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基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 摘要 摘要 目前，校园网的认证大多基于用户名口令方式，这种认证方式面临众多攻击和 泄露风险，比如：网络窃听、认证信息截取重放、病毒、黑客等。传统的口令认证 方式已经无法满足大规模网络应用的安全认证需求。因此建立一套新的校园网身份认 证机制对校园网的安全具有重要的意义。 公钥基础设施( p k i ) 通过第三方信任机构一认证中心( c a ) 发布证书将用户公钥和 用户的身份绑定在一起，从而可以为校园网上各种应用提供机密性、完整性和身份鉴 别等方面的安全保障。 论文的具体研究和实现工作包括以下几个方面： 本文首先对密码学技术进行了深入的研究，在密码学知识的基础上深入了解 p k i 相关理论。 通过对公钥基础设施p i g 的实体模型的研究，从分析加密算法、数字签名和 研究p k i 原理、c a 认证机制等途径，结合学校的组织结构特点和校园网的 特点为校园网设计了一个单c a 多r a 结构的认证中心模型。 深入研究证书c r l 的格式及编码方式。 利用o p e n s s l 编码工具对石河子大学校园网c a 认证中心进行具体实现。其 中包括：证书申请、证书审核、证书制作、证书注销等。 在认证中心的基础上，实现校园网的认证系统。 系统测试，并给出了数字证书的具体应用实例。 关键词：公钥基础设施，认证中心，数字证书，o p e n s s l ，校园网 作者：周淑萍 指导老师：陆建德 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a u t h e n t i c a t i o no nc a m p u sn e t w o r ki sm o s t l yb a s e do n u s e r p a s s w o r dw a y ， w h i c hi sn o to n l ye a s yt ob es t o l e nb u ta l s ou n s u i t a b l et ob em a n a g e d b e s i d e s ，t h ew a yi s u n a b l et oi n s u r et h ei n t e g r i t y ，c o n f i d e n t i a l i t yo fm e s s a g et r a n s f e r r e db yi n t e m e t , t h u s b u i l d i n gn e wc a m p u sn e t w o r ka u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s mh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h e s a f e t yo fc a m p u sn e t w o r k c ai st h ec o r ea n di m p o r t a n tp a r to fp k i a st h et r u s t e dt h i r dp a r t y ，c ai sc h a r g e d w i t he n t i t ya u t h e n t i c a t i o n c aa f f i r m st h ee n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ，t h e nb i n d st h ee n t i t y s p u b l i ck e ya n di t si d e n t i t yt o g e t h e rb ys i g n i n gi nt h ee n t i t y sc e r t i f i c a t e ，i no r d e rt o g u a r a n t e ec o n f i d e n t i a l i t y ，i n t e g r i t y , a n da u t h e n t i c a t i o nf o rt h ei n t e m e ta p p l i c a t i o n t h e r e b y , t h ep a p e rs t u d i e st h ea u t h e n t i c a t i o np r i n c i p l ea n di m p l e m e n t ss e v e r a la s p e c t si n c l u d ea s f o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep a p e rs t u d i e st h em o d e mc r y p t o l o g yt h o r o u g h l y o nt h eb a s eo f c r y p t o l o g y , t h ep a p e rd i s c u s s e sr e l e v a n tt e c h n o l o g yo fp k i m a k e - r e s e a r c ho np k ie n t i t ym o d e l ，a n da n a l y z et h ee n c r y p t oa l g o r i t h m ，t h e d i g i t a ls i g n a t u r e ，p k io p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc aa u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s m t h e p a p e rh a sd e s i g n e dac e r t i f i c a t ea u t h o r i t ym o d e lo fs i n g l ec aa n dm u l t i p l er a a c c o r d i n gt ot h eu n i v e r s i t yf r a m e w o r ko fo r g a n i z a t i o na n dt h ec a m p u sn e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c s f u r t h e rr e s e a r c ho nc e r t i f i c a t i o n c r lf o r m a ta n d c o d i n g b ym e a n so ft h eo p e n s s lc r y p t ol i b a r a r y , t h ep a p e ri m p l e m e n t st h es h i h e z i u n i v e r s i t yc a m p u sn e t w o r kc at h a ti n c l u d e sc e r t i f i c a t ea p p l i c a t i o n ，c e r t i f i c a t e a u d i t i n g ，c e r t i f i c a t ei s s u e i n ga n dc e r t i f i c a t er e v o c a t i o n r e a l i z et h ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e mo fc a m p u sn e t w o r kb a s e do nc e r t i f i c a t i o n c e n t e r m a k e ss y s t e mt e s t i n g ，a n dg i v e sa p p l i c a t i o ns a m p l e so f d i g i t a lc e r t i f i c a t i o n k e y w o r d s ：p k i ，c a ，d i g i t a lc e r t i f i c a t e ，o p e n s s l ，c a m p u sn e t w o r k i i w r i t t e nb yz h o us h u p i n g s u p e r v i s e db yl uj i a n d e 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提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，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：j 蜀最蓥日期：2 。p 艿f 2 z 研究生签名：j 型浓叠 日期：2 加艿f 2z 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：峄日 勋签名：耻日 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计第一章绪论 第一章绪论 本章首先阐述校霞两审季l 入p k i 技术盼泌要蛙，然露在分析国内外p k i 发展瑰状的基础土， 提出了本文要研究和解决的i t - 1 题，随屠介绍了论文的相关工作和组织结构。 1 1 课题背景 随着我国教育信息化的推进，校园网建设也进入了一个相对成熟的时期。在加强 校园网硬件设施建设的同时，校园网中的信息应用系统也得到了广泛应用。然而随着 应用系统的不断增多( 如电子邮件、图书馆数据库资源访问、学生选课系统、网络登 录和计费系统、网络教学平台、电子公告服务等) ，也带来了各种各样| 、藤题，如：用 户信息在网上明码传输，受黑客攻击的可能性非常大( 尤其是一些敏感数据) ；用户 面对多个系统要重复输入帐号、网令等信息，不仅烦琐，更重要的是容易出现口令丢 失，而，旦口令丢失就会造成不可估量的损失；亦存在系统间数据冗余，维护繁琐等 等问题。这样的状况既给校园网用户带来了众多不便，也使技术支持单位不堪重受， 更甚者存在严重的安全隐患。那么，如何构建一个安全的信息基础设施平台，茺校园 网的各种应用系统提供良好的运行环境，使校园内的各种资源不遭受到自然和人为的 破坏，成为了学校网络管理者迫切需要解决的问题。 公钥基础设施( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ，p k i ) 瑟墩术能较好地满足这一需求， p k i 就是通过自动管理密钥和证书，可以为用户建立起一个安全的网络运行环境，使 用户可以在多种应用环境下方便的使用加密和数字签名技术，从而保证网上数据传输 的机密性、完整性、有效性和不可否认性1 2 】。 由予我国p k i 技术发展较晚，p k i 的应用目前主要集中在一些商韭领域或大型机 构中，并主要为电子商务、电子政务的开展提供一个安全的基础平台，校园网若采用 第三方开发的p k i 系统一般花费较高，而且也并不定适用。因而本论文的主要任务 是研究内部c a 的建立与应用，并以具体的石河子大学校园网环境为其研究背景。建 立内部c a ，可以节约成本、便于管理和进行扩展。运行一个内部c a 的成本低于提 供相应服务的成本，特别是从长远来看，这耪成本的节约更为甓曼。另终，本系统作 为一个在校园网中使用的系统，学校本身有其行业的一些特点，具有统一的管理，能 够直接控制申请证书者的身份，从而确保其安全性，这使得比较容易采用基于p k i c a 的身份认证策略。本课题的圈标就是研究用于校园网环境认证的内部c a 系统的建立 第一章绪论基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 方法以及认证技术在校园网上的具体应用。 1 2 国p qg l p kl 发展的现状 1 2 1 国外p ki 发展的现状 随着电子商务全球化，各国都十分重视p k i 体系的建设与研究。在大力发展电子 商务、电子政务以及网络经济的同时，各国都强调通过规范p k i 体系建设，加强政府 管理和监控，以符合国家利益。在发达国家，p k i 技术发展较为成熟，发达国家对 p k i 体系标准处于主导地位。为了占据p k i 整个信息安全和网络环境中的制高点，美 国和欧盟先后在北美和欧洲成立了p k i 论坛等区域性非政府性组织，以协调有关产 业、科研、应用关系，推动发展，扩大和规范市场。 美国为推进p k i 在联邦政府范围内应用，1 9 9 6 年成立了联邦p k i 领导委员会。 1 9 9 9 年，p k i 论坛成立。到2 0 0 0 年4 月，美国总统克林顿又签署了美国的全球及 全国商业电子签名法，这是美国历史上第一部联邦级的电子签名法。这一法律的签 署，极大地推动了电子签名、数字证书的应用。 英国政府也将p k i 作为首选的信息安全解决途径，实际需求驱动了政府内部采用 p k i 的推广。英国政府将支持并促进p k i 与其他技术( 如生物特征识别，智能卡等) 的 融和，积极推动p k i 领域的各种合作，加强与产业和政府各部门的合作。 而加拿大政府已经直接介入了涉及政府p k i 应用的软件开发和系统集成，以及相 关法规、标准和建设指导原则的建设，制定了加拿大p k i 建设的发展规划和策略。 此外，许多国外的企业开展了p k i 的研究。开发p k i 产品比较有影响力的有 v e r i s i g n 和e n t r u s t 。v e r i s i g n 3 作为r s a 的控股公司，借助r s a 成熟的安全技术，提 供了p k i 产品，为用户之间的内部信息交互提供安全保障。v e r i s i g n 也对外提供c a 服务，包括证书的发布和管理等功能，并且同一些大的生产商，如m i c r o s o f , n e t s c a p e 和j a v a s o f l 等，保持了伙伴关系，在i n t e m e t 上提供代码签名服务。e n t r u s t 作为北方 电讯( n o r t h e m t e l e e o m ) 的控股公司，从事p k i 的研究与产品开发己经有多年历史了， 并一直在业界保持领先地位，拥有许多成熟的p k i 及配套产品，并提供了有效的密钥 管理功能。 1 2 2 国内p kl 发展的现状 我国在p k i 领域的研究虽然起步较晚，但保持着迅速发展的态势。目前，国内己 经建成了8 0 多个大型的p k i c a 认证中心，发放数字证书的总量已经超过5 0 0 万张， 在银行、证券、邮政快递、政府等行业得到了广泛应用。国内的c a 机构主要分为区 2 撼于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 第一章绪论 域型、行业型、商业型和企业型四类 4 】。已成立区域型认证中心的城市有：上海、天 津等，己成立的行业性认证中心有：中国电信c a ( c t c a ) 、外经贸部c a 、中国金 融认诬中，g , ( c f c a ) 。另外，部分电子商务应用比较先进的企业也建立了鸯己的认证 中心，如招商银行等一批商业银行。在研究方面也有，北京大学、山东大学、上海交 通大学，吉林大学等国内名校在p k i 方面都取得令人瞩目的成果。另外，也涌现出了 如吉大正元、信安世纪，格尔等一批在p k i 上有成熟产品的大型公司。 1 3 论文内容与相关工作 本论文从信息安全的基本理论和安全技术高发，系统性地阐述了公钥基础设p k i 的整体框架，重点对c a 中心的认证技术进行了分析，比较完整地规划了校匿网c a 认证中心的设计思想，对其巾的主要模块做出了具体的实现。同时，利用数字证书的 认证来确保校园网用户身份的真实性，最终使教职工可以安全有效地使用校园网信息 系统的各种资源。论文所做的具体工作有： 深入研究p k i c a 技术的理论基础，主要包括对称密码技术，非对称密码技 术，数字签名技术和数字信封技术；掌握p k i c a 认证的原理，p k i c a 系统 模型的组成模块及各模块的功能，p k i c a 服务的认证性、不可否认性和机 密性，p k i 的典型应用。 深入研究证书c r l 的格式及编码方式。 结合我校校园网的实际情况，提出了适合我校c a 认证中心的整体设计方案， 并对c a 的逻辑结构及各子系统实现的功能进行分析和设计； 在系统的整体设计方案的基础上，实现了一个功能完备的c a 认证中心系统。 系统功能主要包括证书的申请、证书豹审核、证书的签发、证书的撤销以及 证书的验证等等； 比较了基于口令和基于p k i c a 的这两种认证方式的优缺点。提出了在校园 网采用p k i c a 的这种强认证机制。在c a 的基础上，设计并实现了校园网 的认证系统。 1 。4 论文的组织结构 本文的总体结构大致分为三个部分：第一部分为p k i 理论研究部分，包括第一至 第二章；第二部分为系统设计实现、分析和测试部分，包括第三章至第七章；第三部 分是第八章总结全文。论文具体安排如下： 第一章( 即本章) ，讲述了课题的背景，主要从信息安全需求的角度引入了p k i ， 第一章绪论基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 并介绍了国内外的p k i 的研究现状和发展前景，从论文的结构讲述了所完成的工作。 第二章，介绍了具体的应用密码学技术以及相关的p k i 信息安全技术。 第三章，对证书认证系统进行整体的设计，包括整体设计思想和主要功能模块的 设计过程。 第四章，深入研究证书c r l 的格式及编码方式。 第五章，给出数字证书认证系统关键技术的研究和核心功能模块的实现。 第六章，在c a 认证中心的基础上，实现校园网的统一认证系统。 第七章，系统测试，并给出了数字证书的具体应用实例。 第八章，总结全文的工作和以后需要进一步研究的方面。 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 第二章公钥基础设施p k i 相关技术 第二章公钥基础设施p kl 相关技术 本章介绍了p k i 的基本概念，组成，功能，标准和常用密码技术，最后介绍了 p k i 的几个最为广泛的应用和未来的发展趋势 2 1p ki 的概念 p k i 是基于公钥密码体制，提供公钥加密和数字签名等安全服务的具有普适性的 安全基础设施。基础设施可以视为一个具有普遍适应性的基础，在遵循需要的原则下， 使不同的实体都可以方便地使用基础设施所提供的服务【5 1 。p k i 作为一种信息安全基 础设施，为整体应用系统中任何需要安全应用和服务的对象实体使用。它采用证书管 理公钥，通过可信第三方的认证机构c a ，把用户的公钥和用户其他信息( 如名称、 电子邮件、身份证号等) 捆绑在一起，在公钥加密技术基础上对证书的产生、管理、 存储、发布以及作废进行管理，并通过延伸到用户本地的接口为各种应用提供安全服 务，包括认证、身份识别、数字签名、加密等。 2 2p ki 常用密码技术 p k i 是以公开密钥密码学【6 j 为基础的，它用到了大量的密码学知识，相关的密码 理论是p k i 系统最重要的理论基础。下面主要介绍p k i 中常用的几种密码技术。 2 2 1 对称密码技术 对称密码算法是指加密密钥和解密密钥为同一密钥的密码算法。因此，当信息的 发送者和信息的接收者在进行信息的传输与处理时，必须共同持有该密钥( 称为对称 密钥) ，并保持此密钥的秘密。其工作原理如图2 1 【7 】所示。 对称密钥对称密钥 密文 _ 图2 1 对称密码算法 对称密码技术的优点在于效率高( 加解密速度能达到数十兆秒或更多) ，算法简 单，系统开销小，适合加密大量数据。但它也存在着明显的缺陷，包括： 进行安全通信前需要以安全方式进行密钥交换。直接的面对面交换密钥是不 第二章公钥基础设施p k i 相关技术基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 现实而且难于实施的，所以双方可能需要借助于电子邮件和电话等其它相对 不够安全的手段来进行密钥交换。 密钥的数目难于管理。因为对于每一个合作者都需要使用不同的密钥，很难 适应开放社会中大量的信息交流。 不能提供信息完整性的鉴别。无法验证发送者和接收者的身份。 对称密钥的管理和分发工作是一件具有潜在危险和烦琐的过程。对称加密是 基于共同保守秘密来实现的，采用对称加密技术的双方必须保证采用的是相 同的密钥，保证彼此密钥的交换是安全可靠的，同时还要防止密钥泄密和更 改密钥。 常见的对称密钥加密技术有：d e s 、3 - d e s 、i d e a 、a e s 等。d e s 是一种分组 密码，它使用长度为6 4 位的分组。3 - d e s 是d e s 的种替代加密方案。它是用d e s 和多个密钥进行多次加密，这样可以保护在软件和硬件设备方面的己有投资。它有两 种形式，一种是两个密钥的三重d e s ，另一种是三个密钥的三重d e s ，许多i n t e m e t 的应用都采用了三个密钥的d e s ，如p g p 和s i m i m e 。 2 2 2 非对称密码技术 非对称密码算法又称公开密钥算法，其加密密钥与解密密钥不同，不可能由加密 密钥解出解密密钥【引。每个用户都有两个密钥：一个为在信息团体内公开的密钥，称 为公钥，一个由用户秘密保存，称为私钥。任何人欲传送信息给接收方时，可将信息 使用该接收方公布的公钥加密后传送给接收方。当接收方收到此加密后的信息，利用 自己与此公钥对应的私钥解密密文。其工作原理如图2 2 所示。 接收方公钥接收方私钥 密文 图2 2 非对称密码算法 与对称密码技术相比较，利用非对称密码技术进行安全通信，有以下优点： 通信双方事先不需要通过保密信道交换密钥。 密钥持有量大大减少。在1 1 个用户的团体中进行通信，每一用户只需要持有 自己的私钥，而公钥可放置在公共数据库上，供其它用户取用。这样，整个 团体仅需拥有n 对密钥，就可以满足相互之间进行安全通信的需求。非对称 6 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计第麓章公钥基础设施p k i 相关技术 密码技术还提供了对称密码技术无法或很难提供的服务：如与哈希函数联合 运用可组成数字签名，可证明的安全伪随机数发生器的构造，零知识证明等。 使用非对称密码技术的主要缺点是：加解密速度慢、耗用资源大。一般来说， 实用的加j 解密方案都综合运用了对称密码技术和非对称密码技术。 j常用的公开密钥加密技术有：r s a ，d i f f i e h e l l m a n ( d h ) ，d s a 和e c c 椭圆曲 线加密算法。 2 2 3 消息摘要 消息摘要就是发送者对被传送的信息根据某种数学算法计算出此信息的摘要 值，并将此摘要值与原始信息一起通过网络传送绘接收者，接收者应用此摘要僮来检 验信息在传输过程中有没有发生改变。 消息摘要是由单向散列函数【9 】【1 田计算得到的。单向散列函数是一个单向的不可 逆的数学算法，信患经此算法处理后产生消息摘要，但不能由此摘要还原回原来的信 息，这样就保证了报文的机密性。 单向散列函数是公开的，这样接收方在收到报文和消息摘要后，用同样的单向 散列函数处理收到的报文，得到新的消息摘要，只要比较两个消息摘要是否相等，就 可以确定收到的信息在传送的过程中是否被篡改( 对原文数据哪怕改交一位数据，消 患摘要将会发生很大变化) 。消息摘要的具体过程如图2 。3 所示。 比较 图2 3 消息摘要 消息摘要的长度由算法类型决定，常用的算法有m d 5 、s h a 1 i n 】等。m d 5 按5 1 2 位数据块为单位来处理输入，产生1 2 8 镶的消息摘要。s h a 与m d 5 的设计原理类似， 月样也按5 1 2 位数据块为单位来处理输入，但它产生1 6 0 位的消息摘要，具有比m d 5 更强的安全性。i n t e m e t 上现在推荐的是安全散列算法( s 姒) 。s h a - 1 是s h a 的改 进版本。产生1 6 0 位消息摘要，虽然速度更慢，但是更安全，摘要原文的长度可以达 到6 4 位长，在西前数字签名中被广泛地使用瑟2 1 。 消息摘要可以看作一个等印，正如根据一个手印可以单一鉴定出一个人，人们希 第二章公钥基础设施p k ! 相关技术基于p k 的石大校园网认证系统研究与设计 望通过消息摘要单一鉴定出一个任意长度的信息。这些特性使消息摘要在数字签名中 得到应用。 2 2 。4 数字信封 数字信封类似于普通信封，普通信封在法律的约束下保证只有收信人才能阅读信 的内容。数字信封则采用密码技术保证了只有规定的接收人才能阅读信息的内容【1 3 】。 它结合了对称密码技术和非对称密码技术的优点，克服了对称密钥加密中秘钥分发困 难和非对称密钥加密时间长的缺点，使用两个层次的加密来获得非对称密钥加密技术 的灵活性和对称密钥技术的高效性，保证了信息的安全性。数字信封的具体过程如图 2 4 所示。 接收方公钥接收方私钥 图2 4 数字信封 当发送方需要发送信息时，首先生成一个对称密钥，用该对称密钥加密要发 送的数据； 发送方用接收方的公钥加密上述对称密钥； 发送方将上述步骤的结果传给接收方： 接收方用自己的私钥解密被加密的对称密钥； 接收方用得到的对称密钥解密被发送方加密的信息。 从以上步骤可以看出：数字信封技术在外层使用非对称加密技术，可以享受到非 对称加密技术的灵活性；由于内层的对称密钥长度通常较短，所以在对其进行非对称 加密时的效率也比较高；而且由于可以在每次传输时使用不同的对称密钥，系统的安 全性也获得了提高。 有了对称加密技术和非对称加密技术以及配套的数字信封技术，信息传输的保密 性得到了解决，但还不能确认发送者的身份，这需要采用数字签名技术来解决。 8 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计第篡章公钥基础设施p k i 相关技术 2 2 5 数字签名 数字签名是指发送方使用私钥对要发送的数据进行加密处理，任何拥有与该私钥 相对应的公钥都可以将之解密。因为私钥只有发送方拥有，鼠保密不外泄，所戬以该 私甥加密的信息霹以看成是发送方对该信息的签名【1 5 】。数字签名雳来保证信息传输过 程中信息的完整性和提供信息发送方的身份认证和不可否认性。 数字签名的过程如图2 5 所示【1 6 】。 首先是发送方对欲发送消息生成消息摘要； 然怎发送方使孀私钥对这个消息摘要进行加密运算形成数字签名； 数字签名和消息组合一并发送给接收方； 接收方首先对接收到的消息生成消息摘要； 接收方使用发送方的公钥对接收到的数字签名进行解密； 如果两者的消息摘要值相同，那么就能够确认该签名就是发送方的，否煲| 拒 绝该签名。 纂向教列磁数 发送方禚锈 图2 5 数孚签名 最常用的一些公钥数字签名算法有r o nr i v e s t 、a d is h a m i r 和l e o n a r d a d l e m a n ( r s a ) 算法和数字签名标准( d s s ) 。d s s 与r s a 相比，d s s 生成密钥时速 度更快一些，在生成签名时的性能差不多，但进行签名验证时要慢得多。 ，+ 2 3p kl 的系统结构 p i g 系统由多种认证机构及各种终端实体组件所构成，其结构模式一般为多层次 第二章公钥基础设施p k i 相关技术基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 树状结构。p k i 公钥证书系统的构成是基于x 5 0 0 系列目录协议，p i g 公钥证书是基 于目录存储认证的x 5 0 9 公钥证书标准。 2 3 1p k i 模型 p k i 的实体模型在p k i 标准r f c 2 5 1 0 中定义如图2 6 所示【1 7 】。 图2 。6p k i 模型 此模型是p k i 证书管理和应用系统的一个通用模型结构，描述了p k i 系统中的 组件和它们之间的相互关系以及消息传递的过程。从模型中可以看出，在p i g 系统中 参与交互的主要是用户实体和管理实体：用户实体不仅仅包括使用p k i 系统的客户端 用户，还可以包括其他应用程序( 如i p s e c ，s s l ) ；管理实体主要是指实现p k i 系统 各大功能的c a 和r a 中心。 2 3 2p ki 的组成 一个完整的p k i 应具备以下功能：根据x 5 0 9 标准发放证书，产生密钥对，管理 密钥和证书。为用户提供p k i 服务，如用户安全登录、增加和删除用户、恢复密钥、 检验证书等。 完整的p k i 系统包括认证机构( c a ) 、数字证书库、密钥备份及恢复系统、证 书撤消处理系统和p k i 应用接口系统，一般构建p i g 也是围绕这五个系统进行的。 ( 1 ) 认证机构 认证机构是整个p i g 的核心，它主要的功能有证书发放、证书更新、证书撤消和 证书验证。c a 的核心功能就是发放和管理数字证书，具体描述如下【19 】： 接收验证最终用户数字证书的申请； 确定是否接受最终用户数字证书的申请证书的审批： l o 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计第二章公钥基础设施p k i 相关技术 向申请者颁发或拒绝颁发数字证书证书的发放； 接受、处理最终用户的数字证书更新请求证书的更新； 接受最终用户数字证书的查询、撤消； 产生和发布证书注销列表( c r l ) 。 ( 2 ) 数字证书库 数字证书库是c a 颁发证书和撤消证书的存放地，用户可以从此处获得其他用户 的证书和公钥。c a 颁发数字证书用来捆绑用户真实世界的身份和公钥，但是如果用 户不能够很容易的找到证书，那么就和没有创建证书一样。因此，必须使用某种稳定 可靠的、规模可扩充的在线数据库系统，以便用户能够找到安全通信需要的证书。所 以数字证书库是p k i 系统的一个重要组成部分，可以采用包括x 5 0 0 、l d a p 、w e b 服务器、f t p 服务器、企业数据库等在内的数据库技术。构造数字证书库的最佳方法 是采用支持l d a p 协议【2 0 】的目录系统，用户或者相关的应用通过l d a p 来访问证书库。 ( 3 ) 密钥备份和恢复系统 因为某种原因用户可能丢失了解密数据的密钥，密钥的丢失将导致那些被密钥加 密过的数据无法恢复而造成数据的丢失。为了避免这种情况的发生，p k i 提供了密钥 备份与解密密钥的恢复机制，这就是密钥备份与恢复系统。 一个证书的生命周期主要包括三个阶段：证书初始化注册阶段、证书颁发阶段和 取消阶段，密钥的备份和恢复就发生在初始化注册阶段和证书的颁发阶段。 密钥备份 用户在申请证书的初始化阶段，如果注册声明公私钥对用于加密，出于对数据的 机密性考虑，在初始化阶段，可信任的第三方机构c a 即可对该用户的密钥和证书进 行备份。用户用于数字签名的私钥是绝对不能备份的，因为数字签名是用于支持不可 否认性服务的。 密钥恢复 密钥恢复功能发生在密钥管理生命周期的颁发阶段，是对终端用户因为某种原因 而丢失的加密密钥给以恢复。这种恢复由可信任的密钥恢复中心或c a 来完成。密钥 的恢复和密钥的备份一样，只适合于用户的加密密钥，签名私钥不应恢复，因为这样 将影响到提供不可否认服务问题。 ( 4 ) 证书撤消处理 证书撤消列表( c e r t i f i c a t er e v o c a t i o nl i s t ，c i u ) 中记录尚未过期但已声明作废 的用户证书序列号，证书撤消是p k i 中非常重要的一个组件，作废证书通过将证书列 第二章公钥基础设施p k i 相关技术基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 入c r l 来完成，供证书使用者在认证对方证书时查询使用。通常，系统中由c a 负 责创建、更新及维护c r l 。 ( 5 ) p k i 应用接口系统 p k i 的价值在于使用户能够方便地使用加密、数字签名等安全服务，因此一个完 整的p k i 必须提供良好的应用接口系统，使得各种各样的应用能够以安全、一致、可 信的方式与p i e d 交互，确保安全网络环境的完整性和易用性。 2 4p ki 的功能 p k i 提供了一整套安全机制，其主要包括以下一些功能： 产生、验证和分发密钥 根据密钥生成模式不同，用户公私钥对的产生、验证及分发有两种方式：用户自 己产生密钥对，这种方式适合于分布式密钥生成模式。c a 为用户产生密钥对，这种 方式适合集中式密钥生成模式。 签名和验证 在p k i 体系中，对信息和文件的签名，以及对数字签名的验证都是很普遍的操作。 其数字签名和验证可采取多种方法，如r s a ，d e s 等。 证书的获取 在验证信息的数字签名时，用户必须事先获取信息发送者的公钥证书，以对信息 进行解密验证，并验证发送者身份的有效性。证书可以由发送者附带，接收者从发布 证书的目录服务器获取等多种方式得到。 验证证书 验证证书的过程时迭代寻找证书链中下一个证书和它相应的上级c a 证书。在检 查每个证书前必须检查相应的c r l 。用户检查证书的路径从最后的一个证书的有效性 开始，一旦验证通过，提取该证书的公钥，用于检查下一个证书，直到验证完发送者 的签名证书，并用该证书的公钥验证签名。这个过程是回溯的。 保存证书 保存证书是指p k i 实体本地存储证书，以减少在p k i 体系中获得证书的时间，并 且提高签名的效率。证书存储单元对证书进行定时维护，包括与最新发布的c r l 比 较作废或过期的证书。 证书废止的申请 当p k i 中某实体的私钥被泄漏时，被泄密的私钥对应公钥证书应该作废。另一种 情况是证书持有者终止该证书使用或与某组织的关系终止，该证书也应该作废。证书 1 2 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 第：章公钥基础设施p k i 相关技术 终止的方式有两种：如果是密钥泄漏，证书持有者可以直接通知相应c a ；如果是因 关系中止，则由原关系中组织方面通知c a 。 密钥的恢复 在密钥泄密、证书作废后，为了恢复p k i 实体的业务处理和产生数字签名，泄密 实体将获得一对新的密钥，并要求c a 产生新的证书。每一个实体产生新的密钥时， 会获得c a 用新私钥签发的新证书，而原来用泄密的密钥签发的旧证书将作废，并放 入c 弛。 c r l 的获取 每一个c a 均可以产生c r l 。c r l 可以定期产生，也可以每次有证书作废请求后 实时产生。c a 应将其产生的c r l 及时发送到目录服务器上去。c r l 的获取可以有多 种方式：c a 产生c r l 后，囱动发送给下属各实体。大多数情况下，由使用证书的各 p k i 实体从目录服务器中获得相应的c r l 。 密钥更新 在密钥泄密的情况下，将产生新的密钥和证书。在密钥没有被泄密的情况下，密 钥也应定时更换。更换的方式有多种，p k i 体系中的各实体可以在同一天，也可以在 不同时间更换密钥。不管哪种方式，p i r j 中的实体都应该在密钥截至日期之翦获得薪 的密钥对和新证书。 交叉认证 交叉认证就是多个p k i 域之间实现互操作。交叉认证实现的方法有多种：一种方 法是桥接c a ，即用一个第三方c a 作为桥，将多个c a 连接起来成为个可信任麴 统一体；另一种方法是多个c a 的根c a ( r c a ) 互相签发根证书，这样当不同p k i 域中 的终端用户沿着不同的认证链检验认证到根时，就能达到互相信任的目的。通常网络 信任关系通过信任关系树来实现，但是通过交叉认证机制，会缩短信任关系路径，提 高效率。 2 。5p kl 提供的是曼务 p k i 是以公开密钥技术为基础，以数据的机密性、完整性和不可抵赖性为安全层 的而构建的认证、授权、加密等硬件、软件的综合设施。到目前为止，完善并正确实 施的p k i 系统是全面解决所有网络交易和通信安全问题的最佳途径。一般认为p k i 提供以下主要的安全服务：认证服务、完整性服务、机密性服务、不可否认性等。 认证服务 认证服务即身份识别与鉴别，就是确认实体即为其声明的实体，鉴别身份的真伪 第二章公钥基础设施p k 相关技术基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 【7 1 。如甲乙双方的认证，甲首先要验证乙的证书的真伪。当乙在网上将证书传送给甲 时，甲首先要用c a 的公钥解开证书上c a 的数字签名，如果签名通过验证，证明乙 持有的证书是真的：接着甲还要验证乙身份的真伪，乙可以将自己的1 ：3 令用自己的私 钥进行数字签名传送给甲，甲已经从乙的证书中或从证书库中查得了乙的公钥，甲就 可以用乙的公钥来验证乙用自己独有的私钥进行的数字签名。如果该签名通过验证， 乙在网上的身份就确凿无疑。 完整性服务 数据完整性服务就是确认数据没有被修改。实现数据完整性服务的主要方法是数 字签名，它既可以提供实体认证，又可以保障被签名数据的完整性。这是哈希算法和 签名算法提供的保证，哈希算法的特点是输入数据的任何变化都会引起输出数据的不 可预测的极大变化，而签名是用自己的私钥将该哈希值进行加密，和数据一起传送给 接收方如果敏感数据在传输和处理过程中被篡改，接收方就不会收到完整的数据签 名，验证就会失败。反之，如果签名通过了验证，就证明接收方收到的是没有经过修 改的完整数据。 机密性服务 p k i 的保密性服务采用了“数字信封 机制，即发送方先产生一个对称密钥，并 用该对称密钥加密敏感数据。同时，发送方还用接收方的公钥加密对称密钥，就像把 它装入一个“数字信封 。然后，把被加密的对称密钥( 数字信封，) 和被加密的敏 感数据一起传送给接收方。接收方用自己的私钥拆开“数字信封 ，得到对称密钥， 再用对称密钥解开被加密的敏感数据。 不可否认性服务 不可否认性服务是指从技术上保证实体对其行为的认可。在这中间，人们更关注 的是数据来源的不可否认性、接收的不可否认性以及接收后的不可否认性。此外还有 传输的不可否认性、创建的不可否认性和同意的不可否认性。 公证服务 p k i 中的公证服务与一般社会公证人提供的服务有所不同，p k i 中支持的公证服 务是指“数据认证”，也就是说，公证人要证明的是数据的有效性和正确性，这种公 证取决于数据验证的方式。例如，在p k i 中被验证的数据是基于h a s h 值的数字签名、 公钥在数学上的正确性和签名私钥的合法性。 以上是p k i 提供的主要的服务，这些服务并不是互相独立的，而是相辅相成， 互为依靠的。例如，在认证服务中，同时也实现了完整性服务与不可否认性服务，当 1 4 基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计第三章公钥基础设施p k i 相关技术 然这些服务都要以对信息的加、解密为基础。 2 6p kl 的标准 随着p k i 的发展和应用的不断普及，p k i 的产品也越来越多，为了保持多个产品 之间的兼容性，标准化成了p i g 不可避免的发展趋势。从整个p k i 体系建立与发展 的历程来看，与p k i 相关的标准主要包括以下一些： x 5 0 0 信息技术之开放系统互联 x 5 0 0 是一套己经被i s o 接受的目录服务系统标准，它定义了一个机构如何在全 局范围内共享其名字和与之相关的对象。x 5 0 0 是层次性的，其中的管理域可以提供 这些城内的用户和资源信息。在p k i 体系中，x 。5 0 0 被用来唯一标识一个实体。x 。5 0 0 被认为是实现目录服务的最佳途径。 x 5 0 9 信息技术之开放系统互联 x 5 0 9 是由国际电信联盟( r r u - t ) 制定的数字证书标准。在x 5 0 0 确保用户名称唯 一性的基础上，x 。5 0 9 为x 。5 0 0 黑户名称提供了通信实体的鉴别机制，并规定了实体 鉴别过程中广泛适用的证书语法和数据接口。 x 5 0 9 证书由用户公开密钥和用户标识符组成。此外还包括版本号、证书序列号、 c a 标识符、签名算法标识、签发者名称、证书有效期等信息。这一标准的最新版本 是m o m ，它定义了包含扩展信患的数字证书【2 玎。该版数字证书提供了一个扩展信息 字段，用来提供更多的灵活性及特殊应用环境下所需的信息传送。 p k c s 系列标准 是一套针对p k i 体系的加解密、签名、密钥交换、分发格式及行为标准，该标准 飘前已经成为p k j 体系中不可缺少的一部分。到1 9 9 9 年底，p k c s 已经公布了以下 标准【2 2 】【2 3 1 ： p k c s # 1 ：定义r s a 公开密钥算法加密和签名机制，主要用于组织p k c s # 7 中所 描述的数字签名和数字信封。 p k c s # 3 ：定义d i f i e - h e l l m a n 密钥交换协议。 p k c s # 5 ：基于口令的加密标准：描述了使用由口令生成的密钥来加密八位位组 串并生成一个加密的八位位组串的方法。主要用于加密从一个计算机传送到另一个计 算机的私人密钥，不能用于加密消息。 p k c s # 6 ：描述了公钥证书的标准语法，主要描述x 5 0 9 证书的扩展格式。 p k c s # 7 ：定义一种通用的消息语法，包括数字签名和加密等用于增强的加密机 制，p k c s # 7 与p e m 兼容，所以不需其它密码操作，就可以将加密的消息转换成p e m 第二章公钥基础设施p k i 相关技术基于p k i 的石大校园网认证系统研究与设计 消息。 p k c s # 8 ：私钥信息语法标准：描述私有密钥信息格式，该信息包括公开密钥算 法的私有密钥以及可选的属性集等。 ： p k c s # 9 ：定义一些用于p k c s # 6 证书扩展、p k c s # 7 数字签名和p k c s f l 8 私钥 加密信息的属性类型。 p k c s # 1 0 ：描述了证书请求的语法。 p k c s # 1 l ：称为c y p t o k i ，定