（计算机系统结构专业论文）基于公钥链的ad+hoc网络公钥管理策略.pdf

中周科学技术人学硎l ：论文 摘要 a dh o e 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳的临时性自 治系统。它不依赖任何固定的基础设施，具有分布式、自组性、动态性、快速构 建等优点，可以应用于军事、救援、科研等多种场合。a dh o c 网络的这些优，托， 使其不论在军事领域还是在民用项目中，都越来越受到人们的青睐。相对于传统 网络而言，a dh o c 网络更容易被窃听、更容易遭受主动入侵、拒绝服务、剥夺 “睡眠”等攻击。公钥管理是网络安全的重要组成部分，但a dh o e 网络自身的 特点决定了传统的公钥管理策略无法满足其安全需求，必须寻找一种适用于a d h o c 网络的公钥管理策略。 本文针对a dh o c 网络的公钥管理策略展开讨论，在对现有方案充分研究和 分析的基础上，提出一种基于公钥链的a dh o c 网络公钥管理策略( p k c p k m ) 。 该策略通过一个离线权威机构，解决了节点首次加入a dh o c 网络时的身份认证 问题：通过构造公钥链，解决了节点公钥的更新过程，使公钥更新变得十分简单： 只需通过一次哈希运算，就能验证更新公钥的正确性。该策略建立在基于身份密 码体制的基础上，避免了节点使用公钥证书证明身份的麻烦，使节点不必花费有 限的资源在证书的签发、发布和管理上，减少了节点的负担。该策略还通过( n ， t ) 门限方案为节点生成私钥，使主密钥分散保存在网络中的n 个节点上，增加 了主密钥的安全性、避免单点失效，使系统具有良好的容错功能。分析表明， p k c p k m 是一种分椎式的公钥管理策略，具有较高的安全性，适用于节点计算 能力较弱、网络带宽较窄的a dh o c 网络。 关键字：a dh o c 网络，公钥管理，单向哈希函数，公钥链 基于身份的密码体制 中国科学技术人学硕l 论文 a b s t r a c t a n a dh o cn e t w o r ki sad y n a m i c ，m u l t i - h o pa n ds h o r t l i v e da u t o n o m o u s s y s t e m t h a ti se s t a b l i s h e db yag r o u po fm o b i l eh o s t so nas h a r e dw i r e l e s sc h a n n e l s u c h n e t w o r k sa r es e l f _ o r g a n i z e d ，d i s t r i b u t e da n dd y n a m i c ，w h i c hc a nb eq u i c k l ys e tu p s i n c ed on o tr e q u i r i n ga n yf i x e di n f r a s t r u c t u r e t h e yc a nb ea p p l i e di nb a t t l ef i e l d ， d i s a s t e rr e s c u e ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm a n yo t h e re n v i r o n m e n t s t h e s ed a y s ，a dh o c n e t w o r k sh a v ea t t r a c t e dal o to fa t t e n t i o ni nm i l i t a r ya n dc i v i l i a nc o m m u n i t i e sd u et o t h e i ra d v a n t a g e s u n l i k et r a d i t i o n a lo n e s ，t h e ya r em o r ev u l n e r a b l et os e c u r i t ya t t a c k s ， i n c l u d i n ge a v e s d r o p p i n g ，a c t i v ea t t a c k s ，d e n i a lo fs e r v i c e ，s l e e pd e p r i v a t i o nt o r t u r e a n ds oo n p u b l i ck e ym a n a g e m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ew h o l en e t w o r k s e c u r i t y b u tm o s to ft h et r a d i t i o n a lp r o t o c o l sd o n t f i t v e r yw e l li n t o t h i sk i n do f n e t w o r k s i ti sn e c e s s a r yt of i n das u i t a b l ep u b l i ck e ym a n a g e m e n ts a c h e mi na dh o c n e t w o r k s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ep u b l i ck e y m a n a g e m e n ts c h e m e i na dh o cn e t w o r k s a f t e rg i v e na ni n t r o d u c t i o no np r i o rp r o t o c o l s ，i tp r e s e n t e dap u b l i c k e y - c h a i n b a s e d p u b l i ck e ym a n a g e m e n ts c h e m ei n a dh o cn e t w o r k s ( p k c p k m ) b ya no f f l i n e a u t h o r i t y , t h ea p p r o a c hc o u l da u t h e n t i c a t et h en o d e s i d e n t i t yw h e nt h e yf i r s tj o i n i n g t h en e t w o r k i ts o l v e dt h ep r o b l e mw h e nn o d e su p d a t i n gt h e i rp u b l i ck e y s b yu s i n ga p u b l i ck e yc h a i n ，t h ep r o c e s so fp u b l i ck e yu p d a t eb e c a m es oe a s yt h a tn o d e sc o u l d c h e c kt h e v a l i d i t y o fa n u p d a t e dk e yo n l yb yac r y p t o g r a p h i c h a s h o p e r a t i o n p k c - p k ms c h e m ei m p l e m e n t e ds e c u r i t yo nt h ei d e n t i t y - - b a s e dc r y p t o g r a p h yw h i c h a v o i d e du s i n gt h ec e r t i f i c a t e st oa u t h e n t i c a t en o d e s i d e n t i t y t h e r ew a sn on e e df o r n o d e st os i g n ，d i s t r i b u t ea n dm a n a g e m e n tt h ec e r t i f i c a t e s s oi te l i m i n a t e dt h en o d e s b u r d e na n ds a v e dt h e i rl i m i t e dr e s o u r c e s p k c p k ma l s o e m p l o y e dt h e ( n ，t ) t h r e s h o l dc r y p t o g r a p h yt oh e l pn o d e sg e n e r a t et h e i rp r i v a t ek e y s ，w h i c hd i v i d e dt h e m a s t e rk e yi n t ons h a r e sa n da s s i g n e de a c ho n et oad i f f e r e n tn o d e i ti m p r o v e dt h e s e c u r i t yo f t h em a s t e r k e y , a v o i d e di n t r o d u c i n gs i n g l ep o i n ta n dh a dt h ef a u l tt o l e r a n t 中困科学挫术人学硕i 论文 c a p a b i l i t y i ti ss h o w e d t h a tp k c p k mi sas e c u r ea n de f f i c i e n td i s t r i b u t e dp u b l i ck e y m a n a g e m e n ts c h e m e ，w h i c hi s s u i t a b l ef o rt h ec o m p u t a t i o n a la b i l i t ya n db a n d w i d t h l i m i t e da dh o cn e t w o r k s k e y w o r d s ：a d h o c n e t w o r k ，p u b l i ck e ym a n a g e m e n t ，o n e w a yh a s hf u n c t i o n ， p u b l i ck e yc h a i n ，i d e n t i t y b a s e dc r y p t o g r a p h y i i i 中周科学技术人学硕i ：论文 惠 吉 ，j 日 a dh o e 网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳的临时性自 治系统 1 。它不需要依赖任何固定的基础设施，具有分布式、自组性、动态性、 抗毁性、容易构建等优点，可以应用于军事、救援、科研等多种场合。a dh o e 网络起源于对战场环境下分组无线网数据通信的研究。但其无需固定基础设施、 能够快速构建的特点越来越受到人们的青睐，使得a dh o c 网络在军事领域得到 发展的同时，也引起了商业领域的极大兴趣，目前已有不少学校和研究机构加入 到a d h o c 网络的研究之中。 与传统网络不同，a dh o c 网络没有中心控制节点，由节点自身充当路由器， 通过节点问的相互协作保持网络互联。整个网络的拓扑结构是动态变化的，节点 可以随时加入或离开网络，节点间通过无线链路进行通信，节点自身的计算能力 与能源有限。相对于传统网络而言，a dh o c 网络更容易被窃听、更容易遭受主 动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”的攻击。a dh o c 网络的特点导致了传统的安全 机制无法满足a dh o c 网络的安全需要，必须采取更适合它的安全策略。 公钥管理是整个网络安全的重要组成部分。传统网络通过c a 2 实现证书的 签发、更新和撤销，以完成对节点公钥的管理。但如果在a dh o c 网络中引入集 中式的公钥管理机构不但会给整个网络带来潜在的安全隐患，同时也与a dh o c 网络的设计初衷相违背。a dh o c 网络自身的特点，决定了其公钥管理方案应该 向着轻量级、分布式、容错性等方向发展，必须寻找一种适用于a dh o c 网络的 公钥管理策略。目前有关a d h o c 网络的公钥管理策略主要包括：局部分布式认 证授权中，h i 3 ，4 、完全分布式认证授权中心 5 、基于证书链的自发证书 6 ，7 、 摹于身份和门限密码体制的管理方案 8 】等等。 本文在对现有方案充分研究和分析的基础上，提出一种基于公钥链的a d h o e 网络公钥管理策略( p k c - p k m ) ，主要贡献和创新如下： 对a dh o c 网络进行了深入研究，包括a dh o c 网络的概念、特点、适用的 场合，特别是存在的安全问题。 对当前主要的三种a d h o c 网络的公钥管理策略：局部分布式认证授权中心、 中周科学技术人学硕j 。论文 完全分布式认证授权中一d 和基于证书链的自发证书迸行了仔细的分析，同时指出 它们的不足。 在分析上述策略的基础上，提出了一种基于公钥链的a dh o c 网络公钥管理 策略( p k c p k m - p u b l i c k e y - c h a i nb a s e dp u b l i ck e ym a n a g e m e n ti na dh o c n e t w o r k s ) ，详细介绍了该策略的基本思想。p k c p k m 解决了节点首次加入a d h o c 网络时的身份认证问题，简化了节点公钥的更新过程。它建立在基于身份密 码体制 9 ，1 0 的基础上避免了使用公钥证书证明节点身份的麻烦，使节点不 必花费有限的资源在证书的签发、发布和管理上，减少了节点的负担。p k c p k m 通过( n ，t ) 门限方案 1 1 为节点生成私钥，主密钥分散保存在网络中的n 个节 点上，增加了主密钥的安全性、避免单点失效，系统具有良好的容错功能。该策 略还利用安全的哈希函数 1 2 1 ，事先构造公钥链，使节点公钥的更新过程变得十 分简单：只需要通过一次哈希运算，就能够验证更新公钥的正确性。 详细论述了p k c p k m 策略，包括p k c - p l ：m 系统的组成、p k c p k m 系统 参数的生成、p k c p k m 节点的初始化、p k c p k m 节点私钥的生成、p k c p k m 主密钥的更新、p k c p k m 节点会话密钥的建立、p k c p k m 节点公钥的撤销等 过程。 对p k c p k m 策略的安全性及性能进行了分析。分析表明，p k c p k m 是一 种分布式的公钥管理策略，具有较高的安全性，适用于节点计算能力较弱、网络 带宽较窄的a d h o c 网络。 本文结构安排如下： 第一章a d h o e 网络概述 第二章a dh o c 网络的公钥管理 第三章p k c - p k m 的基本思想 第四章与p k c p k m 相关的密码知识 第五章基于公钥链的a dh o c 网络公钥管理策略( p k c p k m ) 第六章p k c p k m 的安全性及性能分析 第七章总结与展望 中困科学技术人学顺i ：论文 第一章a dh o c 网络概述 随着计算机和信息领域的不断进步，移动通信技术得到了飞速的发展和普 及，如蜂窝移动通信技术在短短的十几年内就完成了第一代到第二代和二代半的 跨越，并j 下向着第三代系统发展，它的实施大大方便了人与人的沟通。但传统的 移动通信技术需要依赖预先架设的网络基础设施：蜂窝移动通信系统需要基站和 移动交换中心的支持，无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 ) 往往也工作在有接入点( a p ， a c c e s sp o i n t ) 的模式下。但在战场、灾后营救、野外科考、偏远作业等特殊场 合下，要么无法预先架设网络设施、要么预先架设的设施已被损坏，这时就需要 一种能够临时、快速、自动构造的移动通信网络。a dh o c 网络就能够满足这些 特殊场合的应用需求。 本章首先介绍了a d h o c 网络的概念、特点、适用的场合，然后根据其自身 的特点提出a dh o c 网络的安全问题。需要注明的是，本文讨论的a dh o c 网络 是移动的，所以以下对a d h o c 网络、移动a d h o c 网络不加以区分。 i ia dh o c 网络的概念和特点 a d h o c 网络( 移动a d h o e 网络，m a n e t ，m o b i l e a d h o c n e t w o r k ) 是由 一组带有无线收发装置的移动终端组成的多跳的临时性自治系统。a dh o c 网络 出自主的移动节点构成，无需依赖于任何固定的基础设施，构成a d h o c 网络的 节点具有路由和报文转发的能力，能够通过彼此间的相互协作保持网络的互联。 节点间通过无线链路进行通信，节点可以随时加入或离开网络，可以在网络中自 由移动。这种网络既可以独立工作，也可以接入i n t e m e t 或蜂窝网络。 a dh o c 网络的前身是分组无线网( p a c k e tr a d i on e t w o r k ) ，对其研究源于军 事通信的需要 1 3 。早在1 9 7 2 年，美国d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c h p r o j e c t a g e n c y ) 启动了分组无线网( p r n e t ，p a c k e t r a d i o n e t w o r k ) 项目，以研究分 组无线网在战争环境下数据通信中的应用。1 9 8 3 年，d a r p a 启动高残存性自适 应网络( s u r a n ，s u r v i v a b l e a d a p t i v en e t w o r k ) 项目，将p r n e t 的成果加以 扩展，以支持更大规模的网络。1 9 9 4 年，d a r p a 又启动全球移动信息系统 中田科学技术人学硕l 论文 ( g l o m o ，g l o b a lm o b i l ei n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 项目，对能满足军事需求、高抗 毁性、能快速展_ 丌的移动信息系统进行了全面研究。1 9 9 1 年成立的i e e e 8 0 2 1 1 标准委员会 1 4 】将这种特殊的自组织、对等、多跳的无线通信网络称为“a dh o c 网络”。i e t f ( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 也将a dh o c 网络称为m a n e t ( m o b i l e a dh o cn e t w o r k ，移动a dh o c 网络) 1 5 】。 a dh o c 网络在军事领域得到发展的网时，也引起了商业领域的极大兴趣， 其无需固定基础设施、快速自组的特点越来越受到人们的青睐，目前已有不少学 校和研究机构加入到a dh o c 网络的研究之中。 作为一种新颖的网络，a dh o c 网络具有以下显著特点： 1 动态的拓扑结构：构成a dh o c 网络的节点可以以任意方式自由移动，能够 随时加入或离开网络。 2 分布式、无中心：a dh o c 网络不存在中心控制节点，所有节点的地位平等， 网络采用分布式的管理方式，具有较强的鲁棒性和抗毁性。 3 自组性、容易构建：a dh o c 网络不依赖于预先架设的基础设施，节点能够 快速、自主的构建一个独立的网络。 4多跳路由：a dh o c 网络节点的覆盖范围有限。节点要与其覆盖范围之外的 节点进行通信时，需要通过中间节点的转发，即需要经过多跳。与传统网络 中的多跳不同的是，a d h o c 网络的多跳路由是由节点协同完成的。 5 有限的传输带宽：a dh o c 网络采用无线链路进行通信，而无线链路的容量 相对于有线链路低得多。再加上竞争共享无线链路产生的冲突、信道衰减、 噪声、干扰等因素，移动节点实际能够获得的带宽远小于理论上的最大值。 6 移动终端具有局限性：构成a dh o c 网络的移动终端虽然方便灵巧、易于携 带，但相对于固定终端而言，移动终端的存储能力较小、c p u 的处理能力较 弱、成本较高。另外，构成a dh o c 网络时，移动节点通常使用电池，其能 源有限。 7 有限的安全性：a dh o e 网络使用无线链路进行通信，节点能源有限、处理能 力较弱，再加上整个网络采用的是分布式控制技术，这使其更容易受到被动 窃听、主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”等网络攻击。a dh o c 网络由移动节 点自身充当路由，不依赖任何基础设施，使其不存在网络边界的概念，再加 中国科学技术人学硕l ：论文 上a dh o c 网络本身的局限性，使得a dh o c 网络的身份认证、信道加密、密 钥管理等安全问题与传统网络有所不同需要不同于传统网络的解决方案。 1 2a dh o e 网络的应用场合 移动a dh o e 网络具有分布式、自组性、抗毁性、容易构建等优点，可应用 于军事、商业等多种场合： 1 军事领域：a dh o c 网络具有无需架设网络设施、能够快速组建、抗毁能力 较强等特点，使其成为数字化战场通信的首选技术。战场上，士兵使用的可 穿戴计算机、战车上装备的车载计算机可以组成战场环境下的a dh o c 网络， 以实现战场指挥、情报传递等军事活动。 2 传感器网络：在很多场合中传感器网络只能使用无线通信技术，且传感器 的发射功率很小。分散在各处的传感器可以通过a dh o c 网络技术构成一个 整体，实现传感器与传感器之间、传感器与控制中心之间的通信。传感器网 络可以应用于军事、道路、生物、监测等多种场合，具有广阔的应用前景。 3 ，紧急救援场合：地震、火灾等灾难可能对固定网络造成破坏，使网络无法正 常工作。这时，无需固定基础设施、能够快速组建的a dh o c 网络能够在这 些恶劣和特殊的环境下提供通信支持，将对抢险、救灾工作具有非凡的贡献。 4 偏远野外：在偏远的野外地区，无法依赖固定网络设施进行通信时，a dh o c 网络将成为最佳的选择，如野外科考。 5 临时场合：能够快速、简单组网的特征使a dh o e 网络可用于i 临时场合的通 信，如会议、展览等，在室外临时环境下，移动终端用户可以通过a dh o c 方式组成一个l 临时的网络，协同完成某项工作，同时避免布线、部署网络设 备等工作。 6 ，个人通信：个人局域网( p a n ，p e r s o n a l a r e an e t w o r k ) 是指与个人紧密相关 的由多个节点构成的小型网络，用以实现p d a 、手机等个人电子通信设备之 间的通信。 7 商业应用：a dh o e 网络有广泛的商业前景，如组建家庭无线网络、无线数 据网络、移动医疗监护系统等。 8 其他场合：扩展现有蜂窝移动通信系统的覆盖范1 围 1 6 】，实现地铁和隧道等 中困科学技术大学顺i ：论立 场合的无线覆盖，实现汽车和飞机等交通工具之间的通信，用于辅助教学和 构建未来的移动无线城域网和自组织广域网 1 7 1 等。 1 3a dh o e 网络的安全问题 安全性是a dh o c 网络中不可忽视的重要问题，尤其对于军事场合更是如此。 与传统网络不同，a dh o e 网络具有动态的拓扑结构，节点可以在网络中自由移 动，节点问通过无线链路进行通信。a dh o c 网络没有中心控制节点，由节点自 身充当路由器，节点通过相互协作保持网络的互联。相对于传统网络而言， a d h o c 网络更容易被窃听、更容易遭受主动入侵、拒绝服务、剥夺“睡眠”的攻击。 a dh o c 网络的特点导致了传统的安全机制无法满足a dh o c 网络的安全需要，必 须采取更适合它的安全策略。 1 3 1a dh o e 网络的安全目标 要保证a dh o c 网络的安全，必须满足以下要求 1 8 】： 1 可用性：可用性确保y n dh o c 网络在发生拒绝服务攻击或其他恶劣情况下， 仍然能够提供可靠的服务。拒绝服务攻击可以发生在任何层次：在物理层、 数据链路层，入侵者能够通过填满有限的通信信道导致网络或服务不可用； 在网络层，攻击者可以通过破坏路由协议，从而导致整个网络不可用。同时， a dh o c 网络的动态拓扑结构、节点间不可靠的通信信道也对网络的可靠性提 出挑战。 2 保密性：保证信息不会被未授权实体获得。在战场环境下，战略、战术等敏 感数据的保密性显得尤为重要。 3 完整性：保证信息在传输过程中不被篡改。 4 安全认证：保证节点能确认与其通信的节点的身份，在没有全局认证机构的 情况下实施对用户身份的鉴别。 5 不可抵赖性：保证发送方不可否认其发送过的信息，便于事后审计、检测入 侵，并且能够预防内部节点的攻击。 中围科学技术人学邱lj j 论文 1 3 2a dh o c 网络的安全因素 设计一个安全的a dh o e 网络体系结构需要考虑以下因素 1 9 ： 1 网络底层结构( n e t w o r k i n gi n f r a s t r u c t u r e ) ：是网络上层结构和服务的基础， 包括物理拓扑( p h y s i c a lt o p o l o g y ) 和逻辑结构( l o g i c a ls t r u c t u r e ) 。具体有 对等结构和分级层次结构两种方式。 2 网络运行能力( n e t w o r k i n go p e r a t i o n s ) ：包括路由管理和网络管理。 3 物理安全( p h y s i c a ls e c u r i t y ) ：要求网络的节点、链路不被破坏、切断，这 在战场等苛刻环境下显得尤为重要，是网络安全的基础环节。 4 密钥管理( k e ym a n a g e m e n t ) ：密钥管理是网络安全不可缺少的重要组成部 分，是网络安全的支柱。包括信任模型( t r u s tm o d e l ) 、密码系统 ( c r y p t o s y s t e m s ) 、密钥生成( k e yg e n e r a t i o n ) 、密钥分发( k e y d i s t r i b u t i o n ) 、 密钥储存( k e ys t o r i n g ) 等方面。 5 可用性( a v a i l a b i l i t y ) ：可用性保证了网络服务的正常运行，并具有相当的 容错能力。 6访问控制( a c c e s sc o n t r 0 1 ) ：保证授权用户可享受网络服务，非授权用户无 法得到相应的网络服务。 1 4a dh o e 网络的密钥管理 密钥管理是a dh o e 网络安全中不可缺少的重要组成部分。但a dh o c 网络 具有动态拓扑、分布式、自组织、节点计算能力弱等特点，这决定了传统的密钥 管理方案并不适用于a dh o c 网络，有必要寻找一种适用于a dh o c 网络的密钥 管理策略。 1 4 1 密钥管理的内容 安全可靠的密钥管理方案是保证a dh o c 网络安全的基础，密钥管理包括以 下几方面的内容 1 8 】： 1 信任模型：确定了网络中相互信任的成员的类型，根据网络环境和应用的不 同而不同，不同类型成员间的信任关系将直接影响网络的密钥管理。 中困科学技术人学砸l j 论义 2 密码系统：指密钥管理所使用的加密机制，通常为非对称加密机制和对称加 密机制。 3 密钥生成与分发：密钥生成，确定网络中的哪些成员能够生成密钥、指出密 钥的所有者。密钥管理服务，保证生成的密钥能够被安全地发送到其所有者， 保证通信的私密性、完整性和可用性。 4 密钥存储：保存密钥的方式和方法。 必须指出的是，本文以下讨论的a dh o c 网络密钥管理策略中所使用的加密 机制均是非对称加密机制，即公钥管理策略。 1 4 2a dh o c 网络密钥管理的目标 a d h o c 网络的特点，决定了其密钥管理方案应向下列目标努力 2 0 ： 1 轻量级的管理( l i g h t w e i g h t ) ：由于节点的能源有限、计算能力较弱，a d h o c 网络的密钥管理策略应该尽量减少移动节点的计算负担和网络的通信量。 2 分布式的管理策略( d e c e n t r a l i z e d ) ：a dh o c 网络的安全不能依赖固定的中 心实体，需要可信节点的相互协作来保证整个网络的安全。 3 反应式管理( r e a c t i v e ) ：a d h o c 网络的拓扑结构是动态变化的，可信节点、 恶意节点随时都会加入或离开网络。安全管理需要对网络状态的改变产生反 应，要对网络中的节点进行检测，找出网络中的可疑节点和可能发生的攻击。 4 ，容错性( f a u l t - t o l e r a n t ) ：由于无线传输介质的不可靠性，再加上移动节点 随时可能离开网络、随时可能被恶意攻占，这就要求a dh o c 网络的安全管 理需要有较强的容错性。 1 4 3a dh o c 网络公钥管理策略的研究现状 传统网络通过c a ( c e r t i f i c a t e a u t h o r i t y ) 实现证书的签发、更新和撤销，以 完成对节点公钥的管理。但如果在a dh o c 网络中引入集中式的公钥管理机构不 但会给整个网络带来潜在的安全隐患，同时也与a dh o c 网络的设计初衷相违背。 目前有关a dh o e 网络的公钥管理方案主要包括局部分布式认证授权中心、 完全分布式认证授权中心和基于证书链的自发证书。局部分布式认证授权中心建 立在( n ，t ) 门限密码体制的基础上，在构造a dh o c 网络的初始阶段选取n 个 中国科学技术人学倾f j 论义 服务节点构成c a ，并将c a 的公钥告知网络中的所有节点，同时根据( n ，t ) 门限算法，将c a 的私钥分为n 个分量分别交由n 个服务节点管理。每个私钥 分量都可以为其他节点签发部分证书，由n 中的任意t 个可信服务节点的组合可 以完成节点公钥证书的签发，而任何小于等于t - 1 个服务节点的集合则不具备这 样的功能。该策略原理简单、易于实现，但要求构成c a 的服务节点相对稳定， 服务节点的选取、加入、离开网络等问题有待解决，该策略适用于相对稳定的 a dh o c 网络。完全分布式认证授权中心与局部分布式认证授权中一t l , 类似，所0 ： 同的是该策略将c a 的私钥分配给网络中的所有节点，无需选择特殊的服务= 订 点，同时该策略通过节点间的信任模型解决了节点证书的撤销问题。 基于证书链的自发证书，将公钥的管理分布到网络中的各个节点上，不需要 任何证书授权中心的介入，具有较高的自组性。该策略完全依赖节点自身完成证 书的签发、验证、维护等工作。节点在本地保存少量证书，当两个节点希望验证 彼此公钥的合法性时，它们设法从二者的证书库中寻找一条证书链，以完成验证 工作。但该策略只能从概率上保证节点间存在证书链。证书的签发由节点完成， 这无疑对本来能耗有限的节点造成额外的负担；证书链的寻找也会对本来带宽较 窄的网络带来额外的通信量。另外，节点初次加入a d h o c 网络时的身份认证问 题仍然有待解决。 1 5 小结 本章介绍了a dh o c 网络的概念、特点以及适用的场合，分析了a dh o c 网 络的安全问题，同时指出密钥管理是a dh o c 网络安全的关键。分析了密钥管理 策略的内容和目标，并简要概述了当前的公钥管理策略：局部分布式认证授权中 心、完全分布式认证授权中心和基于证书链的自发证书管理策略。下一章将对上 述的公钥管理策略做较为详细的叙述。 中国科学技术人学坝 。论文 第二章a dh o c 网络的公钥管理 传统刚络通过c a 完成对节点公钥的管理，但a dh o c 网络是无中心、自组 织的动态网络。如果在a dh o c 网络中引入集中式的公钥管理机构，会给整个网 络带来潜在的安全隐患。a dh o c 网络自身的特点决定了，传统的公钥管理策略 并不适用于它，必须寻找种适用于a dh o c 网络的公钥管理策略。 本章介绍了三种主要的a dh o c 网络公钥管理策略：局部分布式认证授权中 心、完全分布式认证授权中心和基于证书链的自发证书。 2 1 局部分布式认证授权中心 z h o u 、h a s s 提出了基于( n ，t ) 门限体制的公钥管理策略 3 通过网络中 的一组特殊节点完成c a ( c e r t i f i c a t ea u t h o r i t y ) 的服务。以后的文献将这种策略 称为局部分布式认证授权中，t ：, ( p a r t i a l l y d i s t r i b u t e d c e r t i f i c a t e a u t h o r i t y ) j 2 1 ，2 2 。 2 1 1 局部分布式认证授权中心的基本思想 该策略将a dh o c 网络中的节点分为：服务节点( s e r v e r ) 、组合器( c o m b i n e r ) 和客户节点( c l i e n t ) 。如图2 1 所示，服务节点和组合器是一组特殊节点，它们 彼此问的相互办作能完成c a 的服务。服务节点负责生成客户节点的部分签名、 负责存储证书以响应客户的证书请求：组合器通常为服务节点( s e r v e r ) ，负责 将部分证书合成为一个有效的证书。客户节点是网络中的普通节点，网络中的任 何节点都有自己的公钥私钥对，客户节点可以向c a 发送请求询问其他客户节点 的公钥，或提出请求要求更换自己的公钥。该策略假设在网络层之下能够提供可 靠的链接，假设攻击者在某段时间内最多可以占领t t 个服务节点，假设攻击者 的计算能力不足以破解本策略中的密码算法。 中田科学技术人学形j 论文 客户：竹点 客川晴 皿i z a 服钟点。_ 伍：j 。 驯、_ 邱 服务仃点， ，l 上j 、 面：、卅“警、：口 一、善矿轳1 埔 一：l客户节点矗蕃器 图2 1a dh o c 网络的组成：服务节点、组合器、客户节点 局部分布式认证授权中心建立在( n ，t ) 门限密码策略的基础上。如图2 2 所示，在构造a dh o c 网络的初始阶段选取n 个服务节点( s e r v e r s ) 构成密钥管理 服务器( k e ym a n a g e m e n ts e r v i c e ) 【3 ，由这n 个服务节点分享密码操作的能力， n 中的任意t 个可信服务节点的组合能够完成证书的签发，而任何小于等于t 1 个 服务节点的组合无法提供正确的证书。密钥管理服务器实际完成的就是c a 的功 能，有些文献直接将其称为c a 2 1 ，2 2 1 ，本文也将其称为c a 。 c a ：p k r s k c 图2 - 2 局部分稚式认证授权中一t l , c a 私钥的分享 中闭科学技术人学坝l ：沦义 p k c a s k c a 为c a 的公钥私钥对p k c 被网络中的所有节点共享，所有节 点相信任何由s k c a 签发的证书。私钥s k c a 被分成n 份：s i 、s 2 、s n ( n 个私钥分量) 交由n 个服务节点分别保存，服务节点i ( i = l ，2 ，n ) 保存有私 钥分量s 。服务节点i 除了有自己的公钥私钥对p k ，s k 。，还需要在本地保存网 络中所有节点的公钥，尤其需要知道其他服务节点的公钥，以保证服务节点之问 能够建立安全的通信。c a 为节点a 签发证书的过程如下：服务节点i 使用s 为 节点a 签发部分签名，并将部分签名发送给组合器，组合器接收到t 个正确的部 分签名后，将部分签名进行组合，最终生成一份正确的证书。为了提供安全的公 钥管理服务。必须严格保证c a 私钥的安全。c a 必须能够及时处理客户节点的 询问和更新请求，同时保证返回给客户节点的总是节点最新使用的公钥。 图2 3 给出通过( 3 ，2 ) 门限方式建立的c a 提供数字签名的过程。s k c a 被分成三部分：s l 、s 2 、s 3 ，服务节点l 、服务节点2 、服务节点3 分别保存s l 、 s 2 、s 3 。服务节点1 、2 通过s l 、s 2 生成消息1 1 1 的部分签名，并将部分签名发送 给组合器。在服务节点3 无法提供部分签名的情况下，组合器依然能够获得消息 m 的正确签名。 。 消息m 图2 - 3 基于( 3 ，2 ) 的门限签名方案 2 1 2 私钥分量的更新 签名s ( m ，s k c a ) a dh o c 网络容易遭受移动攻击者( m o b i l ea d v e r s a r i e s ) 2 3 】的攻击，即攻 击者在攻占某个节点后，又在网络中迅速移动寻找下一个牺牲者，只要攻击者成 功占领了t 个服务节点，就能够重构c a 的私钥，对整个网络产生严重危害。定 时对服务节点拥有的私钥分量进行更新，可以减少a dh o c 网络遭受这种攻击的 可能性。 中固科学技术人学坝i 论义 私钥分量更新策略必须保证，服务节点能够在原先拥有的私钥分量基础上， 计算出新的私钥分量，同时对任何服务节点而言s k c 一不被暴露。新的私钥分量 将组成新的( n ，t ) 分享方案，更新前和更新后的私钥分量相互独立，攻击者不 可能使用新旧私钥分量的组合获取s k c 。这样，移动攻击者只有在某段时问内 攻占了t 个服务节点，才能伪造j 下确的数字签名。私钥分量的更新依赖于以下的 同态性( h o m o m o r p h i cp r o p e r t y ) ： 如果( s ? ，碰，戳) 为k 。的( n ，t ) 共享方案，( s 九s ；，s ；) 为k ：的( n ， t ) 菸享方案，则( s l i + s ? ，s ：+ s ；，s j + s ：) 为k + k ：的( n ，1 ) 共享方案。如 梁世，= o ，则获得一份新的k 的( n ，t ) 共享方案。 假设( s ，s ：，) 为s k c n 的( n ，t ) 共享方案，节点i 保存s ，在所有服 务节点正确的情况下对私钥分量进行更新的过程如下：每个服务节点随机生成0 的( n ，t ) 共享方案：( s 。s 。，s ，。) ，并将s , 7 发给服务节点j ，服务节点j 获得 s 护s ：，s 。后计算新的私钥分量s j = s ，+ 西。 i = l 为了兼容错误的节点，可以只通过t 个正确服务节点提供的信息获得新的私 钥分享方案，同时对私钥分量的正确性进行检测【2 4 ，2 5 。为了适应a dh o c 网 络的动态拓扑结构，也可以将( n ，t ) 门限方案更新为( n 1 ，t 1 ) 门限方案，以 便c a 根据实际情况进行调整，发现有服务节点被攻占则抛弃该节点，选用其他 合适的节点构造c a 2 6 1 。 2 1 3 局部分布式认证授权中心的优缺点 局部分布式认证授权中心，适用于有组织、长时间存活的a dh o c 网络，具 有优越的密钥分配方式，保证了消息的完整性、不可否认性。不过该方案缺少证 书撤销机制、需要证书同步机制，服务节点的选择、加入、离开网络等问题仍有 待解决。局部分布式认证授权中心还要求网络中的所有节点有执行公钥加密、解 密的能力，假设网络中存在一组节点愿意并能够提供c a 的服务。 中困科学技术人学坝j j 论立 2 2 完全分布式认证授权中心 完全分布式认证授权中心【5 ，2 7 ，2 8 也适用于有组织、长时问存活的a dh o c 嘲络，它同样要求网络中的所有节点有执行公钥加密算法的能力。该方案也建立 在( n ，t ) 门限密码方案的基础上，不过它不需要选择特殊的服务节点，而是将 c a 的私钥分配给网络中的所有节点。任何节点在加入a dh o e 网络前，首先需要 从离线的管理中心( o f f l i n ea u t h o r i t y ) 2 8 获得一份关于其身份的证书。在构建 a dh o c 网络的最初阶段，由管理中心负责初始化最初的t 个节点。在初始化这些 节点后，管理中心就不参与a dh o c 网络的任何管理工作了，完全由这t 个节点的 协同工作帮助其他节点加入网络。 任何新加入网络的节点都将成为分布式c a 的一员，新节点需向t 个邻节点提 出c a 私钥分量的申请。邻节点首先对其初始证书的合法性进行验证，验证通过 后，再给新加入的节点分配一个c a 私钥分量。新节点并不会因此知道其邻节点 的私钥分量，因为它接收到的只是邻节点将彼此的私钥分量进行混合后的值。 该策略也引入信任模型的概念，若节点被t 个可信邻节点相信，则认为该节 点是可信节点。节点i 需要更新证书时，向其邻节点提出请求。邻节点j 检查节，孙 的记录，若节点i 的记录良好，则用自己的私钥分量签署部分证书并将其发送给 恬点i ，否则节岗不理会节点i 的更新请求。节点i 只有获得t 个部分证书，才能将 它们组合起来得到新的证书。 节点证书的撤销也建立在信任模型的基础上，节点负责监控自己一跳范围内 的邻节点的行为。节点i 拥有一张证书撤销列表c r l ，一旦发现邻节点有错误行 为，就会把该：竹点的证书加入到自己的c r l 表中，同时发布公钥撤销通告。节点 j 在接到撤销通告后，首先检查自己的c r l ，确定该通告是否出那些证书已经被 撤销的节点发出。若是，则认为该通告无效；否则，节点i 标记被通告的节点为 可疑节点。当节岗接收到的对节点a 的有效指控通告大于某个阙值时，节点i 撤销 节点a 的证书。 完全分和式认证授权中，t l , 同样具备优越的密