（计算机应用技术专业论文）基于pki技术的单点登录系统研究.pdf

湖北_ 7 - 业大学硕士学位论文 摘要 p k i ( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e 公钥基础设施) 是目前网络安全建设的基础与 核心，是电子商务安全实施的基本保障，它提供了一个密钥和证书的管理平台， 能够为所有网络应用透明她提供加密和数字签名等密码服务及所必需的密钥和 证书管理，从而有效地保证了重要信息的机密性、完整性和用户身份的合法性。 单点登录( s i n g l es i g n o n ，简写为s s o ) 则是为了克服用户享受网络内的很多 独立性很强的异质服务所需的多次重复登录带来的一系列问题( 比如服务系统和 投资成本过于庞大、重复建设、用户身份的安全性下降等) 而出现的一种登录机 制。 考虑到以上两种技术各自的优势以及相互之间潜在的联系，本文讨论了以p k i 框架为基础的单点登录模型，并给出了以n e tf r a m e w o r k 作为开发平台的技术解 决方案。此模型采用了一个基本的p k i 实现方案，负责单点登录用户证书和密钥的 发放和管理；同时为客户端用户提供登录的客户端程序，以组件形式为应用服务 商提供获取和识别用户访问票据的服务；此外，负责控制用户的登录过程、用户 身份的合法性认证和生成访问票据的模块以w e b 服务的方式来实现。这样既解决了 用户多次登录带来的繁琐不便又降低了异质服务单位系统的复杂性，避免了重 复建设，降低了成本。该解决方案真正实现了用户以统一的身份一次登录即可访 问所有资源p k i 机制的加入保证了安全的用户身份信息能够避免常见的攻击方 法，w e b j 务和组件技术的引入也为系统今后的扩展提供了方便。本文首先介绍了 p k i 的基本架构和单点登录的基本概念，接着从系统模型架构设计、身份认证过程 以及系统技术实现方案这三个方面详细作了介绍，最后对于本模型的安全性能给 予了评价，指出其存在的不足以及改进的方案，并对其发展前景作了展望。 关键词：p k i 单点登录密钥身份认证 i l i 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep k i ( p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ) i sc u r r e n t l yt h ef o u n d a t i o na n dc o r eo ft h e n e t w o r ks e c u r i t yc o n s t r u c t i o n s ，i st h eb a s i cg u a r a n t e eo ft h es a f ee l e c t r o n i cc o m m e r c e i m p l e m e n t p k ip r o v i d e sam a n a g e m e n tp l a t f o r mo fk e y sa n dc e r t i f i c a t e s i n o r d e rt o t r a n s p a r e n t l yp r o v i d et h es e r v i c e s o fe n c r y p t i o na n dd i g i t a ls i g n a t u r ef o ra l ln e t w o r k a p p l i c a t i o n s ，w h i c hc a ne f f e t e l yg u a r a n t e et h es e c r e t ，i n t e g r i t yo f s o m ev e r yi m p o r t a n t i n f o r m a t i o n ，a n dl e g i t i m a c yo fu s e r s i d e n t i t y t h e t e c h n i q u eo fs i n g l es i g n o n ( s i n g l es i g n - o n ，c a l l e d s s of o rs h o r t ) i sak i n do f l o g i n n i n g m e c h a n i s ms oa st om a i n l yo v e r c o m e sm u c ht r e m e n d o u s m c o r l v e n l e n c e r e s u l t i n gf r o mu s e r s l o g i n n i n gr e p e a t e d l ym a n y t i m e sw h i l ee n j o y i n gs om a n yv a r i o u s i n d e p e n d e n c es e r v i c e s ( e g s e r v i c es y s t e m sa n di n v e s t m e n tc o s t s e n o r m i t y ，r e p e t i t i v e w o r k sa n di d e n t i t yv e r i f i c a t i o ns e c u r i t y sw e a k n e s s ) c o n s i d e r i n gt h ea b o v e t w o t e c h n i q u e s r e s p e c t i v ea d v a n t a g e sa n dr e l a t i o n s h i pe a c h o t h e r ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h es i n g l es i g n - o n ( s s o ) s y s t e mb a s e do np k i ( p u b l i ck e y i n f r a s t r u c t u r e ) a n dp u t sf o r w a r dt oac o n c r e t es o l u t i o ns c h e m er e g a r d i n g n e ta st h e d e v e l o p i n gp l a t f o r m t h i ss s os y s t e ma d o p t s o n es i m p l ep k ir e a l i z a t i o n w h i c hi s r e s p o n s i b l e f o r i s s u i n g a n dm a n a g i n ga l l k e y sa n dc e r t i f i c a t e s ，i s s u i n g o n eu n i q u e c e r t i f i c a t ef o re a c hu s e r ；m e a n w h i l e ，t h i ss y s t e mp r o v i d e sl o g i n n i n gs e r v i c ef o rc l i e n t s a n da c q u i r i n gt i c k e t sf o ra p p l i c a t i o ns e r v i c ep r o v i d e r s ；m o r e o v e r , t h ef u n c t i o n so f c o n t r o l l i n gu s e r s l o g i n n i n ga n di d e n t i t yv e r i f i c a t i o na r ea c h i e v e db ym e a n so fw e b s e r v i c e s ot h e t r e m e n d o u si n c o n v e n i e n c e r e s u l t i n g f r o m l o g i n n i n gr e p e a t e d l y ， c o m p l e x i t y o fd i f f e r e n ts e r v i c e s y s t e m s ，r e p e t i t i v ec o n s t r u c t i o na n de n l a r g e m e n to f i n v e s t m e n tc o s t s ，c a na i lb ee f f e c t i v e l ya v o i d e d ；i na d d i t i o n ，t h i ss o l u t i o ns c h e m e a c t u a l l yb r i n g sa b o u tl o g i n n i n go n l yo n et i m et ov i s i ta l l r e s o u r c e sh e l p st or e d u c et h e d u p l i c a t eo ft h e u s e r si d e n t i t y ，t h es e c u r ei d e n t i t yi n f o r m a t i o nc a na l s oa v o i ds o m e f a m i l i a ra t t a c km e t h o d sr e s u l t i n gf r o mt h ep k im e c h a n i s m ，a n dt h et e c h n o l o g i e so f w e bs e r v i c ea n dc o m p o n e n th e l pt o e x p a n d i n g t h i s s y s t e m n i s a r t i c l e f i r s t l y i n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r eo fp k la n dt h ec o n c e p to fs s o ；s e c o n d l yt h ed e t a i l e d i n t r o d u c t i o ni sm a d ei nt h r e er e s p e c t so fs s o s y s t e m m o d e ls t r u c t u r ed e s i g n i n g ，i d e n t i t y v e r i 母i n gp r o c e s sa n dp l a no fc a r r y i n go u tt h i ss y s t e m ；f i n a l l yt h ee v a l u a t i o ni sm a d e a b o u tt h es y s t e m s s e c u r i t yp e r f o r m a n c ea n dt h ed e v e l o p i n gp r o s p e c to ft h i s s s o m o d e sl o o k e di n t o k e y w o r d s ：p u b l i c k e y i n f r a s t r u c t u r es s o k e y i d e n t i t yv e r i f i c a t i o n 湖北工业大学硕士学位论文 湖北工业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，是本人在导师指导下， 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， 本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或 者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做 出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学 位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 签名。下董牛翘 伊一，年口狷日1 日 湖北工业大学硕士学位论文 学位论文版权使用授权书 本人完全了解湖北工业大学关于收集、保存、使用学位论 文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的 印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子 版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的 阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交 论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可 以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：叩至牢起 1 ，。r 年口6 月。1 日 p 。y 牛山月。日 湖北工业大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 网络安全与管理 在信息化社会的今天，人们对计算机特别是计算机网络的依赖性日益增强， 越来越多的重要信息和相关数据资源出现在网络中。通过网络获取和交换数据和 信息的方式己成为当前主要的信息沟通方式之一，并且还有不断发展的趋势。特 别是近年来i n t e r n e t 规模的爆炸式增长，网络上各种新业务( 如网上银行、电子 商务、电子政务等) 的新奇以及各种专用网络( 如金融网、教育网等) 的建设， 使得如何保障网络安全成为目前个急需解决的问题。“病毒”、“黑客”在网 上的横行，不仅造成了巨额的经济损失，也在用户的心理及网络发展的道路上投 下巨大的阴影。 i i i 网络安全威胁 所谓的安全威胁是指某个实体( 人、事件、程序等) 对某一资源的机密性、 完整性、可用性在合法使用时可能造成的危害。这些可能出现的危害，是某些个 别用心的人通过一定的攻击手段来实现的。 网络安全具备四个方面的特征，即机密性、完整性、可用性及控制性川。而下 面的四个基本安全威胁直接针对这四个安全目标。 1 ) 信息泄露：信息泄露给某个未经授权的实体。这种威胁主要来自窃听、搭 线等信息探测攻击。 2 ) 完整性破坏：数据的一致性由于受到未授权的修改、创建、破坏而损坏害。 3 ) 拒绝服务：对资源的合法访问被阻断。 4 ) 非法使用：某一资源被非授权人或以非授权方式使用。 1 1 2 网络安全机制 针对这些主要的安全威胁，相应的用来实施安全服务的机制也出现了。安全 机制既可以是具体的、特定的，也可以是通用的。主要的安全机制有以下几种： 加密机制、数字签名机制、访问控制机制、数据完整性机制和公证机制等1 “。 加密机制用于保护数据的机密性。它依赖于现代密码学理论，一般来说加密 湖北工业大学硕士学位论文 解密算法是公开的，加密的安全性主依赖于密钥的安全性和强度。 数字签名机制是保证数据完整性及不可否认性的一种重要手段。数字签名在 网络应用中的作用越来越重要。它可以采用特定的数字签名机制生成，也可以通 过某种加密机制生成。 访问控制机制实体认证密切相关。首先，要访问某个资源的实体应成功通过 认证，然后访问控制机制对该实体的访问请求进行处理，查看该实体是否具有访 问所请求资源的权限，并作出相应的处理。如果访问控制机制实施成功，则大多 数的攻击将不构成威胁。同时，访问控制必须得当，控制机制过于复杂和严密， 将导致网络性能下降甚至不好用。 数据完整性机制用于保护数据免受未经授权的修改。该机制可以通过一种单 向的不可逆函数一散列函数来计算出消息摘要，并对消息摘要进行数字签名来实 现。 公证机制由通信各方都信任的第三方提供。由第三方来确保数据完整性、数 据源、时间及目的地的正确。例如一个必须在截止期限前发送的消息必须带有可 信时间服务机构提供的时间戳，以证明自己的提交时间。该时间服务机构可以在 消息上直接加入时间戳，必要时还可对消息进行数字签名。 加密机制、数字签名机制、访问控制机制以及认证交换等机制有效地、针对 性地为网络中的用户提供了安全保障，但无论是从我国还是全世界范围来看，网 络安全状况都是不容乐观的。随着网络技术的不断发展，网络安全已成为国家与 国防安全的重要组成部分，同时也是国家网络经济发展的关键。 1 2p k i 与网络安全 为了解决互联网的安全问题，世界各国进行了多年的研究，初步形成了一套比 较成熟和完善的互联网安全解决方案一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 ，公开 密钥基础设施) 。p k i 产生于二十世纪八十年代，它是在公开密钥理论和技术基础 上发展起来的一种综合安全平台，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，从而达到保证信息传输的机密性、 真实性、完整性和不可否认性p i ，以保证信息的安全传输和交易的顺利进行。利用 p k i 可以方便地建立和维护一个可信的网络计算环境，从而使得人们在这个无法直 湖北_ t - 业大学硕士学位论文 接相互面对的环境里，能够确认彼此的身份和所交换的信息，能够安全地从事商 务活动。不难看出，建立以p k i 为基础的安全解决方案，已成为无论是在i n t r a n e t 上的无纸办公，还是电子商务应用系统、乃至电子政务系统等网络应用的安全基础 和根本保障。 p i e d 可以解决绝大多数网络安全问题，并初步形成了一套完整的解决方案，它 是基于公开密钥理论和技术建立起来的安全体系，是提供信息安全服务的具有普 适性的安全基础设施。该体系在统一的安全认证标准和规范基础上提供在线身份 认证，是c a 认证、数字证书、数字签名以及相关安全应用组件模块的集合。作为 一种技术体系，p k i 可以作为支持认证、完整性、机密性和不可否认性的技术基础， 从技术上解决网上身份认证、信息完整性和抗抵赖等安全问题，为网络应用提供 可靠的安全保障。但p k l 绝不仅仅涉及到技术层面的问题，还涉及到电子政务、 电子商务以及国家信息化的整体发展战略等多层面问题。p k i 作为国家信息化的基 础设施，是相关技术、应用、组织、规范和法律法规的总和，是一个宏观体系， 其本身就体现了强大的国家实力。p k i 的核心是要解决信息网络空间中的信任问 题。确定信息网络空间中各种经济、军事和管理行为主体( 包括组织和个人) 身 份的惟一性、真实性和合法性，保护信息网络空间中各种主体的安全利益h j 。 1 。3 单点登录技术和网络安全 用户为了登录许多不同的系统需要记忆大量的口令密码，这给用户带来了不 小的麻烦，为了记住它们，用户不得不选择些简单的信息作为口令，这样一来大 大降低了安全性，特别是在企业级的应用中，简单的口令将带来巨大的安全隐患。 除此以外，采用i d 口令对的认证方式是极不安全的，i d 和口令在网络上以明文的 方式传输，很容易被攻击者截取到，从而给合法用户带来巨大的损失。 基于效率和安全的因素，人们迫切需要改变传统的认证方式，设计出一种更为 高效，安全的网络认证机制，从而简化访问网络资源的过程，单点登录的概念由此 产生，它只要求用户在网络中主动地进行一次身份认证，随后便可以访问其被授权 的所有网络资源，而不需要再主动参与其它的身份认证过程。除此以外，单点登录 系统从根本上抛弃了传统认证中用户名密码以明文传输的方式，而是采用了结合 密码学技术的新的认证机制，从而提高了整个系统的安全性i s l 。 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 国内外研究现状 目前国内外已经存在一些成熟的单点登录产品或者规范。在国外，m i c r o s o f t 的n e tp a s s p o r t 就是我们最为常见的s s o 认证平台，m s n 的用户登录以及管理就 是在此平台上进行的j 6 j 。使用n e tp a s s p o r t 实旌s s o 的最大缺点是，如果某个应 用系统的登录认证方式采用n e tp a s s p o r t ，则对该应用系统的集成存在较大难度， 甚至需要对原有的应用系统作较大的改动才能符合n e tp a s s p o r t 的认证接口，同 时采用此体系的应用系统同时也必须构建在w i n d o w s 平台服务器上。而在国内， 安盟的s e c u r i d 系统则是国内最为成熟的产品之一，此系统在认证时，安盟s e c u r i d 向授权的员工登记发放令牌，生成令牌码，并且令牌码随时间而发生变化| _ ”。每 6 0 秒就会生成一个随机令牌码，用于认证用户身份的安盟认证服务器能够验证这 个变化的代码是否有效。每个认证令牌都是难一的，通过记录以前的令牌码是不 能预测未来的令牌码，结合令牌码用户必须提供其记忆的p i n ，这样。如果某个用 户提供了一个正确的p i n 和令牌码，我们就可以高度确信该用户即是合法用户。这 样的做法固然有很强的安全性，但是令牌的领取，每次需使用不同的令牌码，会 造成用户使用上诸多不便；同时对令牌码生成、时间的漂移、同步有很高的要求， 也就造成系统在这方面的复杂程度。另外它对1 日系统的集成也存在缺陷。 1 5 论文课题研究的目的和意义 研究的目标 p k i ( 公钥基础设施) 为我们提供了一个在许多安全场合普遍适用的技术体系， 它为我们提供了许多良好的安全特性：机密性、完整性、身份合法性以及不可否 认性，本着构建一能够确保身份安全、数据安全基础设施的原则，本文提出了在 s s o ( 单点登录) 中充分结合p k i 技术以使得用户在实现“一次登录，访问所有授 权资源”的同时确保安全身份认证、重要数据信息安全保护的解决方案。 研究的内容 主要讨论了在p k i 安全框架下的b s 和c s 应用系统的单点登录平台的实现， 包括基于p k i 的身份认证、票据信息等数据安全的保护措施、管理平台下的用户 管理、权限分配和审计功能、为服务资源提供的票据验证模块等。 研究的意义 针对传统的重复登录应用的模式，新的登录模式逐渐出现：网络用户可以基 湖北工业大学硕士学位论文 于最初访问网络时的一次身份验证，对所有被授权的网络资源进行无缝的访问。 从而提高网络用户的工作效率，降低网络操作的费用，并提高网络的安全性。本文 所讨论的基于p k i 技术的单点登录技术正是为了实现以上的需求考虑而设计的， 它充分利用了p k i 原理，通过加密和签名等机制有效地保证了用户在“一次登录， 访问所有授权服务”的同时，信息的机密性、完整性、身份的合法性；s s o 管理平 台也提供了大量用户身份、权限以及登录日志等重要信息的集中管理，也在一程 度上提高了整个系统的安全性能。 1 6 论文的组织结构 本模型是在n e t 平台下开发，其加密和签名的算法主要利用了n e tf r a m e w o r k 所提供的一些安全类，在系统架构方面，以w e bs e r v i c e 作为登录用户身份验证 及访问票据产生的载体，有利于本系统模型的扩展。 本文共分七章。 第一章介绍了p k i 和单点登录技术发展现状以及本论文研究的目的与意义。 第二章主要介绍了p e i 的基本概念、组成、实现原理及p e i 服务；同时也讨论 了单点登录技术的主要概念，并与传统的登录模型进行了比较，也介绍了几种常 用实现技术，最后指出了应具备的安全特性； 第三章介绍了n e tf r a m e w o r k 对本系统技术上的支持，包括它所提供的许多 密码术类库，以及在本模型中充当用户身份验证及访问票据产生中介的w e b 服务 技术： 第四章讨论了本系统架构上的设计思路，包括s s os e r v e r 端、用户登录客户 端进程、身份认证和票据产生模块，以及服务资源获取并验证票据模块的介绍。 第五章介绍了用户单点登录的流程及在登录过程中用户身份认证及访问票据 产生的过程： 第六章讨论了本单点登录系统整个模型的方案设计。然后针对模型中每个部 分从技术实现的角度分析了所采用的方法和思想。 第七章则分析了本系统的安全性能，并对其优劣势进行了评价，最后对其发 展前景作了展望。 湖北工业大学硕士学位论文 - - - _ _ - _ _ _ - - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ 一i i i i _ _ - _ - - _ - _ _ _ - - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ - - _ - _ - _ _ _ l _ _ _ _ - _ i _ - - - _ _ _ _ _ - - - _ l _ - - _ _ 第2 章p k i 技术和单点登录概述 利用p k i 中信息保密技术和身份认证技术所提供的良好安全特性，基于p k i 技术之上的单点登录系统应该是可以在让用户享受单点登录所带来的方便和快捷 的同时，确保重要信息的机密性和完整性。本章将分别简要地介绍p k i 技术和单 点登录技术各自的特点以及优势。 2 1p k i 技术概述 2 1 1p k i 简介 p k i ( p u b l i ek e yi n f r a s t r u c t u r e ，公钥基础设施) 是一种遵循一定标准的密钥管理 平台，它能够为所有网络应用透明地提供加密和数字签名等密码服务及所必需的 密钥和证书管理体系。由于是作为基础设施，因此它应该是某个大环境下普遍适 用的系统和准则。公共密钥基础设施( p k i ) 希望从技术上解决网上身份认证、电子 信息的完整性和不可抵赖性等安全问题，为网络应用( 如浏览器、电子邮件、电子 交易) 提供可靠的安全服务。 p i g ( 公钥基础设施) 技术采用证书管理公钥，通过第三方的可信任机构一认 证中心c a ( c e r t i f i c a t e a u t h o r i t y ) ，把用户的公钥和用户的其他标识信息( 如名称、 e m a i l 、身份证号等) 捆绑在一起，在i n t e r n e t 网上验证用户的身份。目前，通用 的办法是采用基于p 结构结合数字证书，通过把要传输的数字信息进行加密， 保证信息传输的保密性、完整性，签名保证身份的真实性和抗抵赖。 2 1 2p k i 基本组成 p k i 作为一组在分布式计算系统中利用公钥技术和x 5 0 9 证书所提供的安全 服务，企业或组织可利用相关产品建立安全域，并在其中发布密钥和证书。p k i 在实际应用上是一套软硬件系统和安全策略的集合，它提供了一整套安全机制， 使用户在不知道对方身份或分布地很广的情况下，以证书为基础，通过一系列的 信任关系进行通讯和电子商务交易。 一个典型的p k i 系统包括p k i 策略、软硬件系统、证书机构c a 、注册机构r a 、 证书发布系统和p k i 应用等“”。而一个简单的p k i 系统包括证书机构c a 、注册机 构r a 和相应的p k i 存储库。c a 用于签发并管理证书；r a 可作为c a 的一部分，也 可以独立，其功能包括个人身份审核、c r l 管理、密钥产生和密钥对备份等；p k i 6 湖北工业大学硕士学位论文 存储库包括l d a p 目录服务器或普通数据库，用于对用户申请、证书、密钥、c r l 和日志等信息进行存储和管理，并提供一定的查询功能。 1 ) 认证机构( c a ) c a 是证书的签发机构，证书其实是c a 签发的对特定用户公钥的合法性、完整 性的证明。在p k i 体系中，更准确的讲是在公钥体制中要维护正常的安全服务秩 序，必须能向使用者证明公钥的合法性。，因此，在公钥体制环境中，必须有一个 可信的机构来对任何一个主体的公钥进行公证，证明主体的身份以及他与公钥的 匹配关系。c a 正是这样一个确保信任度的权威实体，它的主要职责是颁发证书、 验证用户身份的真实性，实现了对申请注册证书的申请者的身份的验证以及颁发 可用于证明该身份的数字证书的过程。它要制定政策和具体步骤来验证和识别用 户身份，并对用户证书进行签名，以确保证书持有者的身份和公钥的拥有权。 2 ) 注册机构( r a ) r a ( r e g i s t r a t i o na u t h o r i t y ，数字证书注册审批机构) 系统提供用户和c a 之 间的一个接口，它获取并认证用户的身份，向c a 提出证书请求。它主要完成收集 用户信息和确认用户身份的功能。r a 系统是整个c a 中心得以正常运营的不可缺少 的一部分。 3 ) 数据库服务器 数据库服务器是认证机构中的核心部分，用于认证机构中数据( 如密钥和用 户信息等) 、日志和统计信息的存储和管理。实现证书库的方式有多种，包括x 5 0 0 、 轻量级目录访问协议l d a p 、w e b 服务器、f t p 服务器、域名解析服务器d n s 、 数据库服务器等。一般大型的企业级p k i 一般使用x 5 0 0 目录服务和支持轻量级 目录访问协议l d a p 的目录系统，系统必须确保证书库的完整性，防止伪造、篡 改证书。 4 ) p k i 应用 p k i 应用是指以p k i 平台所提供的加密和数字签名等密码服务及所必需的密钥 和证书管理为基础，在此基础上进行相关应用程序的开发，以达到该应用程序所 要求得到的安全性保证。比如目前比较常见的安全的网上电子商务、虚拟专用网 ( v p n ) 、安全电子邮件等应用都是基于p k i 框架的 5 ) 密钥备份及恢复 湖北工业大学硕士学位论文 如果没有这种措施，当密钥丢失后，将意味着加密数据的完全丢失，对于一 些重要数据，这将是灾难性的。为避免这种情况，p k i 应提供备份与恢复解密密钥 的机制。 密钥的备份与恢复应该由可信的机构来完成。例如c a 可以作为这一角色。需 要强调的是，在加密证书和签名证书双证书模型中，密钥的备份与恢复只能针对 解密密钥，签名密钥不能作备份。 6 ) 证书作废处理 证书作废处理系统是p k i 的一个重要组件。c a 签发的证书捆绑了用户的身份 和公钥，这种绑定在已签发证书的生命周期里都是有效的。但在现实环境中，由 于用户身份的改变、密钥的丢失或者泄露、用户工作的变动等原因，必须存在一 种机制撤消这种认可。 通常，系统中由c a 负责创建并维护一张及时更新的证书废除列表( c r l ) ，而由 用户在验证证书时负责检查该证书是否在c r l 之列圳l 加j 。 7 ) 密钥自动更新 一个证书的有效期是有限的，这既可能是理论上的原因，也可能是基于安全 策略上的考虑。当用户的私钥被泄漏或证书的有效期快到时，用户应该更新私钥。 这时用户可以废除证书，产生新的密钥对，申请新的证书。因此，p k i 应该本身能 够自动完成密钥或证书的更新，而无须用户的干预。 8 ) 密钥文档管理 每个证书都有一个生命周期，因此一个用户在享受p k i 服务期间会使用很多 不同的密钥或证书。如果没有密钥的历史文档管理，用户就无法查询或恢复以前 的密钥或证书加密信息，因此必须对密钥历史档案进行管理。 2 1 3p k i 的原理 p k i 是基于公钥密码技术的。在对称密码算法中，加密和解密使用的密钥是相 同的，或者是数学相关的，也就是说如果知道一个密钥，就能够很容易地计算出 另一个密钥；对于使用的加密算法，通常比较简便高效，密钥简短，破译极其困 难由于实际起作用的是单个密钥，对于加密和解密来说都是唯一的秘密，于是 系统的保密性主要取决于密钥的安全性，所以，在公开的计算机网络上安全地传 送和保管密钥是至关重要的。正是由于对称密码学中双方都使用相同的密钥，因 湖北工业大学硕士学位论文 此无法实现数据的签名和不可否认性等功能。而与此不同的非对称密码学，所提 出的思想是采用一对数学相关的密钥来替代单个共享的秘密密钥，以解决对称密 码术的密钥交换和信任问题。在这个密钥对中，一个是公钥一个是私钥，它们具 有这种性质：用公钥加密的文件只能用私钥解密，而私钥加密的文件只能用公钥 解密。公钥顾名思义是公开的，能与所有人安全地共享；私钥则是私有的，不应 被其他人得到，具有唯一性。这样就可以满足电子商务中需要的一些安全要求。 比如说要证明某个文件是某个人的，该人就可以用他的私钥对文件加密或者进行 签名，别人如果能用这个人的公钥解密此文件或者验证签名，说明此文件就是这 个人的，这就可以说是一种认证思想的实现l ，实际上本文在第四章讨论身份认 证过程时，正是利用了这种认证思想。还有如果只想让某个人看到一个文件，就 可以用此人的公钥加密文件然后传给他，这时只有他自己可以用私钥解密，这可 以说是保密性的实现。基于这种原理还可以实现完整性，也就是对信息先进行散 列，然后用私钥签名，这样即使有人获得了该信息，但对其进行的任何修改都将 导致最后签名验证的失败。这就是p k i 所依赖的核心思想。 这里，还需要一个权威的机构能准确无误的提供需要的人的公钥，这就是c a 。 这实际上也是应用公钥技术的关键，即如何确认某个人真正拥有公钥( 及对应的 私钥) 1 1 2 1 。在p k i 中，为了确保用户的身份及他所持有密钥的正确匹配，公开密 钥系统需要一个值得信赖而且独立的第三方机构充当认证中心( c e r t i f i c a t i o n a u t h o r i t y ，c a ) ，来确认公钥拥有人的真正身份。认证中心发放一个叫”数字证书 ”的身份证明。这个数字证书包含了用户身份的部分信息及用户所持有的公钥。认 证中心利用本身的私钥为数字证书加上数字签名。任何想发放自己公钥的用户， 可以去认证中心申请自己的证书。认证中心在鉴定该人的真实身份后，颁发包含 用户公钥的数字证书。其他用户只要能验证证书是真实的，并且信任颁发证书的 认证中心，就可以确认用户的公钥。认证中心是公钥基础设施的核心，有了权威 认证中心，用户才能放心方便的使用公钥技术带来的安全服务。 2 1 4p k i 服务 p k i 作为安全基础设施，能为不同的用户提供多种安全服务。圈2 1 说明了 p k l 支持的主要的安全服务。 9 湖北工业大学硕士学位论文 图2 - 1p k i 安全服务 2 2 单点登录技术概述 2 2 1 单点登录( s s o ) 的概念 在网络内有很多异质性很强的独立服务单位为用户提供各种服务，各应用系 统由于功能侧重、设计方法和开发技术有所不同，也就形成了各自独立的用户库 和用户认证体系。用户若要取得服务，则必须先行登录以使服务单位认证自己的 身份。由于这些服务单位彼此之间的相互独立性，就产生了必须多次重复登录的 问题，从而造成了以下弊端剐： 多次登录程序烦琐，给用户享受应用服务造成极大不便 多次重复性的登录使用户身份的安全性大大下降 用户登录一般采用输入用户名和口令的方式，没有采用密码学中的有效认 证方式，因此安全性能很低 单点登录，即s i n g l es i g n o n ( s s o ) ，也叫做单一登录，简单的说，s s o 技术 是种认证和授权机制，它允许用户只登录到系统上一次，而后授权访问其它连 接的系统，无需再进行登录。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 ；终端用庶囊黍f i 。 未i 囊j 压 l 黼卜 糕熬渊i 鬻港鬯 i 。：；。i j 一誊誊_ ；j 鬟j 薯i j 渗 i 隧誊域誊l ；| _ 一“：_ j ! 鹭 = 陲嗣黪i j li 誊? 曩i j “。 _ | _ _ i i 阉 扶域2 瓣；：燃j 匿 “4 罄骧氍；浏 l 黛阕黪瓣 镰 刘蓊鞘剽戆i 鬻蒸鬻蘩 弋鬻l 警女罄 寨麴溷量i _ j 臻t 薹。_ 曩； s s o 用户认证模式有以下优点1 1 4 1 ： 1 ) 用户减少了输入和提交有关自己的身份信息，有效地提高了安全性。 2 ) 用户登录的时间将大大减少，从而访问各个域的总体时间也减少了，提 高了工作效率。 3 ) 用户账号和权限的统一管理，控制机制更加一致，增加了安全性。 2 2 3s s o 模型的目标 实现单点登录、全网访问，方便用户的使用过程。 各系统之间耦合度低，应用系统的改造不破坏其固有沉程和结构，整个 系统的实施过程安全平滑。 统一了单点登录服务器到应用服务器的用户认证信息访问标准，统一了 访问票据安全加密的传输和识别标准，为将来更多应用系统提供了统一的单点登 湖北工业大学硕士学位论文 录框架。 整合了过去分散在各应用系统中虽然有内在关联却难以判别的用户信息 资源，为更进一步的用户个性化服务打下了基础1 1 5 1 。 2 3 小结 本章主要介绍了p k i 的基本概念、组成、实现原理及p k i 服务：同时也讨论了 单点登录技术的主要概念，并与传统的登录模型进行了比较，也介绍了几种常用 实现技术，最后指出了应具备的安全特性； 湖北工业大学硕士学位论文 第3 章n e tf r a m e w o r k 提供的关键技术支持 本论文所探讨的单点登录模型主要是在n e t 平台下开发，因为n e t f r a m e w o r k 为我们提供了许多功能强大的密码术算法，而且在这个s s o 模型中， 还利用了n e t f r a m e w o r k 中的s y s t e m w e b s e r v i c e s 命名空间来创建w e b 服务， 有利于本系统模型的扩展。 3 1 n e tf r a m e w o r k 安全简介 2 0 0 0 年6 月，m i c r o s o f t 公司发布了它的n e t 计划。n e t 平台对早期的开发 平台作了重大改进。n e t 提供了一种新的软件开发模型，它允许用不同程序设计 语言创建的应用程序能相互通信i 6 1 。这个平台也允许开发者创建基于w e b 的应用 程序，这些应用程序能够发布到不同的设备和台式机上。 n e tf r a m e w o r k 和公共语言运行库( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ，简写为c l r ) 支持编程人员高效地处理诸多重要的安全问题。例如，在应用程序中加入适当密码 功能可以防止信息窃取，防御性编程、合理配置基于用户的安全性和代码访问安全 性( c o d e a c c e s ss e c u r i t y ，简写为c a s ) 特性可以抑制恶意代码的进攻。n e t 平台所 提供的安全而严密的托管运行时环境使缓冲溢出攻击无计可施。托管代码和c l r 运行时检查可以消除由缓冲溢出和不适当类型强制转换引起的故障。 3 1 1 可靠性和n e t 平台 在受益于n e tf r a m e w o r k 所提供的安全性和密码术之前，必须先确保应用程 序的可靠性。n e t 平台为满足这种极其重要的可靠性要求做了大量工作。首 先，n e t 应用程序没有被编译为本地代码，而是被编译为一种中间形式，即 m i c r o s o f t 中间语言( m i c r o s o f ti n t e r m e d i a t el a n g u a g e ，简写为m s i l ) ，这种格 式允许c l r 和n e t f r a m e w o r k 自动执行多种与安全相关的服务，比如：运行时的边 界检查，以防止内存损坏和堆栈溢出；数据类型检查，防止不适当的类型强制转换： 自动收集无用数据，解决内存泄露问题；异常处理，对不正常的运行时作出适当响 应：基于角色的安全性，进行身份验证，以限制当前用户的操作：基于证据的安全性， 控制基于权限的托管代码。 3 1 2 n e tf r a m e w o r k 简化安全性的方法 使用原始w i n 3 2a p i 进行安全编程的最大问题是它难以理解和使用，完成最简 湖北工业大学硕士学位论文 单的操作也需要执行大量代码。n e tf r a m e w o r k 将基础w i n 3 2 安全a p i 的某些方 面封装为简单且功能强大的面向对象的接口，从而使操作大大简化。目前，在适当环 境下，使用n e t f r a m e w o r k 类能够自动完成许多操作( 如从c s p 密钥存储中获取一 个密钥) i 7 】。另外，n e ts e c u r i t yf r a m e w o r k 中负责安全功能的每个类都被声明为 密封类，这样就不会被窃取或引起安全泄露。 3 2 n e tf r a m e w o r k 与密码术 由于在本模型中，客户端在和s s 0 服务器、w e bs e r v i c e 以及应用服务器交换 信息时需要确保信息的机密性、完整性以及用户身份的合法性，这就会涉及到加 密以及签名操作。n e tf r a m e w o r k 类库为我们提供许多良好的密码术的安全算法。 n e t f r a m e w o r k 类库提供了s y s t e m s e c u r i t y c r y p t o g r a p h y 命名空间，该命 名空间支持最重要的对称和非对称密码、一些安全的散列算法以及一个密码性质 的随机数生成器。这个密码术体系结构是可扩展的，它允许第三方以密码服务提供 者的形式提供附加实现和其他算法。s y s t e m s e c u r i t y c r y p t o g r a p h y x m l 命名空 间实现用于对】( m l 对象进行数字签名的w 3 c 标准，而 s y s t e m s e c u r i t y c r y p t o g r a p h y x 5 0 9 c e r t i f i c a t e s 命名空间为处理公共证书提 供了一些支持。下面是n e tf r a m e w o r k 类库实现的一些主要功能1 1 7 i ： d e s ：d i g i t a le n c r y p t i o ns t a n d a r d ( 对称分组密码) 3 d e s ：t r i p l ed e s ( 对称分组密码：比d e s 的强度更高) r i j n d a e l ：a e s ( 对称分组密码) r e 2 ：由r o n a l dr i v e s t 设计的密码( 对称流密码) r s a ：既用于加密也用于数字签名的非对称算法) d s a ：d i g i t a ls i g n a t u r ea l g o r i t h m ( 只用于数字签名的非对称算法) m d 5 ：一种安全的散列算法 s h a 一1 、s h a 2 5