（通信与信息系统专业论文）安全组播通信密钥管理技术研究.pdf

- 上海交通大学博士学位论文 安全组播通信密钥管理技术研究 摘要 在网络通信中，点到点单播通信和广播通信是两种传统的通信方 式。随着网络应用的日益普及，出现了一些基于组播通信的应用，它 们都要求将信息传送给网络中所有对此信息感兴趣的主机。组播通信 是一种面向组的、介于单播通信和广播通信之间的通信方式。它允许 一个或多个发送者发送单一的数据包到多个接收者。发送者将数据包 发送给特定的组，只有属于该组的成员才能够接收到数据包。组播技 术可以大大地节省网络资源，因为无论有多少个接收者，发送者只需 发送一次数据包，由支持组播的路由器把数据包转发到相应的接收地 址。 尽管组播通信技术在节省网络资源方面有着显而易见的好处，但 在该项技术获得大规模应用之前，还有许多问题需要解决，组播应用 的安全服务就是一个重点问题，而安全组播的密钥管理又是其中的关 键。由于组的动态性以及由此产生的可伸缩性方面的原因，传统的点 对点通信中的安全技术不能被简单地扩展到组通信安全服务中去。围 绕着安全组播通信的密钥管理问题，本文在以下几个方面展开研究工 作并取得创新： 第三章针对大型动态组的密钥管理提出了一种新的基于逻辑密 钥层次树的协议。该协议利用了密码学上安全的单向哈希函数和随机 上海交通大学博士学位论文 数的有关特性，并充分利用系统己存储的旧密钥值，实现组密钥的更 新。与l k h 、o f t 协议相比，在存储开销相同的情况下，所提出协 议在通信和计算开销方面具有更好的可伸缩性。该协议在成员加入时 所需的广播开销和组控制中心的计算开销均为d ( 1 ) ，而l k h 、o f t 协议在成员加入时所需的广播开销和组控制中心计算开销均为 d ( 1 0 岛“) ；当成员被删除时，所提出协议中系统需要的计算开销也低 于l k h 、0 f t 协议中。同时本文所提出协议能够抵抗任意数目成员 的合谋攻击，满足动态组密钥管理所要求的“加入和离开安全性”， 而o f t 协议已经被有关的文献证明在抵抗成员的合谋攻击方面是有 安全漏洞的。 第四章针对组密钥更新的认证问题提出了一个简单有效的认证 协议。该协议基于捎带技术和密码学上安全的单向哈希函数实现对组 密钥更新的认证。和现有的方案相比，所提出的认证算法能够完全摆 脱繁重的公钥签名运算，仅仅涉及到哈希函数运算，大大降低了系统 为此所负担的计算开销。而现有的两个方案都依赖于公钥签名算法来 实现组密钥更新认证。 第五章利用椭圆曲线上c d h ( c o m p u t a t i o n a ld i m e h e l l m a n ) 假 设和基于身份的认证机制，基于b d ( b 1 】加e s t e 卜d e s m e d t ) 会议密钥 协商方案，提出了一个具有认证功能的动态对等组密钥协商协议集， 并对其安全性进行了证明。与现有的相关协议相比较，新的协议集更 适合于动态组密钥协商，满足完美前向安全性，并能够抵抗最近发现 的来自组内成员的恶意模仿攻击，同时也降低了组内用户的计算开 i i ， - 上海交通大学博士学位论文 销。而a t e n i e s e 提出的认证的c l i q u e s 密钥协商协议集已经被证明 是不安全的；d u 协议和c h o i 协议只考虑了静态组的密钥协商，且它 们不能抵抗来自组内成员的恶意模仿攻击；另外，d u 协议不满足完 美前向安全性。 第六章讨论了和组安全服务相关的其它安全问题。基于智能卡提 出了一个改进的用户身份认证协议，与现有的这类协议相比，所改进 的协议追求算法的简单实用性以及用户友好性( u s e r f r ie n d l y ) ，同 时能够抵抗伪造登陆攻击( f o r g e d1 0 9 i na t t a c k ) 和回放攻击( r e p l a y a t t a c k ) ，更具有实用价值；基于e l g a m a l 公钥密码体制提出了一种 可抵赖认证协议，可用于安全电子商务协商和安全电子选举。该协议 的特点是其简捷实用性，仅需三步即可完成所要求的可抵赖认证功 能，而且不需要额外的公共目录；基于g u i l l o u q u i s q u a t e r 签名算 法提出了一个带可信中心的门限签名协议，而目前的门限签名协议大 多数是基于r s a 或者e l g 锄a l 签名算法及其变体的，且所提出门限签 名方案的一个优点是具有事后可追踪性，使得参与过某个门限签名生 成的组成员不能够否认其签名行为。 关键词：组播，密钥管理，组密钥更新认证，密钥协商，远程用户 认证，可抵赖认证，门限签名 i i i d i s s e n a d o ns u b r n i t t e dt os h 卸曲a ij i a o t o n gu i i i v e r s n yf o rm ed e g r e eo f d o c t o ro f p h i l o s 叩h y k e ym 已簟n a g e m e n td 叮s e c u r em u l 月i c a s t c o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t u 1 1 i c a s t 丘o mp o i n tt op o 血a n db r o a d c a s ta r et h et w o 讹d i t i o n a l c o m m l 】n i c a t i o nm e t h o d s a sar e s u l to fi i l c r e a s e dp o p u l 撕够o fn e 觚o r k ， m u h i c a s t - b a s e da p p l i c a t i o n sh a v ec o m ei n t ob e i n g ，i l lw 址c ht h es e n d e r s e n d sm e s s a g e st oa 1 1t h ei n t e r e s t e d h o s t s d i f f e r e n t 行o mb o mu n i c a s t 趾d b r o a d c a s t ，m u l t i c a s tc o m m u l l i c a t i o ni s 伊o u p o r i e n t e d ，w h j c ha 1 1 0 w sm e s e n d e rt os e n das i n 9 1 ed a t ap a c k e to n c et o舢1 t i p l er e c e i v e r s i n m u l t i c a s tc o m m 硼i c a t i o nm es e n d e rs e n d sm e s s a g e st oa 伊o u pa n do n l y m e m b e r so ft h e 铲o u pc a nr e c e i v et h em e s s a g e s e v i d e n t l ym u l t i c a s tc a n s a v en e 觚o r kr e s o u r c e s 铲e a t l yb e c a u s et h es e n d e ro n l yn e e d ss e n d i n g m e s s a g e so n c er e g a r d l e s sh o wm a n yr e c e i v e r st h e r ea r ea n dm e s s a g e sa u r e m m s f e r r e dt ot h er e c e i v e r sb yr o u t e r sc a pa ：b l eo fm u l t i c a s t d e s p i t eo fa d v a n t a g e so f m u h i c a s ti ns a v i l l gr e s o u r c e so ft h en e 铆o r k ， m a r l yp r a c t i e a lp r o b l e m s h a v et ob es o l v e db e f o r em u l t i c a s t c o m 删c a t i o nc a l lb ea p p l i e dw i d e l y o n eo ft h e mi ss e c u r i t ys e r v i c ef o r m u l t i c a s t ，i 1 1w h i c hk e ym a n a g e m e n ti st h ek e yp o i n t d u et od y n 砌co f d i s s e n a t i o n 辄b l i l i t t e dt os h a n 曲a ij i a o t o n gu n i v e r s 时f o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro f p l i i l o s o p h y t h e 野o u pa i l dr e q u h i e m e n to fm es c a l a b i l i t y ，s e c u d t yt e c h n 0 1 0 9 i e sf o r u i l i c a s tca i ：m o tb ee x t e n d e ds 仃a i g h t f o 州2 u r dt om u l t i c a s tc o m m u n i c a t i o n f o c u s i l l go nk e ym a n a g e m e n ti 1 1 m u l t i c a s tc o 姗u i l i c a t i o n ，m ew o r ko f t 1 1 et h e s i si sd i v i d e di n t o 也ef 0 1 1 0 w i i l gp a r t s ： c h a p t e rt 1 1 r e ed e s c r i b e san e ws c h e m ef o rk e ym a n a g e r n e mf o rl a r g e d y n a r n i cg r 0 1 叩sb a s e do n1 0 9 i c a lk e yh i e r a r c h y nt d k e sa d v 锄t a g eo f s e c l l r eo n e w a yh a s h 允i i l c t i o n ，r a n d o mm m l b e r sa sw e l la s0 1 dk e y st o a c h i e v eg r o u pr e k e y i l l g t h ep r 叩o s e ds c h e m eh a sm es 锄es t o r a g ec o s t a sl k ha n do f ts c h e m e s ，b u th a sb e t t e rs c a l a b i l i t yf o rc o s t so f c o 眦m i c a t i o n 距dc o i n p u t a t i o n t l l en e ws c h e m eh a sd ( 1 )c o s t sf o r b o mb r o a d c a s ta n dg c s c o i n p u t a t i o n 、h e n am e i l l ：b e r jo m s ， i 1 1 c o m p a r i s o nw i t l ld ( 1 0 9 ：) c o s t sf o rt h o s ei i l l k h 撇d0 f ts c h e m e s ； w h e nam e i l l b e ri se v i c t e d ，c o s to fc o m p u t a t i o ni 1 1 廿1 en e ws c h e m ei sa l s o l o w e rt h a nt h a ti nl k ha n d0 f ts c h e m e s m o r e o v e r ，t h ep r 叩o s e d s c h e m ec a i lm e e ts e c u r i t yr e q u i r e m e n t so f l e a v ea n dj o i l ls e c r e c y ”f o r k e ym a n a g e m e n ti 1 1d ) ，1 1 a n l i cg r o u p s i th a sr e s i l i e n c et o c o l l u s i o n so f a r b i 仃哪n u i i 】b e ro fm e m b e r s ， w h i l eo f ts c h e m eh a sb e e np r o v e n 协s e c u r ea g a i l l s tc o l l u s i o n so fm e i l l _ b e r s a u t l l e n t i c a t i o no f 铲o u pr e k e y i l l gi sa l s oa ni i n p o r t a n ta s p e c ti 1 1m e r e s e a r c ho fg r o u pk e ym a n a g e m e n t i nc h 印t e r4 ，as i m p l e r b u tm o r ec o s t e f f e c t i v ep r o t o c 0 1i sp r 叩o s e df o ra u m e n t i c a t i o no fg r o u pr e k e y i n g ，i t t a k e sa d v a n t a g eo ft e c l u l o l o g i e so fp i g g y - b a c ka n ds e c u r eo n e w a yh a s h v 一 d i s s e r t a t i o ns u b r i l i t t 甜t os h 觚曲a ij i a o t o n gu i l i v e r s 匆f o rm ed e g r e eo f d o c t o ro f p h 订o s o p h y 如n c t i o nt oa c l l i e v e 孔m l e n t i c a t i o no fg r 0 1 】p r e k e y i n g t h ep r o p o s e d p r o t o c 0 1a v o i d sh e a v yc o m p u t a t i o nl o a dp a s e do np u b l i c _ k e ys i 盟a t u r e a n d0 1 1 l yu s e ss e 饥i r eh a s h 如n c t i o n ，s o 铲e a t l yd e c r e a s e st h ec o m p u t a t i o n c o s ti i lc o m p a r i s o nw i mm ek n o w ns c h e m e sw h i c hr e l yo np u b l i c k e y s i 趴a t l l r et oa c h i e v ea u m e n t i c a t i o no f 铲o u pr e k e y i l l g 1 1 1c h a p t e r5 ，b a s e do nc o m p u t a t i o n a ld i m e - h e l h l l a na s s u l l l p t i o no n e l l i p t i cc u r v e ( e c d h ) a n di d - b a s e da u 1 e n t i c a t i o n ，b u n 】s t e 卜d e s m e d t ( b d ) p r o t o c o l f o re o n f e r e n c e k e ya g r e e m e n ti sc h a n g e d i 1 1 t oa n 砌l e n t i c a t e dk e ya 伊e e m e n tp r o t o c o lf o rd y n 锄i cp e e rg r o u p s ( d p g ) t h en e wp r o t o c o l i sp r o v e ns e c u r e c o m p a r e dw i mm er e l a t e do n e s ，t h e p r 叩o s e dp r o t o c 0 1s u i t sb e t t e r f o rd y n a i i l i c 铲o u pk e ya g r e e m e n t 锄d d 毛c r e a s e st h ec o m p u t a t i o n1 0 a do ng r o u pm e i i i b e r s m o r e o v e ri th a s p e r f e c tf o 刑a r ds e c u r i t y ，a n dc a nr e s i s tt 1 1 ei n s i d e r 曲p e r s o n a t i o na t t a c k w h i c hw a sf o w l dv e 巧1 a t e l y t h ea u 戗1 e 而c a t e dc l i q u e ss u i tp r o p o s e d b ya t e l l i e s eh a sb e e nf o u n di 1 1 s e c u r e ；d u ss c h e m ea n dc h o i ss c h e m e o i l l yd i s c u s s e sk e ya g r e e m e n tf o rt h es t a t i cg r o u pa 1 1 db o t l ls c h e m e sa r e v u h l e r a b l et om ei n s i d e r 却e r s o n a t i o na 舰c k ，i na d d i t i o n ，d u ss c h e m e h a sn op e r f e c tf o 刑a r ds e c u r i t y i nc h a p t e r6 ，s e c u r i t yp r o b l e m s ， w h i c ha r er e l a t e dt og r o u p o r i e n t e d s e c u r i t 、，s e r v i c e ，a r ed i s c u s s e d f i r s t ，a ne r m a n c e da u t h e n t i c a t i o ns c h e m e o 。 i ss u g g e s t e df o rr e m o t eu s e ra u m e n t i c a t i o nb 2 l s e do ns m 硪c a r d t h e e n h a n c e ds c h e m ei s s i m p l e a sw e na s u s e r 一缸e n d l y f o rr e m o t e v l d i s s c n a 虹o n 娜b i i l i n e dt os h 锄曲a ij i a o t o n gu i l i v e r s i 移f o rm ed e g r e eo f d o c t o ro f p m l o s o p h y a u m e n t i c a t i o nw h i l ec a nr e s i s tf o r g e dl o g i na t t a c ka n dr e p l a ya t t a c k ，s o h a sm o r ep r a c t i c a l i 够t h e n ，as 衙1 p l ep r o t o c 0 1f o rd e n i a b l ea u m e n t i c a t i o n i sp r o p o s e db a s e do ne l g a 工n a lc 聊t o 野a p h i cs y s t e m ，砌c hi su s e 向1f o r s e c u r ee l e c 拓o n i cn e g o t i a t i o na n de l e c t i o n t h en e wp r o t o c o ln e e d so i l l y t h r e e s t 印s t oa c h i e v ea u t h e n t i c a t i o na n dd e n i a b i l i t ya n dr e q u i r e sn o t m s t e dp u b l i cd i r e c t o 巧a t 廿l ee n do fm em e s i s ，at l l r e s h 0 1 ds i g n a t u r e p r o t o c o lw i t h 虹u s t e dc e n t e r i sp r o p o s e ( 1b a s e do n ( 沁i 1 1 0 u q u i s q u a t e r s i 印a t u r e ，w h j l em o s to ft h et h r e s h o l ds i g l l a t i _ l r es c h e m e sa r eb a s e do n r s ao re l g 锄a 1a l g o 珊l i l l s 趾di t sv 撕a n t s t h ep r o p o s e d 缸e s h o l d s i g n a t u r es c h e m eh a sa na d v a n t a g eo f 仃a c e a b i l i t ) ，t h a ti s ，m ea c t u a l s i 印e r si 1 1t h e 黟o u pc a j l n o td e n ym e i rs i 印a t u r e s k e y w o r d s ：m u l t i c a s t ，k e ym a n a g e m e n t ，a u t l l e n t i c a i t o no fg r o u p r e k e y i l l g ，k e ya g r e e m e n t ， r e m o t e u s e r ，a u t h e n t i c a t i o n ， d e n i a b l e a u t h e n t i c a t i o n ，t h r e s h 0 1 ds i g n a t u r e i a k a ：a u x i l i a r yk e ya g r e e m e n t 缩略词 a g k a ：a u t h e n t i c a t e dg r o u pk e ya g r e e m e n t 削k e ：a s y i 】咖e t r i ck e ye n c d ，p t i o n b d h ：b i l i n e a rd i 伍e h e l h m c b t ：c o r e - b 舔e d ，i k e s d d h ：d e c i s i o n a ld i 伍e h e l h i m d h ：d i 衔e h e l l n l a n d l p ：d i s c r e t el o g a d 也mp r o b l e m d o s ：d 咖a lo f s e n r i c e d p g ：d y n a i n i cp e e rg r o u p d m 冲：d i s t a n c ev e c t o rm l l l t i c a s tr o u t m gp r o t o c 0 1 e d i j ：e n i p t i cd i s c r e t el o g a d 也r np r c b l e i n g c ：g r 0 1 l pc o 曲l l e r g d h ：g a pd i 伍e h e l l m 趾 g k a ：g r o u pk e ya g r e e m e n t g s a ：g r o u ps e c u 衄a g e n t g s c ：g r o u ps e c 砥t yc o n 仃0 1 1 e r g s i ：g r o u ps e c 砸t ) ri n t e m e d i 撕e s i g k a ：i n i t i a lg r o u pk e ya 孕e e m e n t i g m p ：h l t e m e tg r o u pm a n a g 锄e n tp r o t o c o l a ：1 1 1 i h a lk e ya g r e e m e n t k a ：k e ya g r e e r n e n t k d c ：k e yd i s t r i b u t i o nc e n t e r k e k ：k e ye n c r y p t i n gk e y k g c ：k e yg e n e m 日o nc e n t e r u 【h ：l o 百c a lk e yh i b e r a r c h y m o s p f ：m u l t i c a s to p e ns h o r t e s tp a 也f i r s t o f c ：o n e w a yf u n c 石o nc h a i n o f t ： o n e - w a yf u n c t i o n1 f h e p f s ：p e r f e c tf o r 、a r ds e c i i e c y p i m ：p e r s o ni nm i d d l e r p f ：r e v e r s ep a mf o 刑a r d i n g s e k ：s e s s i o ne n c d ，p 血gk e y s k ：s e s s i o nk e y s k d c ：s i i n p l ek e yd i s 硼) 砸o nc e n t e r s k e ：s ) ，d 锄e t r i ck e ye n c 聊t i o n t c ：1 m s t e dc e n t e r d c ：d e s i g n a t e dc l e r k 图2 1 简单密钥管理方案 图2 2i o l l l s 的安全分发树 图2 3 基于树结构的组密钥管理 图2 4 非平衡二叉树 图2 5h u 妇眈a n 密钥层次树 图2 6s l t m 密钥管理方案 图2 7 初始组密钥协商( i k a ) 图2 8 新成员m 川加入 图2 9 成员m p 离开组 图3 1 二叉平衡密钥树 图4 1u m 模型中的二叉平衡密钥树 图5 1 初始组密钥协商 图5 2 新成员m 川加入 图5 3 成员m p 离开组 图表列表 表3 1新成员加入时的通信和计算开销 表3 2 删除一个组成员时的通信和计算开销 表3 3 三种协议中g c 和成员的存储开销 表4 1 三种协议的系统开销比较 表5 1i g k a 、c h o i 及d u 协议中每个用户的计算开销 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：互雪泛 日期：年月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：旦雪洼 指导教师签名： 日期：舶年矿月2 7 7 日日期：爝 上海交通大学博士学位论文 1 1 信息安全概述 1 1 1 信息安全问题的产生 第一章绪论 随着计算机技术和现代数据通信技术的迅速发展，人们开始利用网络技术来交换信息。 而互联网的出现则使得分布于不同地域、运行在异构的物理网络平台上的不同主机和系统也 能快速、便捷地完成资源共享和信息交换。互联网是基于t c p i p 协议的，然而最初的t c p i p 协议是基于开放互联的思想来设计的，并未考虑安全方面的需求，例如在t c p 协议中的建立 连接的三次握手协议中，投有采用认证机制，这使得攻击者可以假冒其他用户的i p 地址建立 连接；攻击者还可以轻而易举地实施拒绝服务攻击( d e n i a lo fs e r v i c e d o s ) 。而且网络 中的信息多以明文的方式进行传输，攻击者通过截获网络通信即可提取网络报文中包含的内 容。因此，一个开放的网络系统，是很容易受到来自内部或外部的恶意攻击的。 自互联网问世以来，信息安全问题就开始浮出水面并逐步为人们所关注。从最早的蠕虫 病毒，到发生在2 0 0 0 年的针对y a h 0 0 等8 家大型商业网站的拒绝服务攻击，到去年波及整个互 联网络的冲击波病毒，各种网络安全事故给人们造成了严重的经济损失。据美国联邦调查局 统计，美国每年因计算机犯罪、网络安全事故造成的经济损失约为1 0 0 亿美元。进入信息时 代后，随着人们工作生活对信息网络设施依赖程度的加深，信息安全问题已经影响到一个国 家的政治、经济、文化和社会生活等各个方面。因此在信息系统的建设中必须考虑网络系统 可能遭受的攻击并针对可能发生的安全问题采取安全防范措施。 针对通信协议在安全方面存在的缺陷，i e t f 已经制定了新的i p 标准一一i p v 6 ，i p v 6 把 i p s e c 作为i p 安全协议。i p s e c 可以为基于i p 的通信提供用户认证和信息加密等基本功能u 1 ， 通过通信实体两端的安全网关可以形成一条安全的通信隧道。i p s e c 允许用户自己选择所需 的安全协议和加密算法。i p s e c 有两类安全协议：( 1 ) i p s e ca u t h e n t i c a t i o nh e a d e r ( i p s e c a h ) 引；( 2 ) i p s e ce n c a p s u l a t i n gs e c u r i t yp a y l o a d ( i p s e ce s p ) 引。i p s e c 支持的安全 算法也有两类：( 1 ) 对称加密算法，例如a e s 4 ；( 2 ) 单向散列函数，例如s h a 踊1 。 上海交通大学博士学位论文 1 1 2 信息安全的定义 国际标准化组织( i s 0 ) 将“信息安全”定义为：为数据处理系统建立和采取的技术和 管理的安全保护，保护计算机硬件、软件和数据不因偶然或恶意的原因遭到破坏、更改和泄 露。一般可以从以下六个方面理解信息安全的内涵： 秘密性( c o n f i d e n t i a l i t y ) ：未经授权的用户不能够访问信息的内容； 完整性( i n t e g r i t y ) ：未经授权的用户不能更改存储传输信息的内容； 真实性( a u t h e n t i c i t y ) ：对信息持有者或访问者的身份进行确认，只有合法的用户可 以使用资源； 可用性( a v a 订a b 订i t y ) ：网络资源在需要时可以立即使用，不因系统故障或误操作造 成信息的丢失或妨碍对资源的使用； 不可伪造性( n o n f a b r i c a t i o n ) ：通信实体发送接收的数据应该不能被其他实体所伪 造： 不可否认性( n o n r e p u d i a t i o n ) ：数据的发送接收者无法否认其发送接收数据这一事 实。 虽然人为和非人为的因素都可以对信息安全构成威胁，但两者中以人为的有意攻击的危 害性最大。 人为的攻击主要有二类：被动( p a s s i v e ) 攻击和主动( a c t i v e ) 攻击。 被动攻击不对传输或存储的数据做任何改动，也不影响系统的状态和正常的运行，因此 难以察觉。常见的被动攻击途径有： ( 1 ) 数据窃取：用各种合法或非法的手段窃取系统中的敏感信息。例如利用搭线窃听的 方式监听通信线路中传输的信息； ( 2 ) 数据分析：通过长期收集系统通信传输的信息，利用数学工具或统计分析方法了解 系统通信的特征和规律，并提取有用的内容。 主动攻击则试图对传输或存储的数据进行篡改，或试图影响系统的状态和运行，以达到 攻击的目的，例如假冒用户。常见的主动攻击途径有： ( 1 ) 篡改信息：通过向消息中增加、修改或删除数据的方式来改变消息的内容，或用伪 造的消息来欺骗系统或用户； ( 2 ) 抵赖：合法的用户否认自己发送或接收到来自其他合法用户的消息； ( 3 ) 攻击：利用系统存在的安全缺陷破坏系统的状态和正常的运行，例如通过病毒、 2 上海交通大学博士学位论文 木马和拒绝服务攻击等方式。 1 1 3 信息安全技术 信息安全领域是一个综合、交叉的学科领域，它需要综合利用计算机、通信、微电子、 数学、物理和生物技术等诸多学科的知识积累和最新研究成果。由于信息安全技术种类比较 多，本章介绍常见的和本文关系密切的几种安全技术： ( 1 ) 加密技术 信息加密是保护信息的安全性的最核心、最基本的技术方法。对数据的加密过程就是利 用加密密钥和加密算法将明文转换成其他用户不可理解的密文形式，而解密是其反过程，利 用解密密钥和解密算法将密文恢复成明文。用户之间传输的是密文，而只有拥有解密密钥的 用户才能够解密密文以获得明文。加密方法大致有二类，即对称加密技术和非对称加密技术。 人们过去一直使用各种形式的对称加密技术，非对称加密技术的产生相对晚一些，这二种技 术的主要特点如下： 对称加密( s y 唧e t r i ck e ye n c r ) r p t i o n s k e ) 技术：即通信的双方需要使用同样的密钥， 即用同一个密钥对数据进行加密和解密，加密算法的细节对外公开，其他用户只要得到这个 专 密钥就可以对密文进行解密，因此密钥必需保密。比较著名的对称加密算法有d e s 、a e s 、 d e a 等。随着计算机技术的发展，d e s 已经越来越不能满足许多安全应用。早在1 9 9 7 年4 月，美国国家标准技术研究所( n i s t ) 面向全世界征集面向二十一世纪的加密标准a e s ，目 的是为了确定一个非保密的、公开披露加密和解密算法细节的、全球免费使用的、用对称加 密算法实现的加密标准，并且于2 0 0 0 年l o 月，n i s t 将r i j n d a e l 公布为a e s 的标准算法。 非对称加密( a s ) ，i i 吼e t r i ck e ye n c 聊t i o n 一6 皿) 技术：又称公钥加密技术，即通信的双方 需要使用不同的密钥进行加密和解密操作。用于加密的密钥称为公钥，用于解密的密钥称为 私钥。公钥对外公开，而私钥只有用户自己才知道，但从公钥推导出私钥在计算上是不可行 的。与传统的对称密码系统不同的是，非对称密码系统不仅公开加密算法本身，也公开了加 密用的密钥，因此非对称密码系统也被称为公钥密码系统。对于需要进行安全通信的双方， 发送方可以使用接收方的公钥进行加密，接收方利用自己的私钥对密文进行解密。目前的对 公钥密码系统的研究主要有基于大整数因子分解、基于离散对数问题( d i s c r e t el o g a r i 廿1 i n p r o b l e m d l p ) 、基于椭圆曲线上的离散对数问题( d i s c r e t el o g 撕t 1 1 mp r o b l e mo ne 1 1 i p t i c c u n ，e e d l p ) 【刀和最近引起人们浓厚兴趣的基于身份( d - b 弱e d ) 的加密【8 】等。 上海交通大学博士学位论文 把密文表示为反( m ) ，其中丘代表加密算法，k 代表加瑟密钥，m 为明文。对称加 密算法的关键在于即使攻击者获得了密文，他她也不能通过密文获得足以确定明文的有用 信息。换而言之，对称加密算法的安全性是基于信息论意义上的安全性。s h a n n o n 证明了， 如果一个攻击者可以任意地访问通信信道上传输的信息，并拥有无限制的计算和存储能力， 那么要实现完全保密( 即除了位长外，密文不给出明文的任何信息) ，只有在密钥空间的熵 值大于等于明文空间的熵值时才能实现。粗略地说，对条m 位的明文，为了实现完全保 密，密钥的长度至少应为m 位，例如一次一密的乱码本技术扫1 ，但这种方式只对短消息适用， 对于长的消息就不实用了。因此，实用的对称加密算法都会导致密文提供关于明文或多或少 的信息，好的对称加密算法应使密文泄露的明文信息尽可能的少。 随着用户数目咒的增加，为完成任意两个用户之间的安全通信，公钥密码系统所需要的 密钥数目为d ) ，而对称密码系统所需要的密钥数目则是d 如2 ) 。因此，公钥密码系统的 优势在于当用户数目很多时它所管理的密钥数目较少，而且在公钥密码系统中用户可以随时 更换密钥。然而，公钥密码系统的安全性是基于计算复杂度方面的安全假设的，例如r s a 算法的安全性就是基于大整数因子分解难题之上的。但是，随着大整数分解计算方法的进步 完善、计算速度的提高以及计算机网络的发展( 可班使用成千上万台机器同时进行大整数分 解) ，作为r s a 加解密安全保障的大整数要求越来越大。为了保证r s a 使用的安全性，其 密钥的长度一直在增加。目前一般认为r s a 需要1 0 2 4 位以上的大整数长度，然而任何现有 大整数分解算法的改进都要求其长度做相应地增加。显然，密钥长度的增加直接导至了系统 加解密速度的降低，硬件快速实现也变得越来越困难，这就给r s a 的应用带来了负面影响， 从而使得其应用范围越来越受到制约。 不过，泛泛地讨论公钥密码系统与对称密码系统哪个更好并没有实际意义。和公钥密码 系统相比，对称密码系统的处理速度要快几个数量级，更适用于数据加密。而公钥密码系统 则具有不可否认的特性，用户可以通过持有私钥证明自己的身份。因此，公钥密码系统在身 份认证1 0 1 1 1 、数字签名n 2 - 1 3 1 等安全协议中有着广泛的应用。 ( 2 ) 身份认证 当一个用户要登录系统或使用资源时，必须能通过某种方式确认用户的身份，即当前要 求登录系统的“用户”的确是他所声称的那个用户。用户证明自己身份的过程被称作身份认 证，身份认证是实施访问控制等安全技术的基础。 在u n i x 系统中采用口令来认证用户身份，基于口令方式的优点是易于实现，但存在着 4 上海交通大学博士学位论文 安全缺陷n 划。常见的攻击有口令猜测! 监听网络流量并窃取以明文方式传递的口令、截获认 证信息然后通过重放以欺骗系统等。目前人们主要研究实用的、安全的( 可以抵抗回放攻击、 、 中间人攻击n 翻等) 的身份认证系统。 此外，还有利用人体的生物特征的不可复制性来进行身份认证的技术，目前可利用的人 体生物特征有指纹、视网膜和手写签名等。由于人体的生物特征的唯一性，生物特征识别技 术的安全系数比较高，应用前景是非常广阔的。 ( 3 ) 数字签名 数字签名技术与传统的手写签名的目标是一致的，理论上必需实现以下目标： 签名是可信的，签名表明签名者同意文件的内容。 签名是不可伪造的，收到的签名的确是由真实的签名者签署的； 签名是不可重用的，签名是所签署的内容的一部分，不能被挪做他用，对其它内容签名； 签名者对文件进行签名后，文件的持有者不能改变文件的内容： 签名是不可抵赖的，真实的签名者不能否认其对文件的签名。 公钥密码系统、对称密码系统和单向散列函数等技术可以综合在一起应用于数字签名和 ! 一c 岛 而数据完整性检验中。为了防止数字签名被重用，通常采用时间戳技术来实现这一目标。目前 苜o ： 冀。数字签名领域的研究内容非常丰富，包括普通的数字签名和适用于特定应用环境下的特殊签 ：“二。 。、名穆( 例如盲签名、群签名、门限签名和代理签名等) 。不过，数字签名在实际中的应用还涉 ： 及到国家立法和标准化方面的工作。在基于有限域离散对数问题的数字签名算法d s a 的基 础上，美国制定了自己的数字签名标准( d s s ) 。 ( 4 ) 密钥管理 无论使用什么加密算法来保护数据，数据的安全性都依赖于对密钥这关键元素进行保 护。