。 完整性：确保仅是被授权的各方能够修改计算机系统有价值的内容和传 输的信息。修改包括对传输消息的写、改变、改变状态、删除、创建、 武汉理工大学硕士学位论文 时延或重放。 不可抵赖：要求无论发送方还是接收方都不能够抵赖所进行的传输。 访问控制：要求对信息源的访问可以由目标系统所控制。 可用性：要求计算机系统的有用资源在需要时可为被授权各方使用。 正如gj s i m m o n s 所指出的，信息安全就是如何防止欺骗，而在不能防止 欺骗的情况下，信息安全要能够检测出基于信息的系统中的欺骗，尽管在这样 的系统中，信息自身只是无意义的物理存在。现实生活中有很多欺骗的例子， 但与一个计算机系统或网络安全有关的攻击的性质根据情况的不同变化很大。 我们可以通过观察正在提供信息的计算机系统的功能来表征这些攻击。一般而 言，有一个信息流从一个源( 例如一个文件或主存储器的一个区域) 流到一个 目的地( 例如另一个文件或一个用户) ，这个正常流表示在图1 一l ( a ) 中。我们 用该图的其余部分显示了四种一般类型的攻击： 信息安全的攻击类型 中断：该系统的资产被破坏或变得不可利用或不能使用，这是对可用性 的攻击。例如部分硬件的毁坏、一条通信线路的切断或某文件管理系统 的失效。 截获：一个未受权方获取了对某个资产的访问，这是对机密性的攻击。 该未受权方可以是一个人、个程序或一台计算机。例如：在网络上搭 线窃听以获取数据，违法复制文件或程序等。 武汉理工大学硕士学位论文 篡改：未受权方不仅获得了访问而且篡改了某些资产，这是对完整性的 攻击。例如：改变数据文件的值，改变程序使得它的执行结果不同，篡 改在网络中传输的消息的内容，等等。 伪造：未受权方将伪造的对象插入系统，这是对真实性的攻击。例如在 网络中插入伪造的消息或为文件增加记录。 为了对抗这些攻击，现代的信息安全机制给出了一些网络安全模型。 图1 2 给出了一个一般模型 2 】，信息安全讨论的很多问题都能在该模型上找 到。一个消息跨越某种形式的互联网从一方传送到另一方，收发双方是该事务 的责任者，他们必须就所发生的交换进行协调。通过经互联网定义从源到目的 地的路由以及通过两个责任者合作使用通信协议( 如t c p i p ) ，可以创建一条逻 辑信息信道。 可信任的第三方 ( 例如，秘密信息的仲裁者，发布者) 责任者 消息厂 雾誓一l j 一 安全性 相关的转换 。 信息信道 i 对手 责任者 啼圈一藉篙 i 一一 ! i j 息 安全性 相关的转换 图1 2 信息安全的一般模型 当必须或希望保护信息传输，以免受到对手对机密性、鉴别等可能造成威 胁的时候，安全性特征产生作用。提供安全性的所有技术分为两个部分： 对将被发送的信息进行安全性相关的变换，包括消息的加密，通过加密 搅乱了该消息，使对手不可读：增加基于该消息内容的代码，使之能够 用于证实发送者的身份。 由两个责任者共享某些秘密信息，希望不为对手所知。一个例子是加密 密钥，该密钥是联接在传输前搅乱消息的变换和接受之后使之恢复原状 的变化的纽带。 武汉理工大学硕士学位论文 为保证安全传输，可能需要一个可信的第三方。例如，一个第三方负责向 两个责任方发布秘密信息，而对任何对手保密。或者需要一个第三方来仲裁与 消息传输的真实性相关的两个责任者之间的争议。 这个一般模型表明，在设计安全性服务时有四个基本任务： 1 设计一个算法来执行安全性相关的转换，该算法应该使对手不能破坏该 算法所要实现的目的。 2 生成用于该算法的秘密信息。 3 研制秘密信息的分布和共享的方法。 4 指定由两个责任者使用的协议，该协议利用安全算法和秘密信息以取得 一种特殊的安全服务。 下面的图l 一3 给出了另一种信息安全的通用模型f 3 j ，该模型反映了如何保护 一个信息系统使之免受不需要的访问。网络安全遭到攻击有一些问题是由于黑 客而引起的，这些黑客试图能够通过网络访问而侵入系统；还有一种有害的访 问是探寻出计算机系统中系统弱点的逻辑位置，从而能够影响应用程序以及实 用工具程序，例如编辑器和编译器。由程序引起的两类威胁是： 对信息存取的威胁是截获或篡改数据，访问是以那些不应当访问这些数 据的用户的名义进行的。 对服务的威胁是探寻计算机中的服务缺陷，以禁止合法用户使用资源。 对手 人( 例如，解密高手) 软件 ( 例如，病毒，蠕虫) 访问信道 图1 3 提供访问控制的信息安全模型 病毒和蠕虫是软件攻击的两个例子。这样的攻击能够通过存储介质引入， 这种软件包含着隐藏在有用软件中的有害逻辑。病毒和蠕虫也能跨越网络引入， 后者的机制是网络安全更为关注的问题。 处理有害访问所需要的安全性机制属于两个大类别( 见图1 3 ) 。第一类称 为门卫功能，它包括基于口令的注册过程，该过程能够被设计为拒绝所有非授 镥壁量量爱叠叠薯疆薹 一 能 功i e l重垂li羹 1 武汉理工大学硕士学位论文 权用户的访问；它还包括屏蔽逻辑，这种逻辑设计为检测和拒绝蠕虫、病毒和 其他类似的攻击。一旦有害用户或软件获取了访问权，就需要使用第二道防线。 它由各种内部控制组成，这些控制行为监视并分析存储信息，以试图检测入侵 者的存在。 1 2 现代信息安全的技术机制 现代信息安全领域的安全机制已经在数学上、技术上经过了有效性、可靠 性的证明，正在逐渐形成国际行业的标准。下面介绍构成安全机制的几种主要 机制：放火墙技术、加解密技术、p k a 技术。 i 防火墙技术 防火墙定义 防火墙是在内部网与外部网之间实施安全防范的系统，是一种访问控制机 制，用于确定哪些内部服务可以进行外部访问，以及哪些外部服务可以访问内 部服务i 。 防火墙的基本准则 一切未被允许的就是禁止的。基于该准则，防火墙应封锁所有信息流，然 后对希望提供的服务逐项开放。这是一种非常实用的方法，可以造成一种十分 安全的环境，因为只有经过仔细挑选的服务才被允许使用。其弊端是，安全性 高于用户使用的方便性，用户所能使用的服务范围受限制。 另一种准则是一切未被禁止的就是允许的。基于该准则，防火墙应转发所 有信息流，然后逐项屏蔽可能有害的服务。这种方法构成了一种更为灵活的应 用环境，可为用户提供更多的服务。其弊病是，在日益增多的网络服务面前， 网管人员疲于奔命，特别是受保护的网络范围增大时，很难提供可靠的安全防 护。 防火墙的基本类型 包过滤型：包过滤规则以i p 信息包为基础，对i p 源地址、i p 目标地址、封 装协议、端口号等进行筛选。 代理服务性：代理服务性防火墙通常由两部分构成：服务器端程序和客户 端程序。客户端程序与中间节点连接，中间节点再与要访问的外部服务器实际 连接。与包过滤型防火墙不同的是，外部网与内部网之间不存在直接的连接， 武汉理工大学硕士学位论文 同时提供目志以及审计服务。 复合型防火墙：把包过滤和代理服务两种方法结合起来，可以形成新的防 火墙。 防火墙的局限性 防火墙不能防范不经由防火墙的攻击，如果内部用户直接从i n t e r n e t 服务提 供商那里取得直接的s l i p 或p p p 连接，则绕过了防火墙系统所提供的安全防护， 从而造成了个潜在的后门攻击渠道。 防火墙不能防范人为因素的攻击。防火墙不能防止由内奸或用户误操作造 成的威胁，以及由于口令泄露而受到的攻击。 防火墙不能防止受病毒感染的软件或文件的传输。由于操作系统、病毒、 二进制文件类型的种类太多且更新很快，所以防火墙无法逐个扫描每个文件以 查找病毒。 防火墙不能防止数据驱动式的攻击。当有些表面看来无害的数据邮寄或拷 贝到内部网的主机上并被执行时，可能会发生数据驱动式的攻击。例如，一种 数据驱动式的攻击可以使主机修改与系统安全相关的配置文件，从而使入侵者 下一次更容易攻击该系统。 2 加解密技术 加密的主要目的是防止信息的非授权泄漏。加密可用于传输信息和存储信 息。加密可以有效地对抗截收、非法访问数据库窃取信息等威胁。加密一般是 利用信息变换规则把可懂的信息变成不可懂的信息，其中的变换规则称为密码 算法。可懂的信息称为明文，不可懂的信息称为密文。密码算法是一些数学公 式、法则或程序，算法中的可变参数是密钥。密钥不同，明文与密文的对应关 系就不同。 现代密码学的一个基本原则是：一切秘密都在密钥之中。在设计加密系统 时，总是假设密码算法是公开的，真正需要保密的是密钥【5 j 。 根据密码算法所使用的加密密钥和解密密钥是否相同，能否由加密密钥推 导出解密密钥( 或者由解密密钥推导出加密密钥) ，可将密码算法分为对称密钥 算法( 也叫做私钥密码算法) 和非对称密钥算法( 也叫做公开密钥密码算法) 。 根据两种密码算法各自的特点，信息安全加密系统通常组合应用对称密钥 算法和非对称密钥算法【6 1 。对称密钥算法用于信息加密，非对称密码算法用于密 钥分发、数字签名、完整性及身份鉴别等。这两种算法都在p k i 中得到应用， 武汉理工大学硕士学位论文 本文将在下一章详细介绍。 3 公开密钥基础设施( p k d 国际上基于公开密钥基础设施( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e 简称p k i ) 的数字 证书解决方案已被普遍采用。信息安全措施的实现主要围绕数字证书来展开， 包括数字签名技术等7 1 。本文将在下一章详细介绍p k i 技术。 1 3 本论文的主要研究工作和组织结构 1 3 1 主要研究工作 在现代信息安全领域中，基于密码算法的加密通信是最核心的研究方向， 而随着公开密钥密码算法的提出和不断成熟，p k i ( 公开密钥基础体系) 已成为 很多要求信息安全传输的网络的安全基础。因此，本文主要讨论p k i 体系的设 计实现。p k i 要求实现信息传输的机密性、真实性( 可认证性) 、完整性和不可 抵赖性。基于此，本文采用如下的研究方法：需求分析一应用方案设计一实验 认证： 本文首先系统的介绍了p k i 体系所要实现的目标、特点、应用范围和模型 的建立方式。p k i 是基于密码算法和数字签名技术的。本文介绍了对称加密算法 和非对称加密算法的基本原理，重点介绍了数字签名技术。要在各种实际网络 安全应用中实现数字签名，重要的保证就是要实现可靠的数字证书权威认证系 统( c a ，c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) 。本文给出了c a 系统的一种架构设计，为p k i 体系提供了核心的安全保障。这种架构已经应用到几个实际的p k i 体系中，为 各种p k i 应用提供了安全的数字证书。 1 3 2 组织结构 网络上的信息安全还是比较脆弱的，特别是基于p k i 体系的c a 系统研究 在国内还处于比较初级的阶段，因此，本文的研究内容大都是国外学者和专家 的研究工作的基础上进行的。本文的内容包括以下几个方面： 本文的第一章主要介绍现代信息安全的基本现状和技术机制。归纳了信息 安全的基本要求和对信息安全的主要攻击手段，对几种典型的信息安全技术机 制的优缺点进行了总结。第二章详细研究了p k i 体系的原理。首先描述了p k i 体系所要实现的目标，详细分析了p k i 体系中的两种关键技术：密码算法和数 武汉理工大学硕士学位论文 字签名。特别的，以r s a 公开密钥算法为例研究了公开密钥算法的原理和数字 签名的实现。第三章重点研究了p k i 体系中的核心c a 系统。给出了c a 系 统的功能角色划分，交叉认证和各种关键服务，并描述了设计c a 的x 5 0 9 标准。 第四章是本文所设计的c a 系统的架构描述，首先给出本架构中与一般c a 系统 所不同的部件双证书概念和密钥管理中心的出现，然后描述了系统的总体 框架、逻辑结构和软件结构，最后分别对c a 系统中各个子系统进行描述。第五 章以c a 系统的核心功能数字证书管理为例介绍了c a 系统的设计与实现。 第六章是全文的总结，给出了本文的研究成果和以后的研究方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章p k i 的基本原理 随着分布式系统的引入以及网络和通信设施的使用，i n t e r n e t 也成为信息安 全所应用的主要领域。不管是为了刨造市场份额和增强生产力，还是为了提高 办公效率，实现公文的迅速流转和命令的直接下达，各种组织毫无疑问的需要 借助于i n t e m e t 来保持竞争力。但是，现在i n t e r a c t 上的安全攻击事件就和天气 预报一样频繁，在网上发展业务虽然有很多好处，但是也蕴藏着很大的危机。 当我们通过公开的i n t e r a c t 进行重要商务或政务活动时，我们需要一定的保障。 这种保障可以是通过公开密钥基础设施技术，简称p k i ，提供的一套安全服 务。 2 1p k i 的目的 p k i 提供的核心服务是机密性，可认证性，完整性，和不可抵赖性 8 o 这些 服务很重要是因为： 机密性保证了你的信息是经过保护的。 可认证性保证了你知道你在和谁交换信息。 完整性保证了信息没有被修改或替换。 不可抵赖性保证了原始发起者不能否认曾经发起的消息。 p k i 逐字的缩写代表“公开密钥基础设施”。词语“公开密钥”是非对称加 密算法的更加通用的名字。公开密钥算法是一种和以前传统方式对称加密完全 不同的密码算法。公开密钥密码编码学是在试图解决常规加密( 即对称加密) 面临的一些最突出的难题的过程中发展起来的，比如公开密钥密码学可以比较 好地解决密钥分配和数字签名的问题。“基础设施”是指l a n ，w a n 或i n t e m e t 上的一组可以交流的计算机群。每台计算机上可以运行无数的应用，可以相互 沟通，交流数据，并进行商业交易或政务活动。这一切的发生，必须要有一个 交流的架构支持，否则，这些计算机和他们的应用就不能相互沟通了。同样的， 为了安全的运行这些所有的应用，就必须有一个安全的架构来支持。现在的计 算机之间实现的安全性主要是通过加密。加密的结构也被称为基础设施。 但是p k i 所指的加密也不仅仅是限于公开密钥加密或非对称密钥加密。在 武汉理工大学硕士学位论文 一个p k i 中可以结合对称和非对称加密来实现整个安全性。实际上，p k i 正是采 用合适( 不管是对称的还是非对称的) 的加密算法和安全机制实现相应的工作。 它提供了包括机密性、可认证性、完整性和不可抵赖性安全服务的安全机制【8 1 。 机密性 机密性是指防止未授权的数据访问和泄露。通过对数据存贮的访问控制( 可 能会结合加密) ，和数据传输的加密提供这种服务。它是p 提供的加密部分。 访问控制就是认证和授权的联合。 可认证性 可认证性是指对个人实体的身份确认和数据源的认证。换句话说，一个人 ( 或甚至是一台计算机) 需要确认他或她正在交流的实体( 计算机或人) ，或确 认数据的发送方，是否真的是他或她希望交流的对象，或者是否是对方实体声 称的身份。 完整性 完整性是指对数据的保护，防止信息被未授权的修改和替换。通过消息校 验码( m a c ) 或数字签名的加密机制提供这种服务。 不可抵赖性 不可抵赖性是可认证性和完整性的联合服务，由第三方提供。它隐含了一 个合法的不能经过证明的假设，即消息的原始发送者不能否认曾经发送过的消 息。非对称加密提供了一种数字签名的机制，只能是原始的发送者才能有这个 数字签名。所以，其他任何人，包括签名消息的接收者都可以检查这个数字签 名。它有很强的相关性，消息的签名者不能否认曾经发送过消息。 2 2p k i 技术 2 2 1 基本的密码算法 如同上一节所提到的，p k i 中不仅包括有非对称加密密码系统，也包括对称 加密密码系统，下面对这两个系统所用的密钥密码算法进行介绍。 1 对称密钥密码算法 在1 9 7 6 年以前，也就是在d i f i l e 及h e l l m a n 在i e e e 提出划时代的论文 “n e wd i r e c t i o n si nc r y p t o g r a p h y ”之前，所谓的密码学就是指对称密钥密码系 统。因为加密与解密是用同一把密钥，所以又称作对称式密钥密码系统。此类 武汉理工大学硕士学位论文 算法被运用的历史悠久，从一般侦探小说里的各种简单的语音转换或跳选的加 密方式，到目前最广为被运用的d e s ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d )密码算法及 美国于2 0 0 0 年推出的密码算法a e s ( a d v a n c ee n c r y p t i o ns t a n d a r d s ) r i j n d a e l 都 属于此类密码系统1 0 】【i l 】。 1 ) 对称密钥密码系统原理 图2 一l 是一个对称加密算法的加密流程图。最初的可以理解的消息成为明 文，它被转换为表面上看来是无规则和无意义的密文。加密过程由算法和密钥 组成，密钥是独立于明文的值，算法根据当时所使用的特定密钥产生不同的输 出，改变密钥就改变了算法的输出【1 2 】。 一旦产生了密文，该密文就能够被用于传输。在接收方，通过使用解密算 法和用于加密的相同密钥，该密文能够被转换回最初的明文。 1 1 加密 ( 上锁) 密钥 ( 一个) 口 f 解密 开锁) jf 】口一 口 数据机密性 图2 1 对称加密模型 对称加密的安全性取决于几个因素【1 3 】。第一，加密算法必须足够强大，使 得仅根据密文就能够破译出消息是不切实际的；其次，加密的安全性取决于密 钥的安全性，而不是算法的安全性，也就是说，基于密文加上加密算法的知识 能破译出消息的做法是不切实际的。换言之，我们不必对算法保密，我们仅需 要对密钥保密。 对称加密的这种特性正是它能够被广泛应用所要求的。其算法不需要保密 的事实意味着制造商能够并已经开发了实现数据加密算法的低成本芯片，这些 芯片可广泛使用并能与一些产品融为一体。其主要的安全问题是维护其密钥的 安全。 用同一密钥加密和解密，这是对称算法的定义。双方必须共享同一对称密 武汉理工大学硕士学位论文 钥。密文的传输提供了数据的机密性。然而，它不能提供数据的完整性，而且 它自身不能够验证，因此也就不提供不可抵赖性。 为了解决这个问题，可以采用一个称作消息认证码( m a c ，m e s s a g e a u t h e n t i c a t i o nc o d e ) 的密码机制 1 ”。图2 - 2 描述了这个流程。锁图标代表了对称 加密算法，黑体字表示输入和输出，钥匙图标代表对称密钥，箭头显示了数据 流向，菱形图标表示了一个对比处理。从左边开始，明文数据和对称密钥被输 入到对称算法中。m a c 的输出实际是截取了密文的一段。在这个图表中，明文 和m a c 是从左到右传输；然而，数据能够向两个方向流动。 这是不同于加密的，在加密的过程中明文和密文( m a c ) 都要被传送。在 右边，接收到的密文和同一对称密钥是被输入进同一对称算法。输出是重新计 算的m a c ，然后它与所接收到的m a c 对照。如果它们匹配，那么明文就没有 被修改或替代。如果它们不匹配，那么就说明明文或者m a c 已经被改变。 同一密钥被用在发送方和接收方。像前面所述，这是对称加密算法的定义。 即方必须共享一个对称密钥。明文的传送和m a c 提供了数据的完整性。然而， 它没有提供数据的机密性。而且，仅仅传送者和接收者共享对称密钥，因此没 有募汕人能够产生m a c ，并且接收者不能对自己发送明文，发送者也得到了接 收者的鉴别。然而，提供给第三方的既没有完整性也没有验证性，因为发送和 接收双方都能够产生m a c 。因此，m a c 不能提供不可抵赖性。 口一 口 lf 加密 ( 上锁) 密钥 ( 一个) 二二亟至口( 消息认证码) 解密 开锁) 图2 - 2 消息认证码机制 对称密码系统的提出假定了仅仅经授权的当事人共享密钥，并且能够产生、 交换、以及安全的储藏密钥。 t 武汉理工大学硕士学位论文 此类密码系统的优点为其加解密速度极快，远高于后面将会提到的公开密 钥密码系统。但因其数据加密与解密时是使用同一把密钥，在目前网络通信各 方互相无法见面的的环境下，如何使通信的各方能够都获得此对称密钥，让通 信双方执行正确的加解密，是此类密码系统运用上一大问题。因此，对称密钥 密码系统不适合直接应用在大范围的网络上，例如直接用目前的因特网，不是 很可行的，光是密钥分发、认证的问题就是网络使用者很难解的问题，所以一 般会配合公开密钥密码系统一起运作，结合两种系统的长处，来对数据执行信 息安全的保护。 目前较著名的对称密钥密码系统算法有d e s 、r c 5 ”10 6 1 、i d e a 1 7 1 及新一代 密码算法( a e s ) m j n d a e l 【1 9 】等都属于此类密码算法。 2 ) 分组密码的原理 当前使用的几乎所有对称加密算法都是基于被称为f e i s t e l 分组密码【2 u j 的结 构。 与分组密码相对的是流密码结构。流密码结构就是对数字数据流一次加密 一个比特或一个字节的密码。分组密码则是一个明文分组被当作一个整体来产 生一个等长的密文分组的密码，通常使用的是6 4 b i t 的分组大小。绝大部分的基 于网络的对称加密应用都使用分组密码。 f e i s t e l 提出用替代和置换交替的方式构造分组密码。实际上，这是c l a u d e s h a n n o n 的一个设想的实际应用，s h a n n o n 提出用扰乱( c o n f i y s i o n ) 和扩散 ( d i f f u s i o n ) 交替的方法构造乘积密码。 扩散和扰乱是s h a n n o n 引进的描述任意密码系统的两个基本组成模块时提 出的两个术语【2 1 1 。s h a n n o n 关心的是如何挫败基于统计分析的密码破译问题。可 以做如下推理：假设攻击者对密文的统计特性有一定的知识，比如说，以某种 语言书写的一段可以阅读的报文中，各种字母的频率分布可能是已知的；或者 有一些单词或词组可能出现在报文中。如果这些统计特性以某种方式反映在密 文中，则密码分析者就有可能推测出加密密钥，或部分密钥，或至少一个密钥 集合，所用的密钥就在这个集合中。在s h a n n o n 所称的非常理想的密码中，密 文的所有统计特性都与所用的是哪个密钥没有关系。 为此，s h a n n o n 建议了两种为统计分析制造障碍的方法：扰乱和扩散。在扩 散中，明文的统计结构被扩散消失到密文的长程统计特性中。做到这一点的方 法是让明文的每个数字影响许多密文数字的取值，等价的说法是，每个密文数 武汉理工大学硕士学位论文 字被许多明文数字影响。扩散的一个例子是由字符组成的一个报文m = m l m 2 ，m 3 ，采用平均操作进行加密： k y 。= m 。( m o d 2 6 ) j = l 其中密文字母h 是通过把连续的k 个字母相加得到的。可以证明其中明文 的统计特性消失了，因而，在密文中各个字母的出现频率比在明文中更接近平 均；双字母组合的出现频率也更接近平均，等等。在二进制分组密码中，扩散 可以通过重复使用对数据的某种置换，并对置换结果再应用某个函数的方式来 达到；这样做就使得原来明文不同位置的多个比特影响到密文的一个比特。 所有分组密码都包含从明文分组到密文分组的变换，具体如何变换则依赖 于密钥。扩散机制试图使得明文和密文之间的统计关系尽量复杂，以便挫败推 测密钥的尝试。另一方面，扰乱试图使得密文的统计特性与加密密钥的取值之 间的关系尽量复杂，同样是为了挫败发现密钥的尝试。这样一来，即使攻击者 掌握了密文的某些特性，使用密钥产生密文的方式是如此复杂以至于攻击者难 于从中推测出密钥。可以用一个复杂的替代算法达到这个目的。相反，一个简 单的线形函数就起不到多少扰乱作用。 扩散和扰乱非常成功地抓住了分组密码所应该具有的特性的本质，它们成 为现代分组密码设计的基础【2 ”。 2 非对称密钥密码算法 在1 9 7 6 年d i f f i e 及h e l l m a n 在i e e e 期刊提出划时代的公开密钥密码系统 的概念【2 3 1 1 2 4 1 ，这个概念为密码学的研究开辟了一个新的方向，有效的解决对称 密钥密码系统通信双方密钥共享困难的缺点，并且引进了创新的数字签名的概 念。 公开密钥密码系统的加密密钥与解密密钥是一组相对的密钥。每一组密钥 对( k e yp a i r ) 包含两把相互对应的密钥，一把为可以公开的加密密钥，即公钥， 与一把必须保持秘密的解密密钥，即私钥，而且自公钥很难推导出密钥。因为 加密与解密的密钥不同，所以又称作非对称式密码系统。它的缺点是速度慢，与 对称密钥密码系统相比大概慢了百倍至千倍。 1 ) 公开密钥密码系统原理【2 5 j 公开密钥算法用一个密钥进行加密，而用另一个不同但是相关的密钥进行 武汉理工大学硕士学位论文 解密。这些算法有以下重要特性： 仅仅知道密码算法和加密密钥而要确定解密密钥，在计算上是不可能 的。 另外，某些算法，比如r s a ，还具有以下特性： 两个相关的密钥中任何一个都可以用作加密而让另一个用作解密。 图2 - 3 给出了公开密钥加密的过程。其中重要的步骤如下： a ) 网络中的每个端系统都产生一对用于它将接收的报文进行加密和解密的 密钥。 b ) 每个系统都通过把自己的加密密钥放进一个登记本或者文件来公布它， 这就是公开密钥。另一个密钥则是私有的。 c ) 如果a 想发送b 一个报文，他就用b 的公开密钥加密这个报文。 d 1b 收到这个报文后就用他的保密密钥，即私有密钥，解密报文。其他所 有收到这个报文的人都无法解密它，因为只有b 才有b 的私有密钥。 亟 二巫 lf 加密 ( 上锁) l j 亟 公钥私钥 解密 开锁) f 密文 数据机密性 图2 3 非对称加密模型 使用这种方法，所有参与方都可以获得各个公开密钥，而各参与方的私有 密钥由各参与方自己在本地产生，因此不需要被分配到。只要一个系统控制住 它的私有密钥，它收到的通信内容就是安全的。在任何时候，一个系统都可以 更改它的私有密钥并公开相应的公开密钥来替代它原来的公开密钥。 2 ) 公开密钥密码的算法 公开密钥算法必须满足如下的条件： 参与方b 容易通过计算产生出一对密钥( 公开密钥丘，私有密钥瓦) 。 在知道公开密钥和待加密报文m 的情况下，对于放送方a ，很容易通 武汉理工大学硕士学位论文 过计算产生对应的密文： c = e k t m ) 接收方b 使用私有密钥容易通过计算解密所得的密文以便恢复成原来 的报文： m = d k r b ( c ) = d k r bc e k u b ( m ) 1 敌对方即使知道公开密钥k ，要确定私钥k r 6 在计算上是不可行的。 敌对方即使知道公开密钥k 和密文c ，要想恢复原来的报文m 在计 算上也是不可行的。 还可以加上第六项要求，这个要求很有用，但是并不是对所有公开密钥应 用都必要： 加密和解密函数可以以两个次序中的任何一个来使用： m = e k u b d k r b ( m ) ) 为了满足这些要求，公开密钥密码技术发展至今已被提出许多不同的算法， 较著名的有d i f f i e h e l l m a n 、r s a 【2 6 】 2 7 l 、e i g a m a l 2 8 和椭圆曲线e c c 【2 9 ( e l l i p t i c c u r v ec r y p t o g r a p h y ) 算法等。这些不同的算法虽均具有公开密钥的特性，但在其 运作方式及数学原理等各方面细节上仍有相当大的差异。而其中以r s a 公开密 钥密码技术，因为商品化早，是目前应用最广泛的开密钥算法。一般相信r s a 的 安全度等于分解因子的困难问题。 下面以r s a 算法为例介绍公开密钥密码的算法。 前文提到，d i f f i e 和h e l l m a n 开创性的论文引进了密码编码学的一种新方法， 他们的这种方法对密码学专家提出了一个设计出满足公开密钥系统要求的密码 编码解码算法的挑战。对于这项挑战最早的响应之一是有麻省理工学院的r o n r i v e s t ，a d is h a m i r 和l e n a d l e m a n 于1 9 7 7 年研制并于1 9 7 8 年首次发表的一种算 法，即r s a ( r i v e s t s h a m i r - a d l e m a n ) 算法。从此，r s a 方案作为惟一被广泛 接受并实现的通用公开密钥加密方式而受到推崇。 r s a 是一种使用指数表达式的分组密码，其中的明文和密文都是对于某个 n 的从0 到 一i 之间的整数，明文以分组为单位加密，其中每个分组都是小于 n 的二进制值。也就是说，分组大小必须小于或者等于l 0 9 2 ( 胛) ；实践中分组 大小是k 比特，其中2 k n 2 k + l 。对于某个明文分组m 和密文分组c ， 加密及解密都涉及到模运算，其形式如下： c = m 8 r o o d ” 武汉理工大学硕士学位论文 m = c 。m o d n = ( m e ) d m o d n = m 。r o o d n 发送方和接收方都必须知道”的值。发送方知道e 的值，而只有接收方知 道d 的值。因此，这是一种公开密钥为k u = e ，月) ，且私有密钥k r = zn ) 的公开密钥加密算法。要使这个算法能满足公开密钥加密的要求，必须符合如 下条件： 有可能找到e 、d 、 的值，使得对所有m 月有m “= m m o d n 。 对于所有m n 的值，要计算m 。和c “相对来说是简单的。 在给定e 和t t 时，判断出d 是不可行的。 r s a 算法利用了数论中的e u l e r 定理的一个推论：给定两个素数p 和q 以 及两个整数，z 和m ，使得聍= p q 而且0 坍 n ，并且对于任意整数k ， 下列关系成立： m 2 ( ”) “= 肌。( p - 1 ) ( q u + 75 肌m o d 其中巾( n ) 是欧拉t o t i e n t 函数，它表示不超过胛且与行互素的整数个数。 可以证明对于素数p 和q ，西r ，z ，= ( p - 1 ) ( q - 1 ) 。因而可以得到需要的关系， 如果： e d = k 审( n ) + l 这就等价于 e d = l m o d 审 n ) d5e 7 m o d 西，”) 也就是说d 和e 是以西r 竹j 为模的乘法逆元。根据模运算规则，它的必要 条件是d ( 并有e ) 与妒r 行j 是互素的。等价地，他们的最大公约数g c dr 西r ”j ， d ) = l 。 根据以上原理，就可以给出r