（计算机应用技术专业论文）set协议的安全机制研究与形式化分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着互联网的不断发展，在世界范围内掀起了一股电子商务热潮。而网 上电子支付的安全性却成为其发展的主要障碍。安全电子交易协议s e t ( s e c u r ee l e c t r o n i et r a n s a c t i o n ) 是由v i s a 和m a s t e r c a r d 所开发的，是 为了在i n t e r n e t 上进行在线交易时，保证信用卡支付的安全而设计开发的一 个开放规范。作者旨在研究和分析s e t 协议的安全机制，对形式化逻辑k a i f a r 进行了扩充，并用该逻辑对s e t 协议进行了形式化分析。 本文首先对s e t 协议的基本结构、证书管理和交易流程进行了分析，对 整个协议的安全机制进行了研究，包括协议中使用的加密算法、数据封装格 式和安全性。从分析结果来看，s e t 协议使用的加密算法已不再安全，而且 对系统的速度和交易成本有较大的影响。 然后，本文提出在s e t 中使用i d e a 算法代替d e s 算法，椭圆曲线算法代 替r s a 算法，并对新旧算法作了比较，分析了i d e a 算法和椭圆曲线密码体 制的安全性基础，以及目前存在的对这两种算法的攻击。设计了一种基于椭 圆曲线密码体制的认证、加密和签名方案，以代替r s a 算法，使网络交易的 安全性、性能和速度获得显著的提高。 最后，作者用b a n 逻辑分析了x 5 0 9 协议，发现了协议中存在的两个 缺陷，并提出了改进的建议。同时，对k a i l a r 逻辑进行了分析，指出了其逻 辑上存在的三个主要缺陷。在此基础上，本文对k m l a r 逻辑进行扩充，使之 不但可以分析协议的公平性，也可以用来分析电子证书、密文来源、签名密 文等，并用扩充后的k a i l a r 逻辑分析了s e t 协议，验证了s e t 协议的安全 性。 关键词：s e t 协议；椭圆曲线毒码体制；形式化分析；k a i l a r 逻辑 监：鋈三堡尘耋墼圭耋篁鲨兰 a b s t r a c t w i t ht h e e x p l o s i v eg r o w t ho fi n t e m e t ，e l e c t r o n i c c o m m e r c eh a s g r e a t l y d e v e l o p e dw i t h i nt h er a n g eo fw o r l d b u tt h es e c u r i t yo fe l e c t r o n i cp a y m e n to n n e t w o r kb e c o m e st h em a i no b s t a c l eo fi t s d e v e l o p m e n t t h es e c u r ee l e c t r o n i c t r a n s a c t i o n ( s e t ) w a sj o i n t l yf o r m u l a t e db y v i s aa n d m a s t e r c a r d ，w h i c hf e a t u r e s a o p e n n o r mt oe n s u r et h e s e c u r i t y o fc r e d i tc a r d p a y m e n tw h e n o n 1 i n e t r a n s a c t i o n sa r em a d eo ni n t e m e t a u t h o ra i m sa t s t u d y i n g a n da n a l y s i n gt h e s e c u r i t ym e c h a n i s mo fs e tp r o t o c o l ，e x p a n d sk a i l a rl o g i c ，a n dc a r r i e so nf o r m a l a n a l y s i so f s e t p r o t o c o lw i t l lt h i sl o g i c f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e st h eb a s i cs t r u c t u r e so fs e tp r o t o c o l ，c e r t i f i c a t e m a n a g e m e n t a n dt r a n s a c t i o n p r o c e s s e s t h e p a p e r s t u d i e st h ew h o l es e t p r o t o c o l ，i n c l u d i n g t h e e n c r y p t i q na l g o r i t h m s ，d a t ae n c a p s u l a t i o nm e t h o d sa n d s e c u r i t yu s e di n t h e p r o t o c 0 1 a c c o r d i n gt oa n a l y s i n gt h er e s u l t ，t h ee n c r y p t i o n a l g o r i t h m st h a ts e tp r o t o c o lu s e dh a sb e e na l r e a d yn ol o n g e rs a f e ，m a dh a sh e a v y i n f l u e n c et h es p e e do f t h es y s t e ma n dt r a d ec o s t s e c o n d l y , t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r du s i n gi d e aa l g o r i t h mt or e p l a c ed e s a l g o r i t h m ，e l l i p t i cc u r v ec r y p t o s y s t e mr e p l a c e sr s aa l g o r i t h m ，a n dh a sc o m p a r e d t h en e ww i t ht h eo l d t h ep a p e rh a sa l s o a n a l y s e dt h es e c u r i t yf o u n d a t i o n so f i d e a a l g o r i t h ma n de l l i p t i cc u r v ec r y p t o s y s t e m ，a n dh a ss t u d i e dt h ea t t a c ko ft w o a l g o r i t h m se x i s t i n g a t p r e s e n t t h i sp a p e rp r e s e n t s an e ws c h e m eo f a u t h e n t i c a t i o n ，d i g i t a ls i g n a t u r e a n d d i g i t a l e n v e l o p b a s e do n e l l i p t i c c u r v e c r y p t o s y s t e mw h i c hr e p l a c e sr s aa l g o r i t h m i ti sp r o v e dt h a tt h es c h e m eg r e a t l y i m p r o v e st h es e c u r i t y , p e r f o r m a n c ea n ds p e e do f i n t e r n e tt r a n s a c t i o n a tl a s t ，t h ea u t h o rh a sa n a l y s e dx 5 0 9p r o t o c o lw i 廿1b a n l o g i c h a s f o u n d t w od e f e c t s e x i s t i n g i nt h i s p r o t o c o l ，a n d h a s p u t f o r w a r dt h e s u g g e s t i o n i m p r o v e d b e s i d e s ，t h ep a p e rh a sa n a l y s e dt h ek a i l a rl o g i c ，a n dh a sp o i n t e do u t t h r e em a i nd e f e c t s e x i s t i n g i nk a i l a r l o g i c b a s e d o nt h i s k n o w l e d g e ，a n i m p r o v e m e n to nk a i l a rl o g i ci sp r o p o s e df o ra n a l y s i so ff a i r n e s si ne l e c t r o n i c c o m m e r c e p r o t o c o l s ，a n dc a nb eu s e df o ra n a l y s i n ge l e c t r o n i cc e r t i f i c a t e ，s o u r c eo f c i p h e r t e x t ，s i g n e dc i p h e r t e x t ，e t c t h ep a p e r h a sa n a l y s e ds e t p r o t o c o lw i t hk a i l a r 兰j ：鋈：! ；崔盔兰鎏圭兰堡垒兰 l o g i ca f t e re x p a n d i n g ，a n dh a sv e r i f i e dt h es e c u r i t yo f s e t p r o t o c 0 1 k e yw o r d s ：s e tp r o t o c o l ；e l l i p t i cc u r v ec r y p t o s y s t e m ；f o r m a la n a l y s i s ；k a i l a r l o g i c a l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其它个人或集体已经公开 发表的作品成果。对本文的研究作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。 作者( 签字) ：丝要 日期：2 口呼年工月乃目 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 1 1 1 电子商务的发展及其安全需求 随着互联网的不断发展，在世界范围内掀起了一股电子商务热潮。电子 商务( e l e c t r o n i cc o m m e r c e ) 是指在i n t e r n e t 开放网络环境下，基于浏览 器月r 务器方式，实现消费者的网上购物、企业之间的网上交易和在线电子支 付的一种新型的商业运营模式。电子商务对所有用户都是开放的，且比传统 商务更加方便、可靠和快捷m 。 电子商务的发展已成为不可阻挡的潮流，它代表了未来信息产业的发展 方向，将对全球经济和社会的发展产生深远的影响。目前电子商务已成为世 界信息产业的最大、最具活力的增长点1 2 】。而现阶段电子商务发展面临的最 大问题是如何保障电子商务交易过程中的安全性。交易的安全是网上贸易的 基础和保障，同时也是电子商务技术的难点，围绕电子商务安全的防护技术 已经成为目前电子商务研究的重点。在电子商务的交易过程中，必然涉及用 户的一些机密信息和利益 3 】。这就需要一个安全、可靠和公正的系统来维护 交易各方的利益不受侵害。 1 1 2 电子商务的支付系统 电子商务支付系统是电子商务系统的重要组成部分，它指的是消费者、 商家和金融机构之间使用安全电孑手段交换商品或服务，即把新型支付手段 包括电子现金、信用卡、智能卡等的支付信息通过网络安全的传递到银行或 相应的处理机构，来实现电子支付。根据系统中使用的支付工具不同，大致 可以将电子支付系统分为以下三大类： ( 1 ) 信用卡支付系统。用户网上发送信用卡号和密码，加密发送到银行 哈尔滨工程大学硕士学位论文 进行支付。当然支付过程中要进行用户、商家及银行的合法性验证。基于信 用卡的电子支付系统实现了w e b 的易用性和信用卡的便利性的结合【4 】。因此 该类系统成为目前主流的电子商务支付系统； ( 2 ) 电子现金系统。电子现金是以数字化形式存在的电子货币。它使交 易能匿名进行，即无法对交易过程进行追踪，交易者可以不暴露身份。这是 卡和支票模式无法实现的【5 】。目前的电子现金系统中，i g i c a s h 的e c a s h 是 电子货币的先驱之一，它用软件方式实现电子硬币，成为当前应用比较广泛 的系统； ( 3 ) 电子支票系统。支票模式模拟了现实生活中支票的使用。电子支票 系统的特点是支付过程中操作直接针对账户，对账户的处理即意味着支付的 进行，是一种“即时付款”的支付方法。在基于支票的支付协议中，比较有 前景的是f s t c 组织的e - c h e c k 。 1 1 3 电子商务协议的设计及形式化分析 电子商务是以互联网和信息技术为平台的经济交易活动。电子商务协议 是这类经济交易活动中不可缺少的重要组成部分。作为一类特殊的计算机网 络协议，电子商务协议的性能和功能有着特殊而且更高的要求。安全的电子 商务协议是保证电子商务活动正常开展的基础。安全电子商务协议的基础属 性是可用性、可控性、保密性、完整性、可认证性、可追究性、公平性和非 否认性i m 。此外，电子商务协议应当具有防止欺骗和防止攻击的能力。 电子商务协议是电子商务安全的基础。确保这些协议能够安全地运行是 极为重要的。虽然协议中需要传递的消息不是很多，但是其中的每一个消息 的组成都是经过巧妙设计的，而且这些消息之间有着复杂的制约关系。不同 的电子商务协议在方便性、安全性和风险等方面是不同的，不同的应用环境 对协议目标的要求也不相同【7 l 。 电子商务协议的分析是质量评判和设计改进的必要环节。目前常用的方 法有：直观分析方法、攻击检验方法和形式化分析方法。直观分析方法从协 议开发者的实际经验出发，凭设计者直观的感觉来判断协议是否符合设计要 求；攻击检验方法采用现有的一些对协议的有效攻击方法，逐个对协议进行 哈尔滨工程大学硕士学位论文 攻击，检验其是否具有抵御这些攻击的能力；形式化分析方法是基于形式化 数学模型、检验技术，借助于人工推导或者计算机辅助分析来评价电子商务 协议设计的性能 8 1 。直观分析方法所采用的检测手段不够严密，难免有疏漏 之处；攻击检验方法则需要在系统已建立之后才能检测出协议的错误。而形 式化分析方法可以在协议付诸实施之前，在信任密码算法本身的安全强度的 前提下，忽略算法的数学细节来讨论协议的安全性，通过形式化的逻辑推理 来寻找协议的漏洞。因此，它已成为信息安全领域的一个重要研究方向。 1 1 4 国内外的研究现状 从大的方面讲，在协议形式化分析方面比较成功的研究思路可以分为三 种：第一种思路是基于推理知识和信念的模态逻辑；第二种思路是基于状态 搜索工具和定理证明技术；第三种思路是基于新的协议模型发展证明正确性 理论。沿着第一种思路，b r a c k i n 推广了g n y 逻辑并给出了该逻辑的高阶逻 辑( h o l ) 理论，之后利用h o l 理论证明在该系统内与安全相关的命题：第二种 思路是近几年研究的焦点，大量一般目的的形式化方法被用于这一领域，取 得了大量成果，突出的成果有：l o w e 使用进程代数c s p 发现了 n e e d h a m s c h r o e d e r 公钥协议的未发现的漏洞；s c h n e i d e r 用进程代数c s p 归范了大量的安全性质；a b a d i 及g o r d o n 发展推演密码协议的s p i 演算；总 之，第二种思路至今仍是热点。第三种思路是推广或完善协议模型，根据该 模型提出有效的分析理论。在这方面t h a y e r 、h e r z o n 及g u t t m a n 提出的 s t r a n ds p a c e 理论是一个相当简洁的理论，它把以往使用过的许多思想及技 术融为一体。而s c h n e i d e r 基于c s p 的理论分析体系已引发许多工作。从最 近的国内学术期刊中，笔者了解到我国当前在这一领域的一些研究方向。从 分析的手段而言，我国学者在逻辑的方法和采用通用形式化分析方法上有一 些突出的工作。丁一强运用c s s 方法设计了一种协议分析语言，成功分析了 n e e d h a m s c h r o e d e r 公钥协议；张玉清运用s m v 工具分析n e e d h a m s c h r o e d e r 公钥协议；白硕提出了一种n d l 逻辑框架，结合非单调逻辑和动态逻辑，对 电子支付协议进行了分析，取得了一些成果m 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 课题的意义及研究内容 1 2 1 课题的意义 当前我国乃至世界的电子商务正在蓬勃发展，而其发展的主要障碍便是 网上电子支付的安全性问题。s e t 协议是由v i s a 和m a s t e r c a r d 公司联合开 发的基于信用卡的网上电子支付协议，问世以来以其良好的安全性得到了许 多公司的支持，成为网上交易安全通信协议的产业标准。在我国开展基于s e t 协议的电子交易系统的研究有着实际的意义。 s e t 协议的一些内容与中国的实际国情不相符，使用的加密算法也受到 美国法律的限制。对加密算法的研究，以便代替原有s e t 协议中的加密算法 和通过对协议进行严谨的形式化分析，检查协议是否达到其设计目标，是否 存在安全缺陷或冗余。这些研究可以降低整个支付系统的交易成本，提高交 易速度，对于促进我国电子商务和网上电子交易的发展，有着积极的作用。 1 2 2 课题的研究内容 ( 1 ) 分析s e t 协议和研究其安全机制 分析了协议的参与者、协议中所使用的证书的管理机制及s e t 协议的整 个交易流程。对协议中使用的公钥密码算法r s a 和对称密码算法d e s 的工作 原理和安全性进行了分析，刨析了s e t 协议中的数据封装格式，最后对协议 的安全性进行了研究。 ( 2 ) 椭圆曲线密码算法 密码技术是保证网络信息安全的核心技术。分析椭圆曲线密码体制的安 全性基础和s e t 协议中的加密方法，将r s a 密码体制和椭圆蓝线密码体制作 了比较，指出了椭圆曲线的优越性。考虑到椭圆曲线离散对数问题的难解性， 提出在s e t 协议中使用基于椭圆曲线密码体制的认证、数字签名和数字信封 方案。 ( 3 ) k a il a r 逻辑的扩充和对s e t 协议的形式化分析 随着电子商务的发展，电子商务协议的形式化分析也同渐成为信息安全 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 领域的重要研究方向。分析了常见的逻辑分析方法( b a n 逻辑和k a i l a r 逻辑) ； 由于k a i a r 逻辑存在不能分析协议的公平性缺陷，对k a i l a r 逻辑进行了扩 充，使之可用于分析电子商务协议的可追究性和公平性；用k a i l a r 逻辑分析 了s e t 协议。 1 3 作者的主要工作和论文的组织 本文是作者根据所作的工作进行组织安排的，具体组织方式如下： 第一章首先介绍电子商务的安全需要和网上支付的现状，指出电子支付 的安全性是电子商务发展的关键。对电子商务协议的形式化分析进行了说明， 指出了它的重要性和必要性。最后介绍了课题的意义、研究内容和论文的组 织。 第二章对s e t 协议进行了全面的分析。首先说明了协议的参与者，接着 详细的介绍协议中所使用的证书的格式、颁发、管理和撤销，最后分析了s e t 协议的整个交易流程。 第三章首先介绍了s e t 协议中的密码算法，对公钥密码算法r s a 和对称 密码算法d e s 的工作原理和安全性进行了分析。从分析结果来看，d e s 算法 已经不再适用，其安全性也不再可靠。接着说明了s e t 协议中的数据封装格 式，最后对协议的安全性进行了分析。 第四章探讨了在s e t 中使用i d e a 算法代替d e s 算法，椭圆曲线算法代 替r s a 算法的必要性，分析了i d e a 算法和椭圆曲线密码算法的安全性基础， 分析了目前存在的对这两种算法的攻击，并对新旧算法作了比较，指出了 i d e a 算法和椭圆曲线算法的优越性。设计了一种基于椭圆曲线密码体制的认 证、加密和签名方案，以代替r s a 算法。 第五章对b a n 逻辑和k a i l a r 逻辑的公式、公设及推理步骤进行了介绍， 并用b a n 逻辑分析了x 5 0 9 协议，发现了协议中存在的两个缺陷，并提出了 改进的建议。同时，对k a i l a r 逻辑的缺陷进行了分析，指出了i a i l a r 逻辑 存在的三个主要缺陷。 第六章对k a i l a r 逻辑进行公式和公设的扩充，使之不但可以分析协议 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ， 的公平性，也可以分析电子证书、密文来源等，并针对k a i l a r 逻辑无法分析 签名的密文这一不足，也作了一些必要的改进，并用扩充后的k a i l a r 逻辑分 析了s e t 协议，取得了满意的效果。 最后，对所做的工作加以总结，并提出了有待进一步探讨的问题。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 s e t 协议总述 第2 章s e t 协议的分析 安全电子交易协议s e t ( s e c u r ee l e c t r o n i ct r a n s a c t i o n ) 是由v i s a 和m a s t e r c a r d 所开发的，是为了在i n t e r n e t 上进行在线交易时，保证信用 卡支付的安全而设计开发的一个开放的规范。由于得到了i b m 、h p 、 m i c r o s o f t 、n e t s c a p e 、v e r 、g t e 、v e r s i g n 等大公司的支持，它已获得1 e e e 标准的认可。 s e t 非常详细而准确地反映了交易各方之间存在的各种关系。它定义了 加密信息的格式和付款支付交易过程中各方传输信息的规则。s e t 提供了持 卡人、商家和银行之间的认证，确保了网上交易数据的机密性、数据的完整 性及交易的不可抵赖性】。s e t 在一些国家中得到了很好的应用 2 2 s e t 协议的参与者 在s e t 协议系统中，交易的参与者主要有： ( 1 ) 持卡人( c a r d h o l d e r ) ：在电子商务环境中，持卡人通过计算机访 问电子商家，购买商品。为了在电子商务环境中安全地进行支付操作，持卡 人需要安装一套基于s e t 标准的软件( 通常嵌入在浏览器中) ，并使用由发卡 行发行的支付卡，而且需要从认证中心获取自己的数字签名证书； ( 2 ) 商家( m e r c h a n t ) ：在电子商务环境中，商家通过自己的网站向客 户提供商品和服务。同时商家必须与相关的收单行达成协议，保证可以接受 信用卡的支付。而且商家也需要从认证中心获取相应的数字证书( 包括签名 证书和交换密钥证书) ； ( 3 ) 发卡行( i s s u e r ) ：发卡行为每一个持卡人建立一个账户，并发放 支付卡。一个发卡行必须保证对经过授权的交易进行付款； 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 收单行( a c q u i r e r ) ：收单行为每一个网上商家建立一个账户，且 处理付款授权和付款结算等。收单行不属于安全电子商务的直接组成部分， 但它是授权交易与付款结算操作的主要参与者； ( 5 ) 支付网关( p a y m e n tg a t e w a y ) ：支付网关是指收单行或指定的第三 方运行的一套设备。它负责处理支付卡的授权和支付。同时，它要能够同收 单行的交易处理主机通信，还需要从认证中心获取相应的数字证书( 包括签 名证书和交换密钥证书) ； ( 6 ) 品牌( b r a n d ) ：通常金融机构需要建立不同的支付卡品牌，每种支 付卡品牌都有不同的规则，支付卡品牌将确定发卡行、收单行与持卡人和商 家之间的关系； ( 7 ) 认证中心( c e r t i f i c a r ea u t h o r i t y ) ：它负责颁发和撤销持卡人、 商家和支付网关的数字证书；同时，它还要向商家和支付网关颁发交换密钥 证书，以便在支付过程中交换会话密钥。 在实际的系统中，发卡行和收单行可以由同一家银行担当，支付网关也 可由该银行来运行，这些需要根据具体的情况来决定。 2 3s e t 协议的证书管理 数字证书是由其颁发机构( c a ) 进行数字签名的结构化文档，它把使用 者的某些属性和证书主体的公钥捆绑在一起。例如，持卡人的证书把持卡人 的签名公钥和持卡人的账号信息捆绑在一起，并用来认证使用该账号的合法 性。数字证书的作用主要是防止用户的公钥被恶意篡改。数字证书是安全电 子商务的基础，它被用来确认交易双方身份并用于交易双方会话密钥的交换。 为了使电子商务以一种安全的方式进行，必须建立正确的证书发放和认证机 制。 2 3 1 证书的格式 s e t 使用的证书采用公钥密码体制，遵循x 5 0 9 数字证书标准。证书包 含用户的身份信息、公钥和c a 的数字签名。任何一个信任c a 的通信方，都 堕玺鎏三堡盔主耍圭主垡鲨銮 西j 以通过验证对方数字证书上的c a 数字签名来建立起与对方的信任关系，并 且获得对方的公钥。为了保证c a 所签发证书的通用性，通常证书格式遵守 i t ux 5 0 9 标准。图2 1 给出了x 5 0 9 的证书格式。 怿降发者卜产翁公黼三融展 证书的版本标识符 ( 例如，版本3 j 标识证书的 唯一整数 用于 证书颁发者的| 证书的拥有者i 可选的颁发i 可选的扩展 唯一识别名i 的唯一标识符+ 者唯一标识l 证书的有效 证书的公钥 j 时间段可选的主体 算法识别符 图2 1 证书格式 2 3 2 证书的层次与证书链 根据s e t 标准，对证书通过信任级联关系用分层结构进行管理。s e t 定 义了一套完备的证书信任链，每个证书连接一个实体的数字签名证书。沿着 信任树可以到一个众所周知的信任机构，用户可以确认证书的有效性。例如， 一个持卡人的证书上联到发卡行证书( c c a ) ，c c a 又通过区域性c a ( g c a ) 一h 联到品牌c a ，直到根c a 。所有的基于s e t 协议的软件都知道根证书的数字签 名公钥，可用于验证每个证书1 。图2 2 描述了这种信任层次。 在s e t 中用户对根节点的证书是无条件信任的，如果从证书所对应的节 点出发沿着信任树逐级验证证书的数字签名，若能够到达一个已知的信任方 所对应的节点或根节点，就能确认该证书是有效的。换而言之，信任关系是 从根节点到树叶传播的。根密钥( r o o tk e y ) 由c a 自己签名发布，而根密钥 证书由软件开发商插入他们的软件中。软件通过向c a 发出一个初始化请求 ( 包括证书的h a s h 值) ，可以确定一个根密钥的有效性。根密钥也需定期更 换。为了保证根证书的真实性，根证书和下一次的替换密钥的公钥的散列值 一起颁发。在根证书被新的证书替代时，可通过验证证书中公钥的散列值与 堕玺鎏：堡銮主翟主主笙尘銮。 最近的旧证书一起颁发的散列值是否相同来对新证书的真实性进行验证。 s i g n a t u r e：表示用于签名的证书 k e ye x c h a n g e：表示用于密钥交换的证书 ( c a ) ：表示证书由c a 进行数字签名 图2 2s e t 协议中证书的层次模型 2 3 3 证书的颁发 s e t 的证书包括以下几种： ( 1 ) 持卡人证书( c a r d h o l d e rc e r t i f i c a t e s ) ：持卡人证书相当于支付 卡的电子表示，它可以由付款银行数字签名后发放。由于证书的签名私钥仅 为付款银行所知，所以证书中的内容不可能被任何第三方更改。持卡人证书 只有在付款银行的同意下发给持卡人。该证书同购买请求和加密后的付款指 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 令一起发给商家，商家在验证此证书有效后，就可以认为持卡人为合法的使 用者。持卡人的证书是一个数字签名证书，用于验证持卡人的数字签名，而 不能用于会话密钥的交换。任何持卡人只有在申请到数字证书之后，才能够 进行电子交易； ( 2 ) 商家证书( m e r c h a n tc e r t i f i c a t e s ) ：商家证书表示商家与收单行 有联系，收单行同意商家接受付款卡支付。商家证书由收单行数字签名后颁 发。商家要加入s e t 的交易至少要拥有一对证书：一个为签名证书，用来让 其他用户验证商家对交易信息的数字签名；另一个为交换密钥证书，用来在 交易过程中交换用于加密交易信息的会话密钥。事实上，一个商家通常拥有 多对证书，以支持不同品牌的付款卡： ( 3 ) 支付网关证书( p a y m e n tg a t e w a yc e r t i f i c a t e s ) ：支付网关证书 用于商家和持卡人在进行支付处理时对支付网；关进行确认以及交换会话密 钥，因此一个支付网关也应该拥有两个证书：签名证书和交换密钥证书。持 卡人在支付时从支付网关的交换密钥证书中得到保护他的支付卡账号及密码 的公开密钥。通常支付网关证书由付款卡品牌c a 发给收单行； ( 4 ) 收单行证书( a c q u i r e rc e r t i f i c a t e s ) ：收单行必须拥有一个证书 以便运行一个证书颁发机构，它接受和处理商家通过公共网络或私有网络传 来的证书请求和授权信息。收单行证书由付款卡品牌c a 发给收单行； ( 5 ) 发卡行证书( i s s u e rc e r t i f i c a t e s ) ：发卡行必须拥有一个证书以 便运行一个证书颁发机构，它接受和处理持卡人通过公共网络或私有网络传 来的证书请求和授权信息。发卡行证书由付款卡品牌c a 发给发卡行。 _ f 2 3 4 证书的撤销 证书的撤销是整个证书管理机构中最强有力的安全保障手段。它能够及 时避免由于证书的问题而影响s e t 交易。引发证书被撤销的原因很多，主要 是私钥的失窃或被破译、证书所含信息的更改等 1 2 】。证书的撤销功能在一定 程度上体现和延续了现今的信用卡管理体系，使证书达到或超过信用卡的安 全程度，从而充分保障了网上交易的正常进行。c r l ( c e r t i f i c a t er e v o c a t i o n l i s t ) 是证书撤销列表的简称。它是由x 5 0 9 协议定义的一种用于公布和分 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发含有被撤销证书的列表的机制。每个c a 都维护着一个自己的c r l ，用于公 布被撤销的由它所生成和签发的证书名单。 2 4s e t 协议的交易流程 s e t 安全电子交易的整个过程大体可分为以下几个阶段：持卡人( c ) 注 册、商家( m ) 注册、购买请求、付款授权和付款结算。 2 4 1 持卡人注册( c a r d h o i d e rr e g is t r a t i o n ) 持卡人c 在实施电子交易之前必须先向其金融机构( 发卡行) 注册登记， 以便得到一个签名证书。在这个过程中，c 为了保证信息的机密性，需要使 用c c a 的交换密钥的公钥。它是从c c a 的交换密钥证书( 在初始相应中由c c a 图2 3 持卡人申请证书的流程 注册的具体步骤如下： ( 1 ) c 向c c a 发送初始请求c a r d c i n i t r e q i 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) c c a 接到初始请求，生成初始响应c a r d c i n i t r e s ，并对初始响应进 行数字签名；c c a 把c a r d c l n i t r e s 连同证书一起发给c ： ( 3 ) 接到初始响应，并验证c c a 的证书；接着验证c c a 对响应的数字签 名； ( 4 ) c 输入账号，生成注册表请求r e g f o r m r e q ；c 随机生成对称密钥k 。， 用k 。对注册表请求消息加密，k 1 与账号一起用c c a 的交换密钥的公钥加密； c 发送加密后的r e g f o r m r e q 给c c a ； ( 5 ) c c a 用交换密钥的私钥解密k 。和账号，用k 】解密加密的r e g f o r m r e q ： ( 6 ) c c a 选择合适的注册表，生成注册表响应r e g f o r m r e s ，并对其进行 数字签名；c c a 发送加密的r e g f o r m r e s 及c c a 的证书给c ； ( 7 ) c 接收r e g f o r m r e s 并验证c c a 的证书；接着验证c c a 对注册表的数 字签名；c 产生一对公开秘密密钥s i g n a t u r ek e yp a i r 和一个秘密的用于 注册账号的随机数r ；c 填写注册表并生成证书请求c e r t r e q ； ( 8 ) c 生成由c e r t r e q 、c 的公开密钥和新生成的对称密钥k 。组成的消息， 并签名；c 将此消息用密钥k 3 加密，k 3 、r 。与账号一起用c c a 的交换密钥的 公钥加密；c 发送这个消息( 包括加密的账号和r 等) 给c c a ； ( 9 ) c c a 用交换密钥的私钥解密k 。、随机数r 。和账号，用k 3 解密加密后 的证书请求：c c a 验证c 的数字签名，用账户信息和注册表信息对c 进行必 要的验证( s e t 中没有具体规定) ；根据验证结果，c c a 生成随机数r 。，将r ：、 r 、c 的账号、有效期等信息的散列值包含在证书中，并签名，生成证书； ( 1 0 ) c c a 生成证书应答c e r t r e s ( 包含有加密的r 2 ) 并签名；c c a 将 c e r t r e s 用k 。加密后发送给c ； ( 1 1 ) c 验证c c a 的证书并用k 。解密消息c e r t r e s ；c 验证c c a 对证书的 数字签名后保留证书以及c c a 产生的秘密随机数r 。 在持卡人注册过程中要特别注意：( 1 ) c 的证书不直接包含c 的账号，而 是包含相关信息的散列值。因此仅有证书提供的信息是不可能推知出账号信 息的，这样就保护了持卡人的敏感信息；( 2 ) c 没有交换密钥证书，会话密钥 总是由c 产生并通过c c a 的交换密钥的公钥加密传递。 哈尔挟工程大学硕士学位论文 2 4 2 商家注册( m e r c h a n tr e g is t r a tio n ) 商家m 在进行电子交易之前，必须先向其金融机构( 收单行) 注册登记， 以便得到签名证书和交换密钥证书。而支付网关的证书获取过程同商家的一 图2 4 商家( 或支付网关) 申请证书的流程 注册的具体步骤如下： ( i ) m 发送初始请求m e a q c l n i t r e q 给m c a ； ( 2 ) m c a 接收到消息m e a q c l n i t r e q ，选择合适的注册表，生成初始响 应m e a q c l n i t r e s ，并对其进行数字签名；m c a 发送m e - a q c i n i t r e s 及m c a 的证书给m ： ( 3 ) m 验证m c a 对消息的数字签名，并产生两对公开秘密密钥： k e y e x c h a n g ep a i r 和s i g n a t u r ek e yp a i r ；m 填写注册表并生成证书请求 c e r t r e q ；m 生成请求和两个公开密钥构成的消息并签名；m 将消息用随机生 成的密钥k t 加密，k 。及m 的账户信息用m c a 的交换密钥的公钥加密；m 把消 息发送给m c a ； “ ( 4 ) m c a 收到消息，用交换密钥的私钥解密k 。和m 的账户信息，并用k 。 解密消息；m c a 验证m 的数字签名，使用m 的有关信息证实c e r t r e q ；根据验 证m c a 生成m 的证书并对其签名；m c a 生成证书响应c e r t r e s 并签名：m c a 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发送证书和c e r t r e s 给m ； ( 5 ) m 验证c e r t r e s 的签名，接着验证m c a 颁发的证书的数字签名，并 保留证书。 2 4 3 购买请求( p u r c h a s er e q u e s t ) 购物请求通常由持卡人m 发起，其具体步骤如下： ( 1 ) c 通过一定的方式挑选商品。选完后，c 发送初始请求给m ； ( 2 ) m 接收初始请求，并生成初始响应，对其进行数字签名；m 把初始 响应、m 和p g 的证书发送给c ； ( 3 ) c 接收到初始响应，并验证所有的证书；c 验证m 对初始响应的数 字签名；c 生成订单信息0 i 和付款指令信息p i ，并对o i 和p i 进行双数字签 名；c 用随机生成的对称密钥k 。对p i 加密，k 和c 的账户信息用p g 的交换 密钥的公钥加密；c 发送0 i 及加密的p i 给m ； ( 4 ) m 验证c 的证书及c 的双数字签名；m 处理购买请求，并生成购买 响应( 包括m 的证书) 并对其签名，发送给c ； ( 5 ) 若交易已经授权，则m 履行合同； ( 6 ) c 接收购买响应后，验证m 的证书，进一步验证h l 对购买响应的数 字签名；c 保留购买响应。 在购买请求中，双数字签名的作用是使商家可以验证o i 和p i 是由持卡 人进行签名的，但商家却不能够看到p i 的具体内容；而对于支付网关而言， 它也能够验证0 i 和p i 是由持卡人进行签名的，但它不能够看见o i 的具体内 容。使用双数字签名的好处是不仅能够对消息源、消息完整性进行认证，而 且使信息得到了最大程度的保护。 2 4 。4 付款授权( p a y m e n ta u t h o r iz a tio n ) 在购买请求的过程中m 还要在发送购买响应之前完成付款授权，其具体 步骤如下： ( 1 ) m 生成授权请求，并对其进行签名；m 将授权请求用随机生成的对 称密钥加密，则用p g 的交换密钥的公钥加密；m 将加密后的信息和m 的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 证书一起发送给p 6 ： ( 2 ) p g 验证m 的证书，用自己的交换密钥私钥解密瞄，用解密授权请 求；p g 验证m 对授权请求的签名；接着，验证c 的证书，用自己的交换密钥 私钥解密k 。，用k 。解密付款指令p i ；p g 验证c 的双数字签名，验证m 的授 权请求与c 的付款指令的一致性；p g 将授权请求通过金融网络发送给c 的金 融机构； ( 3 ) p g 生成授权响应并对其进行数字签名，用k 。对授权响应加密，而 k 。用m 的交换密钥公钥加密；p g 生成结算标记并签名，并用k 4 加密，k 及c 的账户信息用p g 的交换密钥公钥加密；p g 将加密的响应及自己的证书发送 给m ； ( 4 ) m 验证p g 的证书，用自己的交换密钥私钥解密b ，用k 3 解密响应消 息；m 验证p g 对授权响应的数字签名，m 保留结算标记供以后使用，并完成 购买请求。 2 4 5 付款结算( p a y m e n tc a p t u r e ) m 在履行合同之后要求结算付款。在付款授权和付款结算之间经常有较 长的时间间隔。具体的付款结算步骤如下： ( 1 ) m 生成结算请求，并把自己的证书加入结算请求中，进行数字签名； m 将结算请求用k 5 加密，k 用p g 的交换密钥公钥加密，发送加密的结算请求 及在授权过程中保留的加密了的结算标记给p g ； ( 2 ) p g 首先验证m 的证书，用自己的交换密钥私钥解密k 5 ，用k 5 解密结 算请求；p g 验证m 对结算请求的数字签名，用自己的交换密钥私钥解密k 4 ， 用k 解密结算标记，确认结算请求与结算标记的一致性； ( 3 ) p g 生成结算响应消息( 包括p g 的证书) ，并签名；p g 将结算响应 用k 加密，k 。用m 的交换密钥公钥加密，最后，发送给m ； ( 4 ) m 验证p g 的证书，用自己的交换密钥私钥解密k 。，用k 。解密结算响 应；m 验证p g 对结算响应的签名，保留结算响应以便用来从收单行提款。 堕玺鎏三堡銮兰鎏圭兰垡鲨兰 2 5 本章小结 本章对s e t 协议的基本结构、证书管理和交易流程进行了介绍。在s e t 协议中，交易的参与方包括持# 人、商家、发卡行、收单行和支付网关。交 易由持卡人发起，通过复杂的加密变换来实现交易的安全性。在s e t 协议中， 充分考虑了持卡人，商家和银行的利益，交易过程中交易各方都可以认证对 方身份，并在交易结束时保存有交易凭证。在s e t 协议中有一个关键的认证 机构c a ，它根据x 5 0 9 标准发布和管理证书。由于s e t 协议的关键是密钥的 加解密过程，而证书又