（信号与信息处理专业论文）密码应用技术研究与实践.pdf

密码应用技术研究与实践 摘要 本文是作者攻读博士学位期间所作研究工作的一部分，重点介 绍了作者在密码应用技术方面的理论研究和实践工作，主要包括： l 、利用密码技术建立网络责任机制 在传统社会，责任机制的建立主要依赖于法律的规范和约束。 法律讲究以事实为依据，因此证据的效力、取证和验证的方法、流程 的有效性成为法律得以执行的基础。与此相类似，密码技术作为保障 证据效力、保证取证和验证机制有效性的关键技术，成为在网络环境 下法律得以执行的技术基础，因此探讨如何采用密码技术来建立责任 机制具有十分重要的意义。在第二章，我们对在网络空间普遍使用的 电子邮件中建立责任机制的方法进行了研究，通过使用e i g a m a l 密码 系统，首次提出了种使用对密文的签名来证明责任的方法，设计了 一个与传统挂号邮件相当的具有完善机密性的挂号电子邮件协议。 2 、密钥管理技术研究 密码的保密以密钥的安全为基础，密钥管理一直便是密码技术 研究的一个重要主题，密码技术的新应用对密钥管理提出了新问题和 新要求，在第三章，我们对密钥认证、秘密共享和密钥托管等密钥管 理中的热点问题进行了研究。在密钥认证方面，我们指出了h y 密 钥认证方案的问题和不足，并提出了相应的改进方案：在秘密共享方 面，提出个共享给定公开值的秘密方幂的p v s s ( s p p v s s ) ，该方 案在不降低安全水平的前提下，大大减少了共享有效性验证的计算 量；在密钥托管方面，我们基于e l g a m a l 公钥体制和多水平可验证共 享方案m v s s ( m u l t i l e v e lv e r i f i a b l es e c r e t s h a r i n gs c h e m e ) ，设 计了一个新的部分密钥托管方案，它既能满足“延迟恢复”的特性， 又能克服监听机构权力过大的现象，使得用户密钥的安全性得到妥善 地解决。 3 、密码技术在电子商城安全系统建设中的应用 电子商城是建立在因特网上开展商务活动的虚拟网络空间和保 障商务顺利运营的管理环境，也是协调信息流、物流和资金流有序关 联流动的重要场所；它是网上购物与网上交易平台，是电子商务的门 户站点，由支付中介、配送中心、公用设施、会员组织、法律环境等 构成。对于我国大多数企业，特别是中小企业来说，采取电子商城的 方式来使企业能共享电子商城提供的服务无疑是一种合理的选择。为 了保障电子商务的发展，有必要对电子商务的安全问题，如安全支付 问题、安全管理、公平交易、争议解决等问题进行深入研究，并为电 子商务的参与者提供一个虚拟交易的场所( 电子商城) 和安全可靠的 平台。本文针对电子商城的特点，首先设计了一个基于p k i 技术的 w e b 信息安全平台，然后以此为基础，设计了适应电子商城特点的b 2 c 和b 2 b 安全交易系统。以本文为基础建设的首都电子商城安全支付平 台已于1 9 9 9 年正式投入运行。 4 、p k i 信任体系设计 基于公开密钥密码理论和技术建立起来的p k i ( p u b l i ck e y i n f r a s t r u c t u r e ，公钥基础设施) 信任体系已成为解决绝大多数安全 问题的基础，并初步形成了一套完整的解决方案，成为提供信息奠! ? 服务的具有普适性的安全基础设旖。当前，p k i 信任体系的发展_ _ l 】i 的问题包括两个方面，一方面是如何实现不同p k i 信任体系间的i i 联 互通，消除信任孤岛，形成国家乃至全球互联互通的p k i 信任f 。j i ： 另一方面是如何方便、简单、安全地使用p k i 信任体系，是p k i t i 体系成为业务应用不可分割的基础。本文对这两方面的问题进0 讲 究，在第六章，紧密结合我国p k i 信任体系的发展现状，提出了j “i p k i 信任体系的总体框架；在第七章我们提出了如何向企业级慝。童 供方便的p k i 服务的方式。 关键词：信息安全密码学密钥管理密钥认证秘密共享密锈： 数字签名责任机制安全支付公钥基础设施数字证书 r e s e a r c h a p p l i c a t i o no n c r y p t o g r a p h i ct e c h n o l o g y a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h et h e o r yo fc r y p t o g r a p h ya n di t s a p p li c a t i o n st om o d e r ni n f o r m a t i o ns y s t e ma r es y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d m a i na c h i e v e m e n t si nt h i s p a p e r a r es u m m a r i z e da s f 0 1 1 0 w s l 、i ti sn e c e s s a r yt oi n t e g r a t et h ep e r f e c tc o n f i d e n t i a l i t y i n t ot h ec e r t i f l e de l e c t r o n i cm a i lp r o t o c o l s i no r d e r t oa c h i e v et h i so b j e c t i v e ，w ed e v e l o pan e ws t r a t e g yo f b u i i d i n ga c c o u n t a b i l i t yf o rm e s s a g e s i nc h a p t e r2 b y m a k i n g u s eo ft h i s s t r a t e g y ，w ep r o p o s e ac e r t i f i e d e l e c t r o n i cm a il p r o t o c o l ， c a l l e dp c c m p t h e p c c m p s a t i s f i e sn o to n l yt h en o n r e p u d i a t i o nr e q u i r e m e n t sa n d t h ef a i r n e s s r e q u i r e m e n t s a t i s f i e d b y t h eo t h e r t r a d i t i o n a lc e r t i f i e de l e c t r o n i cm a i l p r o t o c o l s ，b u t a l s os a t i s f i e st h ep e r f e c tc o n f i d e n t i a l i t yr e q u i r e m e n t n o ts a t i s f i e db yt h eo t h e rc e r t i f i e de l e c t r o n i cm a i l p r o t o c o l s 2 、i nc h a p t e r3 ，k e ya u t h e n t i c a t i o n ，s e c r e ts h a r i n ga n dk e y e s c r o w ，s e v e r a l k e yp r o b l e m i nt h ef i e l do f k e y m a n a g e m e n t ，a r es t u d i e d o nk e ya u t h e n t i c a t i o n ，w ep r o v e t h a tt h eh y k e ya u t h e n t i c a t i o ns c h e m ei sv u l n e r a b l et o t h eg u e s s i n ga t t a c ka n dp r o p o s ean e wi m p r o v e dh - ys c h e m e o ns e c r e t s h a r i n g ，w ep r o p o s e ap u b l i c l yv e r i f i a b l e s e c r e ts h a r i n gs c h e m e ，t e r m e ds p p v s s f r o mt h ep o i n t o fc o m p u t a t i o nc o m p l e x i t y ，o u rs c h e m ei sm o r ee f f i c i e n t t h a nt h es c h e m ep r o p o s e d o nk e ye s c r o w ，w ep r o p o s ea n e ws c h e m eo fv e r i f i a b l ep a r ti a lk e ye s c r o w ，b a s e do n g l g a m a l p u b l i ck e yc r y p t o s y s t e m a n dm u l t il e v e l s e c r e t s h a r i n gp r o t o c o l ，w h i c h s a t i s f i e s“d e l a y e d r e c o v e r y ”，b u t a l s o e f f e c t u a l l yp r e v e n t sa g a i n s t l e d ( l a w e n f o r c e m e n t d e c r y p t o r ) t o o m u c h p o w e r a n d s u b l i m i n a lc h a n n e l sa t t a c k 3 、i n c h a p t e r 4a n d 5 ，c r y p t o g r a p h y sa p p l i c a t i o n s t o e l e c t r o n i cc o m m e r c ea r es t u d i e d a tf i r s t ，w ep r o p o s e as e c u r ew e bs y s t e mb a s i n go np k i t h e nw ed e s i g n a s e c u r e t r a n s a t i o ns y s t e ms a t i s f i n g b 2 ba n db 2 c t r a n s a t i o n sn e e d si ne l e c t r o n i cc o m m e r c ec i t y 4 、t h ec h a l l e n g e si np r o c e s s i n g ，t r a n s m i t t i n g ，a n ds t o r i n g i n f o r m a t i o ni naf a s h i o nw h i c hp r o t e c t si t sa u t h e n t i c i t y i n t e g r i t ya n dc o n f i d e n t i a l i t yh a v eb e e nw e l lp u b l i c i z e d a n dh a v eb e c o m ep a r to ft h ep u b li cd e b a t eo nt h ef u t u r e o fc o m m u n i c a t i o n si n g e n e r a l a n d“t h ei n f o r m a t i o n s u p e r h i g h w a y ” i n p a r t i c u l a r a c c o m p l i s h i n g t h e s e o b j e c t i v e sr e q u i r e s t h e p r o p e r a n d t i m e l y u s eo f s e c u r i t y s e r v i c e ss ot h a tb u s i n e s s e sa n dt h ep u b l i c o p e r a t e i nat r u s t e de n v i r o n m e n t d e v e l o p m e n ta n d i m p i e m e n t a t i o n o ft h ep k i h e i p sp r o v i d e t h a tt r u s t e d e n v i r o n m e n t t o d a y ，t h ed e v e l o p m e n t o fp k if a c et w o p r o b l e m o n ei st h e l a c ko fi n t e r o p e r a b i l i t ya m o n gp k i a n dt h eo t h e ri st h ei n c o n v e n i e n c eo fu s i n gp k i i n c h a p t e r6 ，w ep r o p o s ec h i n ap k i sa r c h i t e c t u r ea f t e r a n a l y z i n g t h ea c t u a l i t yo fc h i n ap k i d e v e l o p m e n t i n c h a p t e r7 ，w ep r o p o s e ap k is e r v i c e s y s t e mf a c i n g e n t e r p r l s e k e y w o r d ：i n f o r m a t i o ns e c u r i t yc r y p t o g r a p h yk e ym a n a g e m e n tk e y u t h e n ti c a t i o ns e c r e ts h a r i n gk e ye s c r o wd i g i t a ls i g n a t u r e o n r e p u d i a t i o na c c o u n t a b i l i t ys e c u r i t yp a y m e n tp u b l i c k e y in f r a s t r u c t u r ed i g i t a lc e r t i f i c a t e 第一章绪论 密码技术是一种历史悠久的信息安全技术，密码学( c r y p t o l o g y ) - - 字源自希 腊文”k r y ! p t o s 及”l o g o s ”两字，直译即为”隐藏”及”信息”之意，其使用可以追溯到 大约四千年前。在历史的长河中，到处点缀着密码的踪迹，他们决定着战争的结 果，甚至影响着历史进程。在人类历史上的两次大战中密码都扮演了举足轻重的 角色，许多人认为同盟国之所以能打赢这场战争，完全归功于二次大战时所发明 的密文破译数字式计算器破解了德日密码。 今天，随着计算技术和通信技术的迅速发展和应用，人类进入了信息时代。 信息技术正从政治、经济、文化、军事和社会生活的各个方面改变作人类的生存 和发展方式，无论是在打开电灯、乘坐飞机、应急求助等日常事务中，还是在国 家经济运行、安全防御等方面，都需要依赖于复杂的信息系统的支持。然而这个 充满希望的时代也充斥着危险，当我们通过网络来交流思想、吐露内心的秘密、 商讨业务、支付金钱，甚至传递涉及国家的重要经济、外交和军事信息时，都可 能被他人窃取我们的秘密。因此，如果我们希望继续享用信息时代所带来的种种 益处，我们就必须建立有效的安全防护措施。保护我们的信息，捍卫我们的信息 安全。 密码技术正是保障信息安全的有效方法之一，我们不仅可利用密码来打乱所 传达的信息，以便只有我们希望的接受者才能真正获取信息，而且可通过密码技 术的使用，使得现实世界的许多事情，诸如签字、定合同、发送收据甚至玩扑克 都可以通过数字信号来完成。由此可见，在信息时代密码将无处不在，成为人类 生活的普遍工具。信息时代对密码的普遍需求向密码学提出了许多新的问题和挑 战，需要密码研究者从更高、更广的视野开展对密码的研究。 1 1 信息安全与密码学 1 1 ，1 信息社会的技术特征 信息社会是人类在信息技术( 包括计算机和通信技术) 推动下进入的新的历 史阶段。今天，计算机及相关技术的发展，通信能力和计算能力不断增强的同时 价格正变得越来越便宜，所占用的体积也越来越小，各种新形态的传感器、计算 联网设备蓬勃发展，人们开始随时、随地、无困难地享用计算能力和信息服务， 各种计算和通信系统成为人类生活环境的重要组成部分，他们以多媒体形式( 包 括文本、数字、声音、图像和视频) 收集、分析、存储、展示和传播信息，作为 独立产品或与物理产品相结合为人类的政治、经济、军事和文化服务。 信息社会的技术特征包括以下方面： i )微处理器和工作站正成为国家、企业和家庭的重要计算设施； 2 )专用电子硬件越来越易于开发，能为特定的任务制造性能、速度、 安全更优越的硬件。 3 )数字信息的传播介质变得更快( 光纤代替了同轴电缆) 、更方便 ( 无线通信) 、更便宜，使大量信息的传递和存储更容易。 4 )计算技术和通信技术相互融合，由此使得公司的边界越来越模 糊、规模变化越来越快、公司闯的生产流相关性越来越强。 5 )软件提供的功能越来越丰富、性能越来越优越，不断提升和完善 信息技术的服务能力。 信息技术作为一种工具、手段和方式，把社会、国家和全世界都紧密地联 结在一起，把人类的知识共享提高到前所未有的程度，把人类各种交互行为的效 率提高到前所未有的程度，开放和互连互通成为信息社会的基本特征。当前在全 世界蓬勃开展的电子商务和电子政务就充分体现了这一特征。 在互连和开放为人类带来高效率和友好服务的同时，信息社会互连和开放 的特征也为信息社会带来了风险和威胁，黑客攻击越来越频繁，网上有害信息大 量涌现，网络犯罪呈快速上升趋势，信息战和信息恐怖活动的威胁越来越现实， 因此，保障信息安全成为在信息社会中保护人民群众的利益、保障国家安全、社 会安全、经济安全的重要任务。 1 1 2 信息安全的目标 关于信息安全，欧盟的定义是：在确定的信心水平下，网络和信息系统抗 击意外事故和恶意行为破坏其可用性、真实性、存储和传递数据的完整性和机密 性以及提供的相关服务的能力。 信息安全目标主要包括以下四个方面： 可用性：系统和数据对指定用户的可用性是指保证系统正常工作、保障 合法用户对服务的访问不被拒绝，主要是防止： a ) 有意或无意非授权删除数据，有意或无意导致不能使用数据 和服务； b ) 为非授权的目的是用系统或数据 完整性：系统和数据的完整性包含两个方面： a ) 数据完整性：保证数据在存储、处理和传递过程中不被以非 授权的方式改变。 b ) 系统完整性：保证系统的功能未受损坏，保证系统不被非授 权操纵。 机密性：数据和系统信息的机密性要求在存储、处理、传递数据的过程 中保证秘密信息不被非授权泄漏。 审计：要求任何实体的行为能被唯一追踪。 要实现以上四个目标必须保证所采用的技术和管理措施的有效性，需要建 立一套有效的保障机制，同时，四个目标及保障机制之间是相互关联的，要实现 任何目标而不需要得到其他方面得知此几乎是不可能的，下图描述了它们之间的 依赖关系： 从上图可见，机密性依赖完整性，完整性也依赖机密性，可用性和审计也 都依赖机密性和完整性，而所有四个目标的实现都需要可靠的保障机制支撑。 1 1 3 安全威胁与安全服务 由于技术的复杂性和实现的局限性，网络和信息系统潜在众多的安全危险 和风险，主要的安全威胁个归纳如下： 系统渗透：非授权用户进入信息系统，并得到修改应用文件、窃取机密 信息、非法使用系统资源等权限。系统渗透常常通过假冒( 入侵者冒充 合法用户) 或利用系统的弱点( 如旁越控制) 来实现。 违反授权：被授权在指定范围内使用系统的合法用户未按授权规定( 指 定的目的、指定的功能等) ，超范围使用信息系统。表面上看这种威 胁主要是内部用户的误用和滥用，但它也与外部渗透相关，入侵者可通 过渗透非特权用户帐户后，再利用系统的弱点来得到特权用户的访问权 限，由此可大大提高渗透攻击的效果。 植入恶意功能：通常是系统渗透和违反授权攻击的结果，入侵者常常会 在系统中植入恶意功能来进行进一步的渗透或攻击。最典型的就是所谓 的特洛伊木马型软件，表面上该类软件有合法用途，但当软件运行时， 它会维护系统的安全性。 通信监视：攻击者通过监视通信信道来获取机密信息。由此获得的系统 机密信息有助于实旋对系统进一步的攻击。 通信篡改：攻击者篡改通信数据或通信进程。一个攻击者可能会故意改 变金融交易消息的数据域，或安装假冒的服务系统来骗取用户的敏感信 息( 这种攻击被称作欺诈) 。 拒绝服务：故意阻碍合法用户使用系统的信息、服务和资源。 否认：参与事务处理或通信的某一方事后否认其行为。 为有效防范风险和威胁，要求系统提供有效的安全服务来应对各方面的威 胁，将风险降到可接受的最小程度。主要的安全服务可归纳为以下五类： 认证服务：认证服务提供身份保证，当某人或某事声称具有某个特殊身 份时，认证服务提供某种机制来证实该声明的正确性，因此，认证服务 是对抗假冒的主要机制。认证服务包括两种类型：( 1 ) 实体认证：验证 参与方出示的身份，用户名口令便是最常用的实体认证机制；( 2 ) 数 据源认证：验证一个数据条( 如消息) 的发送者或创建者的身份。 访问控制服务：该服务防止对信息系统的任何资源( 包括计算资源、通 信资源和信息资源) 的非授权访问。非授权访问包括：非授权使用、非 授权泄漏、非授权修改、非授权销毁以及命令的非授权发布。 0 机密性服务：该服务防止信息被泄露给未授权的实体。机密性通常意味 着隐藏表示信息的数据条，但机密性服务还应防止气体泄漏信息方式， 如防止通过观察转发到一个特定地点的消息的数量或大小来获取信息。 数据完整性服务：该服务防止对数据条表示的值的改变。改变数据条的 值的方式包括：插入其它数据、删除数据、修改数据、重排数据等。 抗否认服务：该服务防止事务或通信的参与实体事后否认其行为。目前， 主要是提供解决争议的机制。 对应开放系统互连参考模型对信息系统的层次划分，在各层可实现的安全 服务如下表所示： 其中“+ ”表示提供该项服务，“一”表示不提供该项服务 安全网络层次 服务物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层 实体认证 访问控制 连接机密性 无连接机密性 选择字段机密性 信息流机密性 有恢复连接完整惶 无恢复连接完整性 + 选择字段无连接完整 性 数据源认证 防发方吾认 防收方否认 】1 4 密码技术在信患安全中的作用 在保障信息系统有效抵抗各种安全威胁的安全服务中，密码技术都发挥作 重要作用。”c r y p t o c r a p h y ”一词来源于希腊语，意为密写，然而，今天无论采 用何种密码体制，密码的应用都已超出了原来密写的范围，成为提供信息系统安 全的有效工具。密码能提供以下功能： 机密性：保护信息在传输或存储时不被非授权泄漏。采用密码来进行机 密性保护后，加密信息即使落入非授权的人手中也不会被泄漏。正是由 于密码的机密性保护功能使得目前的公共密码政策处于进退两难的境 地。 下面描述密码的非机密性或间接提供的能力： 认证服务：可使用基于密码技术的认证服务来保证某人( 机器或系统) 所声称的身分是有效的，在此保证下，非受权的用户很难假冒授权用户。 完整性检验：可使用基于密码技术的完整性检验机制来保证消息或计算 机文件不被破坏或修改。在此保证下，非受权的用户很难篡改数据。 数字签名：可使用密码技术来保证消息或文件时有一个已知的人建立或 发送的。数字签名密码地绑定了人的身份和消息内容，因此提供了抗否 认能力不能否定消息或文件的真实性。抗否认性能力源于用签名者 的私钥加密消息或文件的摘要，任何人都可以通过用发方的公开密钥来 解密签名从而验证签名。由于只有发方知道自己的私钥，因此保证了签 名的有效性和发方事后不能否认，如果某人泄露其私钥给其他人，别人 就可在电子交易中假冒他。 数字时间戳：可使用密码技术来保证消息或文件是在指定的时间建立或 发送的。通常，数字时间戳由授权组织来提供，它在消息上添加时问并 对消息进行数字签名。 以上通过密码技术来提供的安全功能可互补使用，例如，认证是控制访问 系统或网络资源的基础，某人可使用口令来证明他的身份，当输入适当的口令时 系统才允许他登录，获得对文件和电子邮件等的访问。然而仅仅是用口令机制其 蛋全能力非常有限，通过使用基于密码技术的认证服务，能提供对系统和资源更 好更有效的访问控制。 访问控制可用于一个系统的不同位置，例如，对系统或网络的拨号端口使 用密码来进行访问控制就可保证只有授权的用户才能使用系统或网络。许多系统 和网络对特定身份的用户授予特定的权限，例如，在医院信息系统中，医生被授 予访问处方的权利，而实验室的技术人员则可能没有这一权利。 认证机制也可用于生成审计跟踪记录，监视对特定数据有访问权利的人， 因而易于找到泄露机密数据的人。 当访问控制被旁越后，加密存储和传输数据对系统提供了额外保护。如果 入侵者不能方便地访问文件和通信，他更难搞清系统内部的工作机制，因而不能 进行破坏或获取已加密的敏感信息的内容。当然，当应用打开数据进行处理时， 数据肯定是未加密的，因而易于被入侵者破坏。 认证和访问控制也有助于保护存储在系统或网络中数据的机密性，例如， 一个以特定格式存储数据文件的数据库的应用之一是让用户浏览这些文件，使用 访问控制机制可以只让某些用户访问这个特定的数据库应用，从而保护数据库中 数据的机密性。另一方面，非授权用户可能会通过其他无控制的应用，甚至通过 操作系统来获得对文件的访问，因此，要对抗如此的后门攻击加密这些文件是非 常必要的。 上面描述的各种密码功能可用于一个系统来完成多项任务，例如，银行系 统以许要求保证通信连接的机密性和完整性，主要处理功能要求保证真实性，而 对大额交易要求保证完整性和真实性。另一方面，当处理外部客户或已建立合同 关系的银行的业务时，以许只需要数字签名和数字时间戳机制。下图展示了通过 密码技术能为电子商务提供的安全服务和功能： 通过密码技术，我们可提供基本的密码功能，包括加密、签名、认证等。 组合使用这些功能，我们可为电子商务建立起安全通信、授权、密钥管理、机密 性与隐私保护、认证与识别等安全机制，形成电子商务所需要的在线银行、在线 支付、内容保护、公证、审计、信任管理等能力。 参考文献 1 c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e l e o o n m u n i c a t i o n sb o a r d ( c s t b ) ，n a t i o n a l r e s e a r c hc o u n c i l 2 0 0 3 i n f o r m s t f o nt e c h n o l o g yf o r c o u n t e r t e r r o r f s m ：i m m e d i a t ea c t i o n sa n df u t u r ep o s s i b i l i t i e s t h e n a t i o n a la c a d e m i e sp r e s s ，w a s h i n g t o n ，d c a v a i l a b l eo n l i n ea t 2 u s g e n e r a la c c o u n t i n go f f i c e ，“c r i t i c a li n f r a s t r u c t u r e p r o t e c t i o n ：s i g n i f i c a n tc h a l l e n g e si nd e v e l o p i n gn a t i o n a l c a p a b i l i t i e s ，”g a o - 0 1 3 2 3 ，a p r i l2 5 ，2 0 0 1 3 c o m p u t e rs c i e n c ea n dt e l e c o m m u n i c a t i o n sb o a r d ( c s t b ) ，n a t i o n a l r e s e a r c hc o u n c i l1 9 9 6 ，c r y p t o g r a p h y sr o l ei ns e c u r i n gt h e i n f o r m a t j o ns o c i e t y , k e n n e t hw d a ma n dh e r b e r ts l i n e d s w a s h i n g t o n ，d c ：n a t i o n a la c a d e m yp r e s s 4 5 6 7 8 9 i 0 3 1 1 b l a z e ，m a t t 1 9 9 6 a f t e r w o r d 2 n de d a p p i e dc r y p t o g r a p h y , b r u c e s c h n e i e r e d n e wy o r k ：j o h nw i l e y s o n s 史蒂文列维：隐私的终结? 数字时代的密码大战，中信出版社，北京， 2 0 0 2 j 。 维恩斯瓦图：信息战争一网络恐怖主义：信息时代如何保护你的个人 安全，国际文化出版公司、北方妇女儿童出版社联合出版，北京，2 0 0 1 1 0 g a r ys t o n e b u r n e r ：u n d e r l y i n gt e c h n i c a lm o d e l sf o ri n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ys e c u r i t y n i s ts p e c i a lp u b i i c a t i o n8 0 0 一3 32 0 0 1 1 2 西蒙辛格，密码故事一一人类智力的另类较量，海南出版社，海口， 2 0 0 1 1 0 。 杨义先、林须端，编码密码学，人民邮电出版社，北京，1 9 9 2 。 + 。u sc r y p t o g r a p h yp o lic y ”i n b ! ! 巳；竺兰! 星：卫i 墨羔：g 鱼! 鳖金! ! 竺竺q 竺芏! 卫q i i ：羔兰三 w a r w i c kf o r d ，m i c h a e ls b a u m ，s e c u r ee l e c t r o n i c c o m m e r c e ，p r e n t i c e h a l l ，i n c 1 9 9 7 9 第二章密码应用技术研究 今天，密码技术的应用已远远超越了信息加密的范畴，正如m a t t h e w f r a n k l i n 和m i c h a e lr e i t e r 指出 2 5 ：“人类建立的用于保护人类交往过程的 传统、文化和法律已不适应人类电子化交往的需要，密码协议研究正是对此阉题 的技术应对”。著名密码学家、公钥密码的创始人d i f f i e 也认为 2 6 ：“通信安 全是基于笔墨通信和面对面会议的传统世界的基本社会机制向电子世界的移植， 这个世界以电子邮件、视频会议、电子资金转帐、电子数据交换以及即将出现的 数字现金、电子投票等为表征”。因此密码技术已成为人类社会进行电子交往的 技术基础之一，这为密码技术提供了更广泛的应用空间，同时亦为密码技术研究 提出了新方向、新问题和新需求。 人类社会生活的有序性大大季导益于责任机制的建立，在传统社会，这种责 任机制的建立主要依赖于法律的规范和约束，法律讲究以事实为依据，因此证据 的效力、取证和验证的方法、流程的有效性成为法律得以执行的基础。与此相类 似，密码技术作为保障证据效力、保证取证和验证机制有效性的关键技术，成为 在网络环境下法律得以执行的技术基础。因此探讨如何采用密码技术来建立责任 机制具有十分重要的意义，在第三章，我们对在网络空间普遍使用的电子邮件中 建立责任机制的方法进行了研究，设计了个与传统挂号邮件相当的挂号电子邮 件协议。 密码的保密以密钥的安全为基础，密钥管理一直便是密码技术研究的一个 重要主题，密码技术的新应用对密钥管理提出了新问题和新要求，在第四章，我 们对密钥认证、秘密共享和密钥托管等密钥管理中的热点问题进行了研究。 2 1 挂号电子邮件协议设计 今天，电子邮件已成为一种被广泛使用的通信方式。然而，标准的电子邮 件系统有如日常邮政系统中的明信片通信，邮件所携带的信息的真实性、完整性、 机密性和不可否认性都无法得到保证。因此，为了利用电子邮件来传递有价值的 或机密的信息，如利用电子邮件来进行信息( 如书、文章或软件等) 销售，我们 有必要建立提供安全功能的增值服务来加强标准电子邮件系统的安全性， 可证实电子邮件协议是建立在标准电子邮件之上的一种增值服务，该服务的 目标是为电子邮件的发送和接收建立完善的责任机制。在文献 1 中，怍者提出 了两个可证实电子邮件协议( c m p l 和c m p 2 ) ，它们有效地保证了电子邮件携带 信息的真实性、完整性和收发双方的不可否认性。但在执行过程中，作为邮局的 一方能看到用户所传递的电子邮件的内容，这显然是与我们日常的邮政系统是不 一致的，也是用户不希望的和在许多应用中不应出现的。为此，我们利用e 1 g a m a l 密码体制的特性来建立了一个具有完善保密性的可证实电子邮件协议，它不仅象 1 中提出的协议一样能保证电子邮件携带信息的真实性、完整性和发双方的不 可否认性，而且为电子邮件提供了完善的机密性，使包括邮局在内的任何第三方 都不能了解电子邮件的内容。 2 1 2 可证实电子邮件系统的模型和要求 标准的电子邮件系统，如i n t e r n e t 邮件系统【2 】和x 4 0 0 消息处理系统【3 】具有 如下共同特征：消息的传递采用的是存储转发方式；收发双方的通信是异步的。 因此，任何可证实电子邮件协议都必须符合标准电子邮件系统的这两个特征。 与文献【1 】一样，我们的可证实电子自口件系统中包含如下实体。 网络：网络负责在用户之间及用户和可信的邮局之间传递消息。它既 不是安全的，也不是可靠的( 如i n t e m e t ) 。在网络上传递的消息可 能被非授权阅读，也可能被截取、修改和破坏，而且电子邮件也可 能因网络错误或系统崩溃而丢失。但我们假设网络错误或崩溃的恢 复期短于电子邮件的转发期限。当前在i n t e m e t 中这一期限可达标 1 5 天，所以我们的这一假设是合理的。 公钥证书机构( c a ) ：在本文所提出的可证实电子邮件协议中使用了公 钥密码体制，协议中的所有参与者都有其相应的公开密钥和秘密密 钥，c a 采用数字签名来生成每个参与者的公钥证书，。 用户：用户能对消息进行加密或脱密，并能对消息进行数字签名或验 证一个消息的数字签名。 邮局( p a ) ：邮局是一个自动进程，其作用与日常邮政系统中的邮局相 同，用户相信邮局能将一个邮件可靠地传递到正确的接收方。 仲裁机构( n ) ：仲裁机构是一个离线且公正的机构，当用户发生争议 时，仲裁机构收集证据并作出公正的判决。 基于上面的模型和假设，我们提出如下可证实电子邮件系统应满足的安全性 要求： 电子邮件的真实性：邮件的接收方能验证收到的一份电子邮件确实是来自其 所声称的邮件的发送者。 电子邮件的完整性：邮件的收方能验证受到的一份电子邮件的内容与发送者 发出的邮件的内容相同。 电子邮件的机密。眭：除开在解决争议时为了向仲裁机构提供证据外，一份电 子邮件的内容不能被收发双方以外的任何第三者非授权了解。 不可否认性：不可否认的目的在于形成一种责任机制，使收发双方都必须对 其在通信协议过程中的行为和发出的消息负责。在可证实的电子邮件协议 中，包括发方不可否认性和收方不可否认性，发方不可否认是指邮件的发方 不能否认其已发出的电子邮件，收方不可否认是指邮件的收方不能否认其已 收到的电子邮件。 公平性：当协议成功地完成后，能确保收方得到发方不可否认证据，发方得 到收方不可否认证据。而且，当协议未成功完成时，收发双方都不能得到相 应的不可否认证据，且收方不能了解邮件的内容。 2 1 3c m p 协议分析 c m p 协议是文 1 】提出的可证实电子邮件协议，下面我们首先介绍c m p 协议 中使用的一些符号： s k p ：协议参与者的秘密密钥，它用于对邮件进行数字签名和脱密加密邮件。 p 墨：协议参与者的公开密钥，它用于验证邮件的数字签名和加密邮件。 似：用单向杂凑函数h 杂凑消息x 。 x p k p ：用p 的公开密钥p 岛加密消息x 。 扣0 s k p ：用p 的秘密密钥s k p 签名消息工。 丘，觑以k 为会话密钥用对称密码体制加密消息x 。 文 1 】中给出了c m p l 和c m p 2 两个版本。用户a 利用c m p l 向用j 。b 发送 可证实电子邮件的协议图如下： ab队 型 生：生：型：! 生型：型鱼：丝望，脚州麟小 t 2 、f a b p a h ( m ”s k 8 f k j p k m c f a b ? p , 4 ：7 1 i s k a k ( 3 ) p o o _ p a = r 口，b p a ，州s k a s k m f 4 ) p o r e a ； f a b p a h ( m ) l s k a , b , m s k p a 盥i c m p i 协议滤程圈 p 0 0p a 为发方发出消息研的不可否认证据，当发方否认发出，! ，n 接收方 b 可利用它来向仲裁机构n 证明a 确实发出了消息m 。 p d rp a 为收方收到消息m 的不可否认证据，当收方否认收到m 时，发方a 可利用它来向仲裁机构n 证明b 确实收到了消息m 。 发方不可否认可借助数字签名技术很方便地实现，但在建立收方不可否认机 制时，还须建立一种方式来迫使收方去留下签名证据。在c m p 协议中，发方a 将消息m 用会话密钥k 加密，而k 是由p a 的公钥加密的，因此，当b 收到消息 ( 1 ) 时，他并不能直接读到消息m ，他必须将对 一的签名送给p a 后，才能 从p a 得到会话密钥k ，从而获悉m ，而b 对 似，的签名就成了他的接收不可否 认证据。关于收发双方的不可否认性在【1 中利用【3 】提出的形式方法进行了详细 证明，有兴趣的读者请参阅文献 1 。 保证a 和b 能分别收到p o r和是协议能提供不可否认_ p ap 0 0 p ac m p 机制的必要条件，在文献【1 中提出了三种方法来达到这一目的，有兴趣的读者 请参阅文献【1 。 c m p 协议满足了真实性、完整性、不可否认性和公平性要求，但在p o o _ p a 和p o r 中消息m都是明传的，因此，该协议不满足机密性要求。在文献1_pa 中，作者还提出了另一个可证实电子邮件协议c m p 2 ，其中的e o o _ p a 和p 僳一尉 都用会话密钥k 来进行了加密，使除a 、b 和p a 外的任何人均不能获得，但 由于p a 仍能获得m ，所以我们认为，c m p 2 仍不具有完善的机密性。在我们日 常的邮件系统中，邮件常常是密封的，人们在邮寄许多信件时，都希望即使是邮 局也不能了解信件的内容，因此，为了使可证实电子邮件协议更实用，我们有必 要加强c m p 协议的机密性。下一节我们将提出一个满足这一要求的可证实电子 邮件协议。 2 1 4 提出一个新协议p c c m p 下面，我们利用e i g a m a l 加密方案和签名方案来建立一个具有完善机密性 的可证实电子邮件协议p c c m p 。首先，我们简单介绍e i g a m a l 加密方案和签名 方案。 设p 是一个大素数，g 是乙的一个本原元，每个用户u 的秘密密钥 x 。 1 ，p 1 ，公开密钥为y 。= g “m o d p ，当用户a 要将消息m 加密送给b 时， 用户a 计算 c i = g m o d p ，c 2 = m + y ：m o d p 其中k 。z ：。脱密过程为 m = c 2 c ；。m o d p 为了签名消息m ，用户a 随机选择e 。z ：，并计算 r = g m o d p ，s = ( 掰一z r ) 七m o d p - 1 ， 则亿一就是a 对消息m 的签名。b 验证签名的过程为 g “= y ：r r o o d p 下面就是我们新提出的p c c m p 协议，在此我们使用与文献 1 】相同的符号。 假设a 向b 发送邮件m ，p p c m p 的协议过程如下： 1 a 生成一个随机会话密钥b ，用对称密码算法加密m 得c = ，州舾。a 再 选一个随机数v 。z ：，计算 c l = g ”r o o d p ，c 2 = b