（计算机应用技术专业论文）电子商务体系安全解决方案的研究与设计.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术和通信技术的迅猛发展，敏感信息通过计算机网络进行交 换，特别是电子商务的迅速发展，更多的信息需要严格保密，如，银行账号、 个人档案等。密码学的出现，满足了信息的秘密性与真实性的需求。信息安全 也随着人们的意识和信息量的增多而日渐受到重视。因此电子商务应用需要一 个通用的、可靠的安全平台，它能为安全用户提供安全认证、安全策略、安全 服务等功能。随着信息安全市场的成熟，出现了很多安全产品。目前，研究的 热点是安全中间件和公钥基础设施。它们可以为电子商务提供更优良的安全服 务。数字图像水印是数字水印技术的一个分支，它可以弥补传统加密技术的不 足，具有极大的应用前景，也是当前研究的一个热点。 本文主要研究电子商务的安全问题，包括系统的认证机制、授权与访问控 制机制和安全通信机制，以及与此相关的安全协议。采用的研究方案为：先进 行电子商务体系的安全需求，再设计相关的安全机制，最后设计电子商务体系 的安全解决方案，并在此基础上进行电子合同订立系统的设计。论文首先介绍 课题研究所依赖的密码学基础知识，包括对称密钥密码学、公钥密码学和数字 签名算法，以及常用的安全机制和协议。针对传统电子商务体系的安全缺陷， 本文提出了采用信息隐藏技术的解决方案，这包含了数字水印的生成，嵌入和 提取以及与数字签名技术结合运用于电子商务体系的可行性。论文详细描述了 基于p k i 安全中间件的电子商务体系的体系结构、安全机制、安全策略和一个 具体的电子商务应用系统一电子合同订立系统，其模型我们借用了数字保护安 全模型，由此建立安全电子合同订立系统。 关键词：公钥基础设施，安全中间件，数字水印，安全机制 湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，l o t so f s e n s i t i v ei n f o r m a t i o na l eb e i n ge x c h a n g e dt h r o u 曲c o m p u t e rn e t w o r k s ，e s p e c i a l l y 州t h t h ew i d e l yu s eo fe l e c t r o n i cc o m m e r c ea p p l i c a t i o n s ，m o r ea n dm o r ep r i v a t ei n f o r m a t i o n n e e dt ob es e c u r e d f o ri n s t a n c e b a n ka c c o u n tn u m b e r , p e r s o n a lp r o f l ei n f o r m a t i o n a n ds oo n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc r y p o l o g yw h i c hi ss a t i s f i e dt h en e e do fs e c u r i t y a n dt r u t ho fi n f o r m a t i o n w i t ht h er a p i dg r o w t ho fp e r s o n a li n f o r m a t i o na n dp e r s o n a l a w a r e n e s s ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t yi sg r a d u a l l yg a i n i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s e e l e c t r o n i cc o m m e r c ea p p l i c a t i o n sn e e dac o m m o na n dr e l i a b l es e c u r e dp l a t f o r mw h i c h p r o v i d e ss e c u r i t ya u t h e n t i f i c a t i o n ，s e c u r i t yd e c i s i o n ，s e c u r i t ys e r v i c e sf o rc l i e n t s a st h e i n f o r m a t i o ns e c u r i t ym a r k e t g e t t i n gm o r em a t u r e ，t h e r em o r es e c u r i t yp r o d u c ta r e d e v e l o p e db y al o to f r e s e a r c ha n dc o m p a n y c u r r e n t l y ，t h e yf o c u so np k ia n ds e c u r i t y m i d d l e w a r e t h e s et e c h n o l o g i e sc o u l dp r o v et h eb e t t e rs e c u r i t ys e r v e rf o re l e c t r o n i c c o m m e r c ea p p l i c a t i o n s d i g i t a li m a g ew a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m sw h i c ha r eo n eo ft h e i n v e s t i g a t i o nh o t s p o t si nt h ed i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u e s ，a n dc o m p l e m e n tt h e 订a d i t i o n a ls e c u r i t yt e c h n o l o 西c s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e so ns e c u r i t yp r o b l e mo f e l e c t r o n i cc o m m e r c ea p p l i c a t i o n s i n c l u d i n gu s e ra u t h o r i z a t i o na n da c c e s sc o n t r o lm e c h a n i s m ，s e c u r i t yc o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ms t u d ys c h e m ei s ：f i s t l y , a n a l y i n gi t ss e c u r i t yn e e d ；s e c o n d l gd e s i g n i n gt h e m e c h a n i s m st h a t a d a p tt h ee l e c t r o n i cc o m m e r c ea p p l i c a t i o n s ；f i n a l l y , p l a n n i n gt h e s e c u r i t ys o l u t i o ns c h e m eo fe l e c t r o n i cc o m m e r c ea p p l i c a t i o n ss t m c t u r ea n dd e v e l o p i n g t h eb a s eo nt h i sm e t h o dt od e s i g nae l e c t r o n i cc o n t a c ts t r u c t u r e a tt h ef i r s t ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ep r i m a r yk n o w l e d g eo f c r y p t o g r a p h y , i n c l u d i n gs y m m e t r i ck e ys y m m e t r i c k e yc r y p t o g r a p h y , p u b l i ck e yc r y p t o g r a p h y , a n dd i g i t a ls i g n a t u r ea l g o r i t h m ，a n d s o m ew e l l k n o w ns e c u r i t ym e c h a n i s m s p r o t o c o l s i no r d e rt os o l v et h ed e f e c to ft h e t r a d i t i o n a le l e c t r o n i cc o n n e r c ca p p l i c a t i o n ss i l x l c t u r e , w ed e v e l o pam e t h o dw i t h i n f o r m a t i o nh i d i n gt e c h n o l o g i e st h a ti si n c l u d i n gt h ea l g o r i t h m ，t h ee m b e d d i n ga n dt h e e x t r a c to f d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ，c o m b i n ew i t hd i g i t a ls i g n a t u r et e c h n o l o g i e s i naw o r d ，t h i sp a p e rf o c u so nb u i l d i n gae l e c t r o n i cc o l n m c r c ea p p l i c a t i o n s s t r u c t u r eb yd e s i g ne l e c t r o n i cc o m m e r c ea p p l i c a t i o n s ，s e c u r i t yp r o t o c 0 1 w eu s et h e e l e c t r o n i cc o n t r a c tw h o s em o d e li ss i m i l a rw i t hd i g i t a lc o p y r i g h tp r o t e c t i o ns e c u r i t y m o d e lb a s e do np k i ，a sae x a m p l et oe x p l a i nh o wt op r o t e c tt h es e c u r i t yo fe l e c t r o n i c c o m m e r c ea p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：p u b l i ck e yi n f r a s t r u c t u r e ，s e c u r i t ym i d d l e w a r e ，d i g i t a lw a t e r m a r k i n g ， s e c u r i t ym e c h a n i s m i i 诹 l 亡工f t 火罄 学位论文原创性声明和使用授权说明 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，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孱殇r 乙日期：伽占年石月易日 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，即：学校有权保留 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 权湖北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。 学位论文作者签名：庶应 日期：w 年6 月【日 指导教师签名 日期：年月 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章引言 随着计算机技术的进步与网络应用的发展，电子商务也在迅速发展。电子 商务作为一种全新的业务和服务方式，利用简单、快捷、低成本的电子通信方 式为全球客户提供了丰富的商务信息，简捷的交易过程和低廉的交易成本。相 对于传统的商务贸易，从洽谈、签约、交货到付款均在网络上进行。这样一来， 电子商务加速了商务处理过程，减少了商业成本，创造更多的机会。但是，电 子商务在给人们带来方便的同时，也给人们带来了不少安全问题。目前，虽然 防火墙等安全工具已经被普遍地应用到各种网络环境中，但网络仍然存在着许 多安全隐患，网上交易安全已成为电子商务的最大问题。 现在，一般采用分布式应用系统来构建电子商务系统。在构建一个电子商 务安全体系时要注意以下几点： ( 1 ) 良好的电子商务环境：包括有效阻止黑客入侵、防止信息灾难事故、简 化网络应用等。由于采用分布式体系，网络异构问题( 不同硬件平台、不同操作 系统、不同数据库系统) 日益突出。这些问题只靠传统的系统软件或网络工具软 件提供的功能已经不能满足日益增长的需求，作为电子商务网络应用体系的中 间平台也就应运而生了。中间件作为一种基础软件，处于操作系统和应用程序 之间，是构件网络分布式应用系统的重要支撑工具； f 2 ) 确保电子商务安全交易：包括双方身份验证，身份鉴别，防止抵赖和篡 改，以及对数据的加密、解密。由于计算机技术的日益发展，原来的一些安全 措施也逐渐变的不安全。例如数字签名技术，它有可能被黑客删除。所以我们 要寻找更可靠的技术去确保电子商务的安全。目前，信息隐藏技术很值得我们 应用在构建电子商务体系中。 本文研究的电子商务体系安全解决方案基于公开密钥基础设施( p u b l i c k e yi n f r a s t r u c t u r ep ) 体系的安全中间件。采用的技术有对称加密与解密、非 对称加密与解密、数字签名、身份验证、证书认证，以及密钥生成、存储、销 毁等p k i 基本功能，和数字水印技术。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 电子商务体系安全概述 1 2 1 电子商务体系安全的构成 电子商务对整个系统的安全性有比较高的要求，系统的安全措施应按系统 体系建立，需要考虑以下几个方面的安全性问题i l l ： ( 1 ) 环境和硬件 采取适当的保护措施、过程来保护计算机设备、设施( 含网络) 以及其它 媒体免遭地震、水灾、火灾、有害气体和其它环境事故( 如电磁污染等) 破坏。 ( 2 ) 网络层 网络层是网络入侵者进攻信息系统的渠道和通路。许多安全问题都集中体 现在网络层的安全方面，其具体表现如下： 网络拓扑结构：保证网络安全的首要问题就是要合理划分网段，利 用网络中间设备的安全机制控制各网络问的访问： 网络协议：由于网络系统内运行的t c p i p 协议并非专为安全通讯 而设计，所以网络系统存在大量安全隐患和威胁。 ( 3 ) 操作系统 由于目前所使用的计算机网络操作系统，其系统本身在结构和代码设计时 偏重于考虑系统使用的方便性，所以易导致系统的安全机制不健全，存在很多 安全漏洞。 ( 4 ) 数据库 由于数据库管理系统对数据库管理是建立在分级管理的概念上，因此数据 库管理系统的存在着安全隐患。再则数据库管理系统的安全必须与操作系统的 安全相配套，所以随之而来就带来了一系列的安全问题。 f 5 ) 应用系统 应用层安全是指网络上的应用系统的安全，包括各个业务系统的应用系统， 例如内部办公自动化系统等。应用层安全的解决目前往往依赖于网络层、操作 系统、数据库的安全，由于应用系统复杂多样，没有特定的安全技术能够完全 解决一些特殊应用系统的安全问题。但对一些通用的应用程序，如w e bs e r v e r 程 序、f t p 服务程序、e m a i l 服务程序、浏览器、m so f f i c e 办公软件等，网络 安全巡警系统或系统漏洞扫描可以帮助检查这些应用程序自身的安全漏洞和由 于配置不当造成的安全漏洞。 ( 6 ) 人为因素 湖北工业大学硕士学位论文 由于不管什么样的网络系统都离不开人的管理，但大多数网络系统又缺少 安全管理员，特别是高素质的网络管理员。另外，也缺少网络安全管理的技术 规范，缺少定期的安全测试与检查以及缺少安全监控。甚至于有的网络管理员 和用户的注册、口令等至今还处于缺省状态。比如，员工在i n t e r n e t 网上下 载资料，将病毒一块带入局域网内部；员工的操作不熟练等。这些都可能造成 网络的安全威胁，应该建立一些良好的安全管理制度和时时检测系统。 1 2 2 信息安全问题 电子商务体系存在的信息安全问题有： ( 1 ) 身份认证 由于非法用户可以伪造、假冒电子商务网站、社会团体、企业和个人身份， 因此登录到网上的企业内部人员、社会团体、企业和个人无法知道他们所登录 的电子商务网站是否可信任，电子商务网站也无法验证登录到网站上的客户是 否是经过认证的合法用户。口令认证这种传统认证方式安全性较弱，易被窃取、 泄露和攻破。 f 2 ) 信息的机密性和完整性 传输在各企业间、企业与个人间的敏感、机密信息和数据有可能在传输过 程中被非法用户截取或被恶意篡改。 ( 3 ) 信息的不可抵赖性 网上行为一旦被否认，没有已签名的记录来作为仲裁的依据。 1 2 3 安全服务 为了更好的解决各种信息安全问题，我们需要进行相关安全机制的设计。 这里先介绍一个概念：安全服务。安全服务是指一个系统新提供的安全功能， 安全机制则是安全服务的技术实现措施。一般地，一种安全服务可由一种或多 种安全机制来实现，一种安全机制也可以用于多种安全服务的实现中。根据开 放系统互联( o s i7 4 9 8 2 ) 描述的基本参考模型，安全服务定义为：“在开放 系统之间的网络通信，为了防止不同层次的安全威胁，而采取的安全防范措施”。 计算机网络环境中需提供的安全服务，如图1 1 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图1 - 1 安全服务 ( 1 ) 认证：指一个通信实体能确认与之通信的对等实体正是它所需要的实 体。认证提供关于某个人和某个事物身份的保证，某人( 或某事) 声称具有一 个特别的身份时，认证业务将提供某种方法来证实这一声明是真实的。口令是 一种提供认证的熟知方法，但安全性很低。目前，比较先进的认证方法是智能 卡身份验证、数字证书。认证服务分为以下两种情况：实体认证，在连接建立 或在数据传送阶段的某些时刻提供使用，用以证实一个或多个连接实体的身份； 数据源认证，对数据单元的来源提供确认，确信数据来源正是所要求的对等实 体。 ( 2 ) 访问控制：指系统能够对资源( 包括对资源的各种操作与使用) 访问进 行控制，保证只有对资源拥有访问权限的主体才能访问资源。一般来说，一个 系统中几乎所有的资源都需要访问控制，只是所需要的访问控制的强度不同， 这是由系统的安全策略决定的。访问控制可以有效地维护系统的机密性、完整 性和可用性。实现手段主要有身份鉴别、证书认证、防火墙技术等。 ( 3 ) 机密性：指系统能够防止敏感信息的非授权泄漏。系统定义的安全策略 确定什么样的信息是敏感信息、什么样的人可以访问到何种敏感信息。机密性 主要通过身份鉴别、证书认证机制、访问控制、加密等机制来实现。 r 4 ) 数据完整性：它能够保证系统中的软件和数据不被非法删改，它分为软 件( 程序) 完整性和数据完整性两方面的内容。数据完整性是最基本的安全要 求，它保证计算机系统中的各种数据在存储、传输和处理的过程中免遭任何非 授权的和非预期的修改、插入、删除、重发等破坏，从而确保数据的真实性、 有效性和一致性。数据完整性主要通过对数据进行数字签名的手段以提供保证。 f 5 ) 不可否认性：指在一次通信交换中一方事后不能够否认曾经发生过本次 湖北工业大学硕士学位论文 交换。它包括两种服务形式：一种是数据原发证明的不可否认性；另一种是有 交付证明的不可否认性。不可否认性主要通过数字签名和公证机制来实现。 ( 6 ) 服务可用性：指系统工作正常，能够及时和有效地为合法用户提供安全 服务，它是一种较高的安全需求，需要综合各种安全机制来保障。 ( 7 ) 安全审计：指系统中的每一项与安全有关的操作都要记载，形成审计记 录，保留必要的时限以供审查。 1 3 相关研究与应用动态 安全问题是当今信息化发展的主要瓶颈。由于安全的代价很高，因此这类 瓶颈综合体现了各种网络计算中所面i 临的典型问题，如吞吐量、大规模并发等 效率、性能、成本等。所有这些问题不可能由一般的用户解决和掌握。为此， 本文运用基于公钥基础设施的安全中间件来解决电子商务体系的安全问题。首 先，安全中间件屏蔽了安全复杂性，提供了简单易用的应用接口等功能，使应 用程序的开发不在困难。再则，公钥基础设施能提供加密、认证等安全服务， 使电子商务体系安全可靠。但是计算机技术的发展给已有的安全服务带来的挑 战，比如基于数字签名技术的认证系统无法避免非法用户对数字签名的篡改和 删除。信息隐藏技术的出现带来了更优的解决方案，虽然它的使用还在初级阶 段。 中间件的应用范围十分广泛，有很大的发展前景。据有关的统计表明，近 五年来，全球中间件的销售额平均年增长率为3 4 ，至1 j 2 0 0 4 年总销售额达至1 j 9 7 亿美元。中间件己经成为国际i t 巨头竞逐的目标，各大软硬件厂商都在积极参 与有关标准的制定和产品的研发工作，像m 、甲骨文、b e a 、微软等都制定 了相应的战略。据估计，未来基于网络的电子商务业务将有7 9 建筑在中间件 基础之上。 目前在电子商务应用中，主要的安全中间件平台有： ( 1 ) i n t e l 的通用数据安全体系结构c d s a 。它创建了跨平台的、安全的、可 操作的安全基础体系，具有很好的健壮性，可移植性好，并且已经被t o g 接纳 为标准，保证了互操作性。 ( 2 ) o p e ns s l t l s ，作为开放源代码的s s l 协议的实现，提供了在传输层上 的安全传输，在采用w e b 方式的安全服务体系中，采用比较广泛。 ( 3 ) m i c r o s o f tc r y p t oa p i ，r s ab s a f e ，c r y p t oa p i 提供各种安全服务应用 接口。 湖北工业大学硕士学位论文 1 4 本论文的章节介绍 全文共分六章，第一章主要介绍课题的来源和背景，文章的章节安排。第 二章介绍了密码技术和数字证书的基础知识，它涉及到我们课题研究中所使用 的基本安全技术。第三章介绍了公钥基础设施和安全中间件的相关内容，为后 来的设计和研究电子商务体系安全解决方案打下基础。第四章分析了电子商务 体系的安全需求，并针对这些需求提出相应的解决方案；接着描述了一个基于 p k i 安全中间件的电子商务体系软件架构参考模型，并且深入地探讨了体系中 各种安全机制的设计问题，同时给出了相应安全机制的概要设计，如电子商务 体系的认证机制、授权机制。第五章设计了一个基于p k i 安全中问件的电子商 务体系的应用系统实例：电子合同订立系统，并给出了相应的安全方案设计以 及流程等，同时进行了安全性分析。第六章对本文研究的电子商务体系安全解 决方案进行总结，并对下一步工作提出了建议。 1 5 小结 本章介绍课题的研究背景，以及各章节的主要内容。为后续的章节做了一 个铺垫。 湖北s - 业大学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章密码技术和数字证书 密码技术是信息安全的核心。密码学( c r y p t o l o g y ) 2 1 包括密码编码学和密 码分析学，前者是研究编制密码使消息保密的技术；后者是研究如何破译密码 获得原始消息的技术。 我们根据英语开头两个字母a 和b ，把通信双方分别称为a l i c e 和b o b ，并 把企图偷听者称为e v e ( 被动攻击者) ，把可能篡改和伪造消息的恶意偷听者称 为m a l l e t ( 主动攻击者) 。假设a l i c e 和b o b 是两个在不安全信道中通信的人， 以一种使偷听者不能明白和理解通信内容的方式进行通信。a l i c e 发给b o b 的 未加密信息称为明文( p l a i n t e x t ) ，使用密钥加过密的信息称为密文( c i p h e r t e x t ) 。 如果偷听者不知道密码体制，那么进行密码分析会更困难，但是偷听者很容易 知道我们正在使用的密码体制，而且现在使用的密码体制一般都是公开的。所 以，根据密码学中的k e r c l d a o f f s 假设，在设计密码体制时，我们假设偷听者知 道正在使用的密码体制，并考虑它是否能经受住偷听者的各种攻击。 常用的密码分析攻击包括： ( 1 ) 密文攻击( c i p h e r t e x to n l y a t t a c k ) ：偷听者只知道消息的密文，且这些 消息都用同一加密算法加密。 ( 2 ) 己知明文攻击( k n o w np l a i n t e x ta t t a c k ) ：偷听者不仅得到一些密文， 而且也知道相应的明文。 ( 3 ) 选择明文攻击( c h o s e np l a i n t e x ta t t a c k ) ：偷听者不仅得到一些密文和 相应的明文，而且还可以独立或组合的选择明文。 ( 4 ) 自适应选择明文攻击( a d a p t i v e l yc h o s e n - p l a i n t e x ta t t a c k ) ：偷听者不仅 能够选择被加密的明文块，而且能基于以前加密结果自动修正当前明文块的选 择。 密码学是在编码与破译的斗争实践中逐步发展起来的，并随着先进科学技 术的应用，己成为一门综合性的尖端技术科学。它与语言学、数学、电子学、 声学、信息论、计算机科学等有着广泛而密切的联系。随着计算机网络不断渗 透到各个领域，密码学的应用也随之扩大。数字签名，身份鉴别等都是由密码 学派生出来的新技术和应用。 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 对称密码系统 在进行加密过程时需要两个输入项：明文和加密密钥。与此类似，解密过 程中需要密文和解密密钥。这里，明文代表了未经保护的敏感数据，而密文可 以在不被信任的环境中传输。加密系统有两种基本形式：对称加密系统( 私有 密钥加密系统) 和非对称加密系统( 公开密钥加密系统) 。两种加密系统有不同 的特点，并采用不同的方式来提供安全服务。下节讨论公开密钥加密系统。 对称密码( 私有密钥) 早在二十世纪七十年代就开始在商业网络中应用， 其特点是数据的发送方和接受方使用的是同一把私有密钥。对称密钥密码系统 分为两类1 4 1 ，即块密码( b l o c kc i p h e r ) 和流密码( s t r e a mc i p h e r ) 。 ( 1 1 块密码 其基本思想是：对n 位长度的固定大小的明文块进行操作，形成也是n 位 长度的固定大小的密文块。解密则是对n 位长度的密文块进行操作，形成n 为 长度的明文块。这里，n 的长度一般为6 4 或1 2 8 位。分组密码的加密规则如下 所示：设使用相同的密钥k 来加密，明文串为x = x lx 2x 3 ，则密文串y 为 y = y ly 2y 3 = e k ( x 1 ) e k ( x 2 ) e k ( x 3 ) 常见的块密码加密标准算法是d e s | 5 1 ( d a t ae n c r y p t i o ns t a n d a r d ，数据加密 标准算法) 、a e s t 6 1 ( a d v a n c e de n c r y p t i o ns t a n d a r d ，高级加密标准) 。通常文件 加密、安全电子邮件等都使用分组密码加密。 ( 2 ) 流密码 其基本思想是：对明文信息或任意长度的数据流进行操作，形成同样长度 的密文。密码流( k e y s t r e a m ) 加密一般是将数据作为字符序列进行处理，通常 是按位异或操作，密码流用来加密明文。密钥流的生成可以独立于明文数据和 密文数据，这样的流密码称为同步流密码，否则称为异步流密码。流密码的加 密规则如下所示：设生成的密钥流为z = z l z 2 2 3 ，明文串为x = x lx 2x 3 ， 则密文串y 为 y 2y ly 2y 3 = e z l ( x 1 ) ez 2 ( x 2 ) ez 3 ( x 3 ) i n t e m e t 应用中最流行的商用流密码是r c 4 ，它使用一个密钥流字节对明文 的每个字节进行异或处理，从而对其加密。r c 4 比标准d e s 加密要快1 0 倍， 它非常适于w e b 浏览中所要求的大数据量和快速响应时间。 流式算法和块式算法的根本不同在于，算法的每次操作所加密的数据量不 同。流密码按照一位接一位的方式加密消息；块密码按照一块接一块的方式来 加密消息。流密码比块密码更加易于实现，它加密的速度要快得多。决定使用 湖北工业大学硕士学位论文 哪一种密码取决于是速度重要，还是频繁生成分发密钥所带来的不便更重要。 在个人计算机和i n t e r n e t 上，块密码更常见。 2 3 公钥密码系统 对称加密提供了机密性。若只有a l i c e 和b o b 两人知道密钥，那么b o b 可 以确信来自于a l i c e 的消息是真实和完整的。看起来a l i c e 和b o b 的麻烦结束了， 但还是存在几个问题。第一个问题是密钥的安全分发。a l i c e 和b o b 必须先对密 钥达成共识，并且密钥不被其他人获得：第二个问题是a l i c e 可能会否认向b o b 发送过消息；第三个问题是密钥的管理。如果a l i c e 想聘用几个新员工，则需要 分别为他们建立一个独立的密钥。这样一来密钥数量呈指数增长，既k 个人两 两通信共需要k ( k 一1 ) 2 个密钥，对于1 0 0 个人的机构就要分发大约5 0 0 0 个密钥。 了解所有这些密钥变的无法控制了。总的说来，对称密钥密码系统的根本问题 是密钥的分发和管理问题。 我们可以通过公钥密码系统去解决密钥的分发和管理问题。公钥密码即非 对称密码系统。它的设计思想为：假定a l i c e 想向b o b 发送一个消息，首先a l i c e 获取b o b 的公钥，通过此公钥加密消息并发送给b o b ，一旦加密了该消息，偷 听者无法使用对其加密的公钥进行解密，只有通过b o b 私钥来解密。这种公钥 密码算法的特点是每个系统用户需要两个独立的密钥：公钥( p u b l i ck e y ) , 私钥 ( p r i v a t ek e y ) 。在不能根据公钥计算出相应的私钥的前提下，任何人可以通过 这个公钥加密消息发送给你，而只有掌握对应私钥的你可以解密。这样，通信 双方无需像对称密码系统一样先交换密钥。1 9 7 6 年d i f f i e 和h e l l m a n t 7 1 发表了 “密码学的新方向”一文，提出了公钥密码算法。这一算法有效克服了对称密 码算法的密钥分发困难，又可以用于数字签名等功能，为网络时代的信息安全 提供了新的理论和技术基础。公钥密码系统如图2 - 1 所示。 图2 1 公钥密码系统 为了保证偷听者无法有效地根据公钥计算出相应的私钥，公钥密码系统通 湖北工业大学硕士学位论文 过采用单向陷门函数( t r a p d o o ro n e w a yf u n c t i o n ) y = f f t ) 做到这一点。这种函 数容易计算出y = “t ) 的值，但是难于求逆。这样，当a l i c e 给b o b 发送加密消 息时攻击者又无法轻易解密。但是对一个实用的密码系统而言，仅仅要求单向 显然不够，因为b o b 还希望能够快速解密。如何解决这个矛盾呢? b o b 只要拥 有一些秘密知识就可以快速解密，除了b o b 之外，其他任何人都难于解密。这 些秘密知识就是陷门。 至今，最成熟的公钥密码算法是由美国麻省理工学院的三位教授r i v e s t 、 s h a m i r 和a d l e m a n 于1 9 7 7 年提出的r s a 算法。r s a 算法是一种可逆的公开 密钥加密系统，它通过一个称为公共模数的数字来形成公开密钥的，公共模数 是通过两个形成私人密钥的两个质数的乘数来获得的。它既能用于加密也能用 于数字签名，所以目前非常流行。一个r s a 密钥的计算方法【8 1 为：选择一个整 数e 作为公共指数，再任选两个很大的质数p 和q ，它们满足以下条件：即( p 一1 ) 与e 没有公约数，( q 一1 ) 与e 也没有公约数。公共模数n 是p 与q 的乘积，即 n = p q 。由n 和e 共同组成公开密钥。然后确定一个私有指数d ，使( d e 1 ) 可被 ( p 1 ) 和( q - 1 ) 整除。由n 和d ( 或者p q 和d ) 共同组成私有密钥。公共指数 和私有指数极为重要，根据模数算法，d 是e 的反函数。也就是说，对于任何的 信息m ，有： ( m 。) o m o dn = m m o d n 对信息m 的加密过程涉及对m 。m o dn 的计算。只要知道了公开密钥，即 n 和e ，就可以加密。而解密信息m 的过程则涉及对m dm o dn 的计算，这时 需要使用私有密钥。 如果a l i c e 希望将加密消息发送给b o b ，那么r s a 算法应为： 第一步b o b 生成一个密钥对，并和a l i c e 共享公钥。然后，b o b 随机选择 质数p = 5 和q = 1 1 ( 例子中所选数字很小，实际应用中是选择大的 质数p 和q ) ，将两数相乘得到模数n = 5 5 ，计算出 f i n ) = ( p - 1 ) + ( q 一1 ) = 4 + 1 0 = 4 0 ； 第二步b o b 选择一个数字e = 3 ，它与4 0 是互质数； 第三步b o b 选择了一个公共指数d = 3m o d4 0 ，得到d = 2 7 ； 第四步b o b 的公钥就是数对( 3 ，5 5 ) ，其私钥就是数对( 2 7 ，5 5 ) ，并将 公钥发给a l i c e ； 第五步若a l i c e 的消息m = 2 5 ，则它用c = m m o dn = 2 5r o o d5 5 = 5 把m 加密成密文，并把结果发送给b o b ： 第六步b o b 使用m = cm o dn = 5r o o d5 5 = 2 5 对密文进行解密，m = 2 5 这 湖北工业大学硕士学位论文 就是a l i c e 发送的原始消息。 从上述对r s a 密码体制的描述中，我们发觉只要分解出n 的因子p 和q ， 则算法会遭到攻击。因此，我们选取的模数n = p q 应该要经得住已知因子分解 算法的攻击州。在不影响速度的情况下，可采用较长的密钥。一般应用中采用5 1 2 b i t s 、1 0 2 4 b i t s 、2 0 4 8 b i t s 的密钥，而1 0 2 4b i t s 被认为未来十年中都是安全的。 2 4 混合密码系统 虽然公钥密码体系解决了密钥的分发和管理问题，但公钥算法速度很慢， 用公开密钥加密算法加密和解密同样的数据所花费的时间是利用私有密钥加密 算法的1 0 0 0 倍，所以不适合加密数据量大的文件。在实际应用中，一般都是把 这两个密码体制结合起来使用，用对称密码算法加密数据文件，用公钥密码算 法来传送对称密码算法所使用的密钥。例如，r s a 算法与d e s 算法结合，可弥 补单一使用r s a 算法或d e s 算法的缺点，这样既保证了速度，又解决了密钥 分发问题。同时，它能保证每次传送都可由发送方选定不同的密钥进行，更好 地保证了数据通信的安全性。另外，使用混合密码系统可同时提供机密性保障 和存取控制。 1 9 8 4 年，美国人p h i lz i m m e r m a n n 开始着手设计p o p ( p r e t t yg o o dp r i v a c y ) 【4 】加密软件。p g p 是混合式的加密系统，它使得普通网络用户采用“强”加密技 术保护自己的信息安全成为可能，它是目前应用最为广泛的电子邮件和加密程 序。数字签名和数字信封是混合加密系统所用的两个最受欢迎的技术，p g p 能 够使用这两项技术进行数字签名和数字信封。数字签名将在下一节介绍，这里 着重介绍数字信封技术。所谓数字信封就是信息发送方用接受方的公钥，将一 个通信密钥，即一个对称密钥，给予加密，形成一个数字信封。然后传送给接 受方，因为只有指定的接受方才有和加密相对应的私钥，所以只有指定的接受 方才能解开信封，阅读信封中的内容。假设a l i c e 要用p g p 软件发送一个消息给 b o b ： 第一步a l i c e 使用i d e a ( 国际数据加密算法) 来加密算法，并决定把这 条消息发给b o b ； 第二步a l i c e 获取b o b 的r s a 公钥； 第三步a l i c e 使用r s a 和b o b 的公钥来加密自己的i d e a 密钥； 第四步a l i c e 把r s a 加密过的i d e a 密钥粘贴到i d e a 加密过的消息中， 并把它发送给b o b 。 湖北工业大学硕士学位论文 为了恢复这个数字封装的消息，b o b 必须执行逆过程： 第一步b o b 从加密过的消息中分离经过加密的密钥； 第二步b o b 使用他的r s a 私钥对i d e a 对称密钥进行解密； 第三步b o b 再用i d e a 密钥来解密a l i c e 的消息。 在上述过程中，实际上分别实现了两次加密解密过程，即文件信息本身的 加密解密和发送方私有密钥的加密解密。通过公开密钥加密技术实现对发送方 私有密钥的管理，使相应的密钥管理变得简单和更安全，同时还解决了对称加 密中存在的可靠性问题和鉴别问题。发送方可以为每次交换的信息生成唯一的 一把私有密钥，并用接受方的公开密钥对该密钥进行加密，然后再将加密后的 密钥与用该密钥加密的信息一起发送给相应的接收方。由于对每次信息交换都 对应生成唯一的一把密钥，因此，各交易方就不再需要对密钥进行维护和担心 密钥的泄露和过期。 2 5 数宇签名和数字证书 在使用公钥密码系统时，b o b 收到了自称是由a l i c e 发来的一个e m a i l ，但 是b o b 如何知道这个确实是由a l i c e 发出的? 由于e m a i l 地址很容易伪造，因 此通过e m a i l 地址来判断是不可靠的。即使b o b 知道它确实是由a l i c e 发过来 的，但a l i c e 不承认怎么办? 数字签名提供了解决上述问题的有效手段。与手写 签名是确认传统书面文件的重要手段一样，数字签名可用于数字化文件的辨认 和认证。具体作用在于： ( 1 ) 可用于验证消息确实是由签名者发出的，并且签名者是无法否认的。 ( 2 ) 保证消息的完整性，即消息自签发至收到为止未作任何修改。数字签名 比传统签名更难伪造。而且，由于数字签名使用公开的算法来验证，任何人都 可以验证数字签名的真伪，而传统签名的验证需要经验丰富的专业人员。 随着电子商务和电子政务的兴起和普及，数字签名的重要性被凸现出来， 各国政府纷纷立法予以保障其安全与效力。我国政府从2 0 0 3 年开始起草电子签 名法律草案，今年8 月2 8 日十届全国人大常委会第十一次会议表决通过的电子 签名法规定，确认电子签名与文本签名享有同样的法律效力，将于2 0 0 5 年4 月 1 日开始实施。这里的电子签名指数字签名。 在理解怎样实现数字签名之前，我们先来讨论一个抽象的数学术语：杂凑 函数( h a s hf u n c t i o n ) 。杂凑函数h 是种能把任意长度( 可以是成千上万比特) 的消息m 压缩到固定长度( 如1 6 0 比特) 的消息摘要( m e s s a g ed i g e s t ) h = h ( m ) 湖北工业大学硕士学位论文 的函数。杂凑函数必须满足两个要求： ( 1 ) 碰撞( c o l l i s i o n f r e e ) ：在实际应用中，不同的消息应产生不同的消息 摘要。 f 2 1 单向( o n e w a y ) ：给定任意长度的消息，能很容易且较快地产生消息摘 要，但要根据消息摘要恢复原消息实际上是不可行的。 使用这一函数，可以帮助我们克服使用公钥密码算法不适于对数据量大的 文件进行加密的缺点，同时实现高效率的数字签名。这样，数字签名实现的程 序大致为：发文时，a l i c e 先将所要签署的文件内容通过一个哈希函数( 杂凑函 数) 的运算，转换为长度固定的资料摘要，然后再对这些资料摘要利用私人密 钥做加密运算，其结果即为原文资料做出了数字签名。然后将电子签名及原文 发送至b o b 。b o b 在接到上述资料后，首先将原文资料的相同的哈希函数重新 加以运算，得到一个资料摘要。同时，b o b 把所收到的数字签名用a l i c e 公布的 公共密钥做解密运算而得到a l i c e 送出的原资料摘要。两资料摘要相对比，如果 相同，由可确认该文件确实是由该公共密钥所对应的私人密钥所签署，即表示 b o b 所收到的资料确实为a l i c e 所签署和发送的。 目前，人们开发和设计的数字签名方案有两类： ( 1 ) 带有附录的数字签名方案：通常以哈希( 单向) 函数为基础，将原始消 息作为输入，以验证数字签名。它们相当强大，不易受攻击，是最常用的方案。 常用的方案有a n s ix 9 3 l 、p k c s # 1 和b e