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浙江工业大学硕士学位论文 基于k e y n o t e 信任管理系统的分布式访问控制研究 摘要 近年来，随着i m e m e t 的快速普及，基于i n t e m e t 的分布式计算得到 了迅猛发展，出现了许多新兴的、大规模的分布式系统，如p 2 p 、网 格和w 曲服务等。这些分布是系统具有开放性、动态性和异质性的特 点，实体之间互不认识，也没有一个权威的控制中心。在这样的开放 式环境中，作为信息安全关键技术之一的访问控制技术，变得比以往 任何时候都更加的重要。然而传统的集中式的访问控制模型却并不直 接适用于分布式环境，因此有必要研究在分布式环境下的新的访问控 制模型。 信任管理是为了解决分布式环境下的访问控制问题应运而生的， 它采用可传递的委托授权机制，支持不认识的主体对系统进行访问。 目前已有好多种信任管理模型和系统被陆续提出，而k e y n o t e 是众多 的信任管理系统中最为成熟、应用最为广泛的一种。k e y n o t e 信任管 理系统首先通过颁发信任证书实现权限分发，然后通过对访问请求、 信任证书和本地策略进行一致性检查实现访问的验证。 本文首先分析了分布式网络环境的特点和安全需求，回顾了相关 的理论和技术的研究情况。 接下来，对k e y n o t e 信任管理系统进行了深入的分析，指出了实 际使用中k e y n o t e 在信任证书的安全传递和信任证书链的发现上的 t 浙江工业大学硕士学位论文 两点不足，并提出了相应的改进方案。 然后，针对分布式网络环境的特点和安全需求，结合k e y n o t e 信 任管理系统适合于分布式应用的优点，在前面对k e y n o t e 的不足进行 改进的基础上，提出了基于k e y n o t e 的信任管理系统的分布式访问控 制模型，并给出了具体的实现。 最后，我们通过w e b 访问控制的实例验证了模型的可行性。 关键字：分布式访问控制，信任管理，k e y n o t e ，信任证书，基于身 份的加密 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fd i s t r i b u t e da c c e s sc o n t r o lb a s e do nt h e k e y n o t e t r u s tm a n a g e m e n ts y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ep o p u l a r i t yo fi n t e m e t , t h ei n t e m e tb a s e d d i s t r i b u t e dc o m p u t i n gh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y , m o r ea n dm o r en e w w i d es c a l ed i s t r i b u t e ds y s t e m s ，s u c ha sf 2 p , g r i da n dw e bs e r v i c e s ，h a v e b e e nr e a l i z e d t h e s ed i s t r i b u t e ds y s t e m s a r e o p e n , d y n a m i c a n d h e t e r o g e n e o u s ，w i t h o u ta u t h o r i t a t i v ec o n t r o lc e u t e r ，e n t i t i e si n s i d ew h i c h c a n n o tb e r e c o g n i z e db y e a c ho t h e r a sac r i t i c a lt e c h n o l o g yi n i n f o r m a t i o ns e c u r i t y , t h ea c c e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y b e c o m e sm o r e i m p o r t a n tt os u c ho p e ne n v i r o n m e n t st h a ne v e r h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a l c e n t r a l i z e da c c e s sc o n t r o lm o d e li sn o td i r e c t l ys u i t a b l ef o rt h ed i s t r i b u t e d e n v i r o n m e n t s ，s oi ti sn e c e s s a r yt od e v e l o pn e w a c c e s sc o n t r o lm o d e l s t h et r u s tm a n a g e m e n th a sb e e nd e v e l o p e dt or e s o l v et h ea c c e s s c o n t r o lp r o b l e m si nd i s t r i b u t e de n v i r o n m e n t s ，w h i c ha d o p t st r a n s f e r a b l e a u t h o r i t yd e l e g a t i o nm e c h a n i s m ，a n ds u p p o r t ss t r a n g e r s a c c e s s e s m a n y t r u s tm a n a g e m e n tm o d e l sa n ds y s t e m sh a v eb e e np r o p o s e d ，a m o n gw h i c h t h ek e y n o t et r u s tm a n a g e m e n ts y s t e mi st h em o s tm a t u r e da n dt h em o s t w i d e l y u s e do n e t h e k e y n o t e u s e sc r e d e n t i a l st od i s t r i b u t e a u t h o r i z a t i o n s ，a n dp r o v e st h ea c c e s s e st h r o u g ht h ec o m p l i a n c ec h e c ko f 1 1 1 浙江工业大学硕士学位论文 r e q u e s t ，c r e d e n t i a l sa n dl o c a lp o l i c y f i r s t l y , w ea n a l y z e dt h ef e a t u r e sa n ds e c u r i t yn e e d sf o rd i s t r i b u t e d n e t w o r ke n v i r o n m e n t s ，a n dr e v i e w e dt h er e s e a r c hs i t u a t i o no fr e l a t e d t h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e s s e c o n d l y , w ea n a l y z e dt h ek e y n o t et r u s tm a n a g e m e n ts y s t e md e e p l y , b a s e do nw h i c hp o i n t e do u tt h et w ow e e kp o i n t si np r a c t i c a lu s e sa st h e s a f ed e l i v e ro fc r e d e n t i ma n dt h ed i s c o v e r yo fc r e d e n t i a lc h a i n , a n d p r o p o s e dt h er e l e v a n ti m p r o v e m e n t s t h i r d l y , a i m i n ga t t h ef e a t u r e sa n ds e c u r i t yn e e d so fd i s t r i b u t e d n e t w o r ke n v i r o n m e n t s ，i n t e g r a t e dt h ea d v a n t a g e so f k e y n o t e ss u i t a b i l i t y f o rd i s t r i b u t e da p p l i c a t i o n s ，a n db a s e do nt h ei m p r o v e m e n t so nk e y n o t e a sm e n t i o n e db e f o r e ，w ep r o p o s e dad i s t r i b u t e da c c e s sc o n t r o lm o d e lo n t h eb a s i so f k e y n o t et r u s tm a n a g e m e n t ，w h i c hi si m p l e m e n t e di nd e t a i l a tl u s t , w ev e r i f i e dt h ep r a c t i c a l i t yo fo u rm o d e lt h r o u g ht h ee x a m p l e o f w e ba c c e s sc o n t r 0 1 k o yw o r d s ：d i s t r i b u t e da c c e s sc o n t r o l ，t r u s tm a n a g e m e n t ，k e y n o t e ， c r e d e n t i a l ，i d e n t i t y b a s e de n c r y p t i o n l v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 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 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业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。 作者签名：参小亏 日期： g 月猡日 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。本人授权浙江工业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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：沙冲1 6 月y - 日 日期：加事( 月g 日 芦 力 s 礁r 妒弛 繇孙堑签者师 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 随着i n t e m e t 与分布式对象技术的飞速发展和普遍应用，出现了越来越多的 分布式系统。在这些分布式系统中，实体( 指的是参与分布式系统中事务行为的 用户或有意识的网络节点，下同) 资源允许被谁使用、允许如何使用以及又由谁 来定义这些使用规则，是分布式系统中的访问控制问题。要使分布式系统充分有 效地发挥作用，达到系统间的安全协作，访问控制是其关键所在。 1 1 研究背景 1 1 1 分布式网络系统的发展 近年来，随着计算机技术、通信技术和网络技术的飞速发展，计算机系统已 经普遍地进入到分布式网络系统阶段。特别是随着i n t e m e t 的快速普及，基于 i n t e r n e t 的分布式计算得到了迅猛发展，出现了许多新兴的、大规模的分布式系 统，比如p 2 p t “、网格4 2 1 和w 曲服务。信息系统也从原来的集中式系统发展到目 前基于i n t e m e t 的分布式系统。这些分布式的网络系统具有以下的特点： 1 ) 地理上广域分布。现在的跨国公司、世界性的组织遍布世界各个角落， 各个部门在地理上广域分布，它们通过i n t e m e t 联系在了一起。 2 ) 开放性。在分布式网络环境巾整个嘲络不再是静态的、面向特定组织和 用户群体的封闭网络，而是可公共访问的、面向大量动态用户的开放网 络。 3 ) 动态性。实体可以自主地决定自身的行为与状态，实体可以随时加入某 一网络，可以随时提供新的资源共享服务，亦可以随时终止资源共享服 务，甚至可以随时退出该网络，在改变自身标识后重新加入另一网络， 因此分布式网络系统具有高度动态性的特点。 4 ) 实体问的关系是对等自治的。一个实体既可能是网络服务的提供者，亦 可能是网络服务的访问者，实体之间没有中心权威节点。在分布式网络 浙江工业大学硕士学位论文 环境中，为提高系统的可扩展性和解决单点失败问题，除少数系统外具 有中心认证服务器外，绝大多数的开放系统都无控制中心，也无可信的 第三方c a ( c e r t i f i c a t i o na u t h o r i t y ) 。 5 ) 异质性。在分布式网络环境中，实体呈现出多样化的特点与行为模式， 实体往往都是隶属不同的安全域，对安全因素的评价标准也各不相同。 6 ) 安全信息的不完全性与不确定性，以陌生参与者为主体的事务模式导致 在多数情形下不可能获得完整的安全相关信息，而网络的开放性和实体 的动态性、异质性则导致许多影响系统安全的因素变得不确定。 计算机的网络化和全球化，使得越来越多的信息交流活动逐步转移到网络上 来，地球上的每一个人均可方便地与任意位置的另外的人进行通讯。例如，企业 用户可以通过网络进行信息发布、广告、营销和客户管理等，同时可以直接与商 业伙伴直接进行合同签订和商品交易，个人用户可以通过网络购物、娱乐，求职、 教育、医疗、投资等各种信息服务。 1 1 2 分布式网络系统的安全需求 信息技术的使用给人们带来了数不尽的便捷和好处。然而，信息技术也和其 它科学技术一样，是一把双刃剑。当大部分人使用信息技术提高i t 作效率，为社 会创造更多财富的同时，另外一些人却利用信息技术做着相反的事情，他们非法 侵入他人的计算机系统窃取机密信息、篡改和破坏数据，给社会造成难以估量的 损失。据调研机构i tp o l i c yc o m p l i a n c e 在2 0 0 6 年的一项统计【3 慢示，有6 8 的 企业每年发生6 起敏感数据丢失事件；2 0 的企业每年发生2 2 起甚至更多的敏 感数据丢失事件。 1 1 2 - 1 分布式网络系统中的安全威胁 在分布式网络系统中，主机可能会受到非法入侵者的攻击，网络中的敏感数 据有可能泄露或被修改，传送的信息可能被他人窃听或篡改等等，造成网络安全 的威胁的原因可能是多方面的，有来自外部，也有可能来自企业网络内部。常见 的安全威胁包括： 1 ) 窃听：攻击者通过监视网络数据获得敏感信息。 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 ) 重传：攻击者事先获得部分或全部信息，以后将此信息重复发送给接收 者。 3 ) 伪造：攻击者将伪造的信息发送给接收者。 4 ) 篡改：攻击者对合法用户之间的通讯信息进行修改、删除、插入，再发 送给接收者。 5 ) 拒绝服务攻击：攻击者通过某种方法使系统响应减慢甚至瘫痪，妨碍合 法用户的正常服务。 6 ) 行为否认：通讯实体否认己经发生的行为。 7 ) 非授权访问：没有预先经过同意，就使用网络或计算机资源被看作非授 权访问。它主要有以下几种形式：假冒、身份攻击、非法用户进入网络 系统进行违法操作、合法用户以未授权方式进行操作等。 8 ) 病毒传播：通过网络传播计算机病毒，其破坏性非常高，而且用户很难 防范。 1 1 2 2 分布式网络系统的安全目标 分布式网络系统的安全目标应当满足1 4 】： 1 1 身份真实性：能对通讯实体身份的真实性进行鉴别。 2 ) 信息机密性：保证机密信息不会泄露给非授权的人或实体。 3 ) 信息完整性：保证数据的一致性，能够防止数据被非授权用户修改和破 坏。 4 ) 服务可用性：保证合法用户对信息和资源的使用不会被不正当地拒绝。 5 ) 不可否认性：建立有效的责任机制，防止访问者否认其行为。 6 ) 访问的可控性：能够控制使用资源的人或实体的使用方式。 7 ) 可审查性：对出现的网络安全问题提供调查的依据和手段。 数字签名保证身份真实性；加密用于保证机密性、完整性；审计系统用于保 证可审计性；而访问控制保证服务可用性、不可否认性、访问的可控性。 1 1 3 分布式环境下的访问控制 访问控制技术作为信息安全领域的一项重要技术，自出现起就受到计算机和 浙江工业大学硕士学位论文 信息技术等相关领域的广泛关注和重点研究。 在商业，金融和国防等领域的分布式应用中，能否保证应用具有足够的安全， 在很大程度上来说是需要关心的第一个问题。多数面向商用或国防的计算机系统 体系结构都会花大量的篇幅描述其信息安全体系子结构。例如，国际标准化组织 在其网络安全体系的设计标准( 1 s o7 4 9 8 2 ) 中定义了五个安全服务功能：身份认 证服务、访问控制服务、数据保密服务、数据完整性服务、不可否认服务【5 】。访 问控制总是作为关键技术出现在这些标准、规范或体系结构中。 由此可见访问控制技术在信息安全领域，尤其是面向商业等应用的信息安全 领域是十分重要的和不可缺少的。这也吸引大量研究人员对此进行深入研究。现 在，访问控制技术的作用越来越重要，广泛应用在不同的信息系统中，包括e r p , c p c ，p d m 系统等，并在很大程度上直接左右了这些系统的可用性、易用性和安 全性 人们比较熟悉的运行过程中需要进行访问控制的网络服务有：电子商务、电 子政务、在线银行、联合体中的资源共享、即时通信、可下载程序的运行、隐私 保护等，当然，这样的网络服务还远远不止以上这些。 1 2 研究的意义 传统的访问控制方法都集中于在一个封闭式环境下的信息保护，主要集中在 服务器内部数据对象的访问控制。控制的执行是基于给定的授权规则对已知用户 或进程的身份和属性之上。传统的访问控制是认证和授权的结合。接收请求的系 统首先要决定签署这个请求的人是谁，然后查询一个本地数据库，根据查询结果 请求者是否允许操作访问他所请求的资源。这种方法川对于当今动态的、分 布式网络环境己经不适合。 i n t e r a c t ，这一超大规模分布式网络比以往的任何网络都拥有更多的实体，这 些实体中的大部分互不认识，也没有一个大家可以信赖的公认的权威中心。因此， 许多基于传统软件系统形态的安全技术和手段，尤其是安全授权机制，如访问控 制列表a c l ( a c c e s sc o n t r o ll i s t ) 和一些传统的公钥证书体系等，己不再适合互联 网的有关特性。 传统的访问控制模型主要工作于集中式安全控制的系统中，要将传统的安全 4 浙江工业大学硕士学位论文 模型直接应用到分布式环境。还需要研究很多问题。对于一个异构、大范围的分 布式系统，具有大量的用户实体，大量的可能访问系统资源的请求，这些实体和 请求的集合经常变化，系统预先并不了解这些实体，即在系统数据库中没有存储 访问者的任何信息。传统的名字密钥映射和预先存储的控制矩阵方法( 例如自主 访问控制) 已经不适合此种情况，前者是因为它没有包含任何访问控制信息，后 者是因为存储量太大，系统中将会存在大量的数据对象，每个对象都有一个访问 控制矩阵。况且大部分访问者不是经常访问该系统，例如w 曲服务，这样也造成 浪费，还要对这些访问控制矩阵进行管理维护、安全地发布、在整个分布式网络 中存储，还要保持这些数据的一致性，这样的工作量将是非常的庞大，这是不可 能的。需要研究新的适合于分布式、动态网络的访问控制模型和方法。目前，对 于分布式访问控制问题，实际上还未进行全面的研究【2 l l 。 1 3 国内外研究现状 针对访问控制问题，国内外己经做了很多相关研究，提出了很多模型。 1 9 9 2 年，f e r r a i o l o f f f l k u h n 提出的基于角色的访问控制模型( r o l eb a s e d a c c e s s c o n t r o l ，简称r b a c ) t 3 1 。 1 9 9 3 年，s a n d h u 和t h o m a s 提出的基于任务的访问控制模型( t a s kb a s e d a c c e s s c o n t r o l ，简称t b a c ) ! 。 1 9 9 6 年，美国g e o r a g em a s o n 大学信息安全技术实验室( l a b o r a t o r yf o r i n f o r m a t i o ns e c u r i t yt e c h n o l o g y ) 的r a v is a n d h u 教授提出了著名的r b a c 9 6 模型 1 1 5 】，并被业界广泛接受及采用。r b a c 9 6 定义了4 个概念模型：r b a c 0 、r b a c l ，、 r b a c 2 ，r b a c 3 。 2 0 0 0 年，美国国家标准与技术研究院( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ，简称n l s n 提出t n i s tr b a c 参考模型【1 6 1 。n i s t 建议将参考模型作 为r b a c 的标准，n i s tr b a c 参考模型在用户和访问权限之间引入了角色的概 念，它的基本特征是根据安全策略划分角色，对每个角色分配操作许可，为用户 指派角色，用户通过角色间接地对信息资源进行访问。n i s tr b a c 模型是一种 与策略无关的访问控制技术，几乎可以描述任何安全策略。但是该模型只针对有 关主体的角色抽象、访问约束等安全特征进行了细致的描述，缺乏访问控制过程 浙江工业大学硕士学位论文 中对受访客体的安全特征的抽象，在一定程度上降低了模型对现实世界的表达能 力p t 。 k a p a d i a 等人在研究多个域之间协作问题的基础上，提出了一个基于角色转换 的域问互操作模型。首先，两个域均采用r b a c 模型；然后，通过两个域问相互 定义角色转换关系，完成两个域中角色的直接转换【1 8 】。 浙江大学徐光伟等人提出了基于p r i n c i p a i 的访问控制模型1 1 9 1 ，模型提供了基 于p r i n c i p a l 的授权环境，通过p r i n c i p a l 来统一授权主体。该模型与企业的组织机 构紧密结合使授权语义更加明晰，管理更加方便快捷；利用j a v a 认证授权服务 ( j a v aa u t h e n t i c a t i o na u t h o r i z a t i o ns e r v i c e ，简称j a a s ) 的认证模块的可拆卸 ( p i u g g a b l e ) 特性，实现了认证与应用程序的分离：应用j m ，a 平台的企业版( j a v a2 p l a t f o r m ，e n t e r p r i s ee d i t i o n ，简称j 2 e e ) 的分布式特性实现了分布式认证，保证了 系统的性能。 北京大学龙勤等人提出基于角色的可扩展访问控制模型刚。该模型取代了 n i s tr b a c 参考模型中角色与权限的直接分配，在主体角色与受访客体之间引 入客体角色的概念，权限分配采用基于客体角色的权限分配与基于客体实例的权 限分配并存，具有较强的客观世界表达能力与灵活性。 最近关于分布式环境下未知用户授权的研究已经形成一个研究方向，称为信 任管理( t r u s tm a n a g e m e n t ) 6 】【7 】嘲，信任管理对用户所持证据和属性进行授权，回 答安全凭证是否能够证明请求r 满足本地策略p ，帮助应用系统决定访问是否被允 许。信任管理的研究起源于w e b 的安全访问控制p l i 。 在信任管理方法被提出以后，人们对信任管理进行了大量的研究，相继提出 了一系列的信任管理模型和系统。由m b l a z e 等人提出并实现的k e y n o t e l 9 1 是 这些信任管理系统中最为成熟的一个，目前已经成功应用于1 p v 6 的i p s e c 安全模 块、分布式防火墙和在线支付安全等领域，虽然它还存在着一些不足 6 7 1 。 k e y n o t e 信任管理系统在国内也成为了众人研究的对象，华中科技人学的王 千帆在他的硕士论文1 7 5 1 中，利用k e y n o t e 信任管理系统实现t w e b 访问控制。但 总的来说，国内的研究主要还停留在对k e y n o t e 信任管理系统和其主要应用领域 的了解和认识上。 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本文的研究内容、组织结构 1 4 1 研究内容 针对分布式网络系统的特点和安全需求，本文在对k e y n o t e 信任管理系统存 在的不足进行改进和扩展的基础上，利用k e y n o t e 信任管理系统适用于分布式 访问控制的优点，提出了一个适用于分布式网络环境的基于k e y n o t e 信任管理 系统的分布式访问控制模型。 本文的主要研究工作包括： 1 对k e y n o t e 信任管理系统进行了深入的分析，指出了实际使用中k e y n o t e 在信任证书的安全传递和信任证书链的发现上的不足，并提出了相应的 改进方案。 2 提出了基于k e y n o t e 信任管理系统的分布式访问控制模型，利用k e y n o t e 信任证书进行灵活、有效的分布式授权，满足分布式环境的动态性和可 扩展性的要求。 3 引入i b e ( i d e n t i t yb a s e de n c r y p t i o n ，基于身份的加密) 技术，有效解决 了访问控制模型中k e y n o t e 信任证书在网络上的安全传递，并且在一定 程度上解决了对服务器的认证问题。 4 通过在服务器端建立信任证二伟库及其索引，解决了分布式环境下信任证 书链的发现问题，并提高了安全性和系统的效率。 1 4 2 论文组织 论文章节安排如下： 第一章介绍了论文的研究背景、意义和国内外的研究现状； 第二章介绍了论文涉及的相关理论基础和研究情况，为模型的提出做了理论 和技术上的准备； 第j 章深入分析了k e y n o t e 信任管理系统，指出了k e y n o t e 信任管理系统在 实际使用中的不足，并给出了相应的解决方案； 第四章在第三章对k e y n o t e 信任管理系统改进和扩展的基础上，引入i b e 技 术，提出了适合于分布式环境的访问控制模型； 浙江工业大学硕士学位论文 第五章给出了基于k e y n o t e 信任管理的访问控制模型的具体实现； 第六章通过w e b 访问控制的应用实例，验证了访问控制模型的可行性； 第七章是对全文的总结和进一步工作的展望。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章基本理论及相关研究 2 1 密码学相关基础知识 2 1 1 认证 认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 是访问控制的前提和基础，它是系统核查用户身份的一 个过程，保证某个用户或者某个事务的真实性。我们经常碰到的用户名加口令的 方式，就是最为常见的一种认证方式。系统将访问者提供的用户名和口令跟系统 保存的数据进行核对，判断用户是否真实真实可信，这就是一个认证的过程。用 户名加口令的方式，虽然安全性很差( 因为用户名和密码可能被盗，或者被暴力 破解，在网络上这种情况经常发生) ，但是由于其实施简单，容易理解，仍然被 广泛使用着。现在较为安全的认证方式，一般都采用非对称加密协议和算法来完 成，也就是一般所说的p k l 认证。 认证技术分为身份认证和信息认证两个方面，前者用户鉴别用户的身份，后 者用于保证通讯双方的信息完整性和不可抵赖性。 在达到基本的安全目标方面，两种类型的认证都具有重要的作用。认证是访 问控制业务的一种必要支持，访问控制的执行依赖于认证。 2 1 2 授权 授权( a u t h o r i z a t i o n ) 是安全策略配置的基本组成部分。所谓授权，是指赋予主 体( 用户、终端、程序等) 对客体( 数据、程序等) 的支配权利，它等于规定了谁可 以对什么做些什么( w h oc a nd ow h a tt ow h m ) 。 2 1 3 公钥加密 流行的加密算法有对称和非对称两种方法。加密和解密使用同一个密钥称为 对称密钥，不同则为非对称密钥。公钥系统使用的是非对称密钥，即一个私有密 9 浙江工业大学硕士学位论文 钥和一个公开密钥，公钥加密算法的最好的例子是r s a 和d e s l 2 9 。 公开密钥算法使用的密钥具有唯一的对应性，即一个私钥只对应一个公钥， 反之亦然，公钥对外公开，私钥个人秘密保存。一般的使用方法是，发送方用自 己的私钥进行签名，然后用接受方公钥用来加密，接受方接到信息以后，先用自 己的私钥进行消息解密，再用发送者公钥进行签名验证。算法的加密强度主要取 决于选定的密钥长度。和对称密钥算法相比，公开密钥算法最大的优点是私钥不 需要在网上传递，不会有被攻击者截取的可能。 2 1 4 数字签名 数字签名( d i g i 协ls i g n a t u r e ) 3 0 堤使用公钥体系来防止抵赖的一种技术。对一 个数字对象进行签名的过程就是签名者计算该对象和他自己的私钥的哈希函数 值，利用签名者公钥可以对签名进行认证，然后确定消息发送者的身份。一个合 法的签名可以保证签名者的真实性，签名具有不可修改性。 2 1 5 公钥证书 公钥证书( p u b l i ck e yc e r t i f i c a t e ) 1 3 1 就是网络通讯中标志通讯各方身份信息的 一系列数据，它提供了一一种在i n t e r a c t 上验证身份的方式，其作用类似于日常生 活中的身份证，是由公钥证书的发行者为用户发布的关于公钥的描述。公钥证书 由发行者加密签名，任何人都可以验证它的完整性，任何人都不能对其进行修改。 公钥证书在认证和访问控制中均被广泛使用。 最简单的证书包含一个公开密钥、名称以及证书授权中心的数字签名。一般 情况下证书还包括密钥的有效时间，发证机关( 证书授权中心) 的名称，该证书的 序列号等信息。目前的国际标准x 5 0 9 数字证书包含以下内容： 1 ) 证书的版本信息； 2 1 证书的序列号，每个证书都有一个唯一的证书序列号； 3 ) 证书所使用的签名算法； 4 ) 证书的发行机构； 5 1 证书的有效期； 6 1 证书所有人的名称： l o 浙江工业大学硕士学位论文 证书所有人的公开密钥； 8 1 证书发行者对证书的签名。 当一个证书有效日期超期或者证书所包含的信息不再合法时，应该对其撤 销，声明该证书的信息不再有效证书撤销可能是因为用于签署该证书的私钥丢 失( 此时由该私钥签署的所有证书都应该撤回) ，也可能是因为包含在证书中的 信息已经不再准确。 2 1 6 公钥基础设施p k i 公钥基础设施p k i 是一个用公钥概念与技术来实施和提供安全服务的具有普 适性的安全基础设施【6 2 】。作为一种遵循标准的密钥管理平台，p k i 提供会话保密、 认证、完整性、访问控制，源不可否认性、目的地不可否认性、安全通信、密钥 恢复等安全服务。p k i 采用公钥证书进行密钥管理，通过第三方认证机构c a 绑定 用户信息及其公钥来验证通信双方的身份，保障信息安全。第三方认证机构c a 是整个公钥基础设施韵关键部分。 2 1 7 基于身份的加密技术( i b e ) p k i 作为一项基础设施，可以解决绝大多数的网络安全问题，经过多年的发 展，它已经成为一套成熟的理论，并且初步形成了一套完整的解决方案。然而， 由于p k i 系统在建设的成本及使用的复杂性，使得它在实际的应用中面l | 缶着诸 如证书管理、验证、撤销等许多复杂的问题，尤其是在不同的p k i 之问需要交 叉认证的时候。为了弥补当前p k i 存在的不足，降低部署的成本和使用的难度， 在2 0 0 1 年，d o nb o n e h 和m a t t h e wf r a n k l i n 在s h a m i r 提出的基于身份加密 ( i d e n t i t y b a s e de n c r y p t i o n , i b d 方案的基础上设计出实用的i b e 方案。该方案可 以用任意的关于用户身份的字符串作为该用户的公钥，用户可以向可信第三方证 明自己的身份并获得私钥。相比p i c a ，i b e 最大的优势就是不需要对证书进行管 理，因此实现起来非常简单、高效，它为解决网络安全问题提供了一种新的有效 的方法。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 7 1 旧e 的发展 1 9 8 4 年美洲密码年会上，s h a m i r 首次证明了基于身份的加密算法的存在性 【6 3 】，从那以后，各种基于身份加密的方案被陆续地提了出来，但是总存在这样 那样的缺陷【6 ”，无法实际使用，直到相隔1 7 年以后，在2 0 0 1 年的美洲密码年 会上，d o nb o n e h 和m a t t h e wf r a n k l i n 提出了从w e l l 配对来实现i b e 的思想删( 以 下称为b f 方案) ，i b e 才真正走了实用中来。随后，相关的改进和扩展的文章纷 纷出现，i b e 理论基础和实现工具重新成为大家研究的热点嗍。 i b e 的技术应用方面，目前主要是由v o l t a g e 公司在推动。v o l t a g e 公司是在 2 0 0 1 年由b o n e h 的几个研究生创办，使用i b e 来解决p k i 系统中跟数字证书相 关的复杂问题( 如用户注册、证书管理和证书撤销) ，同时提供公钥加密系统的 安全性和保密性。v o l t a g e 开发的一个比较重要的应用基于1 b e 的安全电子邮件 系统，同时还开发了一个安全平台，提供安全的文件传输、实时通信及v o i p 等 服务。 此外，h p 实验室利用i b e 技术弥补p k i 技术在灵活性和可管理性上面的不 足，做了一个将i b e 应用到医疗领域的试验，并经过了实际的测试运用。 2 1 7 2i b e 的原理 s h a m i r 最初的设想是为了简化电子邮件系统巾的证书管理。当a l i c e 要给b o b 发送加密的电子邮件时候，a l i c e 只要将b o b 的电子邮件地址b o b b c o m 作为 公钥进行加密，b o b 收到该电子邮件以后，向可信第三方证实自己的身份，得到 解密私钥。由于在i b e 里面，身份( 这里是电子邮件地址) 和公钥是同一个， 因此，相比需要绑定身份和公钥的p k i 系统，i b e 不需要公钥证书，不需要证书 撤销列表和证书服务器，也不需要用户预先注册。 d o nb o n e h 和m a t t h e wf r a n k l i n 提出的从w e l l 配对来实现i b e 的思想，使得 i b e 得到了实际使用，下面简单介绍b f 方案的实现原理。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 7 21 b f 算法 2 1 7 2 1 1 安全假设 b f 算法方案的安全性建立在c d h ( c o m p u t a t i o n a ld i f f i eh e l l m a n ) 款南问题的 一个变形之上。称之为w d h ( w e i ld i f f i eh e l l m a n ) 困难问题。b f 的核心是使用了 超奇异椭圆曲线上的一个双线性映射w e i lp a i r i n g 。 双线性映射是一个符合一下性质的配对：p a i 时i ，s p ) = p a i r ( r bs d ，运 算符嚷示椭圆曲线上的一点与整数相乘，这种运算的特点是逆运算几乎不可能。 比如知道f 和i ，要计算r i ，很简单，但是如果知道i 以及( r i ) ，在目前数学上， 还无法计算出睐。b f 算法就是基于这样的一个数学难题的假设，算法具体细节 可以参考1 6 4 。 2 1 7 2 1 2 执行过程 1 b e 加密体制涉及以下四个具体的算法： 1 初始化s e t u p ：选择安全参量k 并获得系统参量p a r a m s 和主密钥 m a s t e r - k e y 。系统参数包括有限消息空间m 的描述和有限密文空间c 的描述。这里，系统参数对所有用户开放，而主密钥只有可信第三方 p k g ( p r i v a t ek e yg e n e r a t o r ) 知道。 2 析取e x t r a c t ：输入p a r a m s 、m a s t e r - k e y 和任意的i d 能够证明r 符合 p o l l c y 则称它为p o c 的一个解；如果f 是 ( 矗，p o l i c y ) , ( f l ，s 0 ，( f - i ，s l 卜1 ) ) 的子集，我们称为f 能够证明r 符合p o l i c y 。 显然从一组断言中，找到支持r 的最佳证据( 脚0 0 0 是很困难的，因为很难 确定何时才算真正找到了支持r 的证据。在6 9 1 中已经证明p o c 的求解问题是n p 问题，为了能够找到它的解，继续对p o c 问题进行相应的限定。通过这些限定， 将p o c 的求解问题转换为n p 完全问题( n p - c o m p l e t e ) ，以希望在多项式的 时间内找到它的解。 浙江工业大学硕士学位论文 1 ) 规定了p o c 找到支持r 的全局运行时间( g l o b a lr u n t i m eb o u n d ) 为 整数d ，那么得到支持r 的全局运行时间为o ( n a ) 。n 为p o c 解的 长度： 2 ) 规定了从每一个断言( e ，s i ) 得出有效证据的时间为整数c ，那么每一个 断言的运行时间为o ( n c ) 。 3 ) 规定了p o c 从断言集合中找到支持r 的解的长度为l ，即能够找到一 组断言 ( l ，s i l ) ，( b s i t ) 提供证据支持kt 耋l 。 4 ) 规定了解的输出集合的大小，定义了m 为解中行为字符串的长度，定 义了s 每一个解的可接受记录( i ，r o 的最大长度。 5 ) 规定了p o c 求解过程中的“单调性原则”( m o n o t o n i c ) ，即当a 和b 都是可以接受的可信集合，如果a b ，则可以推出( f i ，s i ) ( a ) ， s i ) ( b ) 。 2 通过以上的限定，将p o c 求解问题转化为n p 完全问题，就可以在多项 式的时间内找到它的解。现在介绍它的算法如下： i l l f o r m e d ( ( ( f i ，s o ) 指的是不符合以上五项限定条件的( ，s i ) ；s = ( 八， ，r ) 表示最终的可接受集；i 里存放不符合五项限定条件的( ，s i ) 。其算法的基本思想 浙江工业大学硕士学位论文 是从一组断言中不断查找支持r 的行为字符串，并逐一加到s a e 去，逐渐从这组断 言中产生出支持r 的行为字符串集。最后判断r 的字符串集是否在s 中，如果确实 包含在s 中，则表示这组断言可以证明请求r 是合法的。 3 2 2 正确理解k e y n o t e 需要认清的若干问题 1 k e y n o t e 的授权机制 随着k e y n o t e 授权主体授权的过程，必定会形成一个由授权主体所形成的 授权链。凡是途经这个授权链的授权主体都可被授予相关权限。这样傲的好处有 二个： 1 ) 便于通信双方的身份鉴别； 2 ) 在安全策略中真正实现了不仅能够身份鉴别，还能够通过身份进行 相应的授权，即解决了不仅能知道你是谁，还知道你能够做什么的 问题。 2 理解信任证书( c r e d e n t i a l ) 1 ) 授权主体可以用它的私钥来签名断言( a s s e r t i o n ) 。断言是允许被授 权主体( l i c e n s e e s ) 在信任管理域中可以进行的操作规范集合。为 了保证授权方的不可抵赖性，授权方在断言的最后予以数字签名。 这样的断言就可以在网络上传播，并且有了一个新的名称：信任证 书。 2 ) 本地根策略是被本地的一致性检验机构( p o l i c yc o m p l i a n c ec h e c k i n g ) 信任的策略，是属于信任域范围内的，所以不需要数字签名。而信 任证书是经过授权丰体签名授权后才可以在网络上传输的“断言”， 所以必须数字签名，以保证授权主体的可信性。 3 信任管理域 信任管理域是一个动态概念，随着信任证书的颁发，信任管理域也相应扩大。 信任管理域中应当有一个策略决策机构，同时会有一个符合要求的本地策略。由 策略决策机构按照本地策略的约束统一制定并颁发信任证书给分布式网络的各 个授权客体。授权客体获取了信任证书，就具有了相应的许可行为。 授权客体获取了信任证书以后，它也具有了授予其他授权客体的权利，但是 浙江工业大学硕士学位论文 它的授权权限受到父授