基于门限代理签名协同学习探究

1、基于门限代理签名协同学习探究摘要随着网络技术的飞速发展，一种在互联 网上面对全球开放的学习形式协同学习成为人们学习、 探索知识的有效方式之一。web2. 0时代的开放和透明，是一 把双刃剑，既给协同学习带来了可能和方便，也给协同学习 带来了安全隐患和威胁。通过分析协同学习的特点、功能以 及面临的安全威胁，文章提出了基于门限代理签名的协同学 习安全保护方案，以期在为协同学习提供安全的网络学习环 境方面做出理论上的新探索。关键词协同学习；门限代理签名；安全保护方案中图分类号g434 文献标志码a作者简介李凤英(1971),女，山东军卩城人。博士, 主要从事远程教育、虚拟学习及终身教育研究。e-ma

2、订： fylisjtu. o随着网络技术的飞速发展，一种互联网上面对全球开放 的学习形式协同学习成为人们学习、探索知识的有效方 式之一。在网络环境下，和我们协同学习的伙伴不再仅仅是 具有生命特征的自然人，而是既有可能是云端的智能助理， 也有可能是身边的智能终端设备。软件巨人比尔盖茨在 未来之路(the road ahead)中曾用一幅漫画“在互联 网上没人知道你是一条狗”来描述虚拟网络中的开放性、交 互性和匿名性。网络的这种特性给病毒、黑客等带来了可乘 之机。因此，协同学习者的个人私密信息、学习资源等容易 遭受窃听、窃取、篡改、假冒、抵赖等攻击。在信息保障时 代，传统的软硬件被动防护措施已难以

3、有效抵抗各类攻击， 社会网络迫切希望有效的信息技术和手段来主动防御协同 学习所面临的各种威胁和攻击，从而提供一个安全可靠的网 上协同学习环境。一、协同学习的新诠释网络对人类社会的冲击和影响是深远的，它逐渐发展成 为每个人生活的一部分，影响着社会生活的方方面面。事实 上，网络不再单纯地服务于独立的个体，而是作为一种重要 的技术媒介将不同的人、组织甚至社会联系在一起，实现他 们的交流、沟通、协同与合作。协同学习是现代人获取知识 的重要方式，伴随着网络学习资源的急剧增长，协同学习的 形式和内容愈加广泛。(一)内涵延伸协同学习又称协作学习(collaborative learning), 是一种通过小

4、组或团队的形式组织学生进行学习的策略。1 传统的协同学习是一种有组织、有计划的学习活动。随着网 络学习主体和学习资源的快速增加，协同学习已从传统的有 意识合作为主的学习方式逐渐演变为无意识合作和有意识 合作共存的学习方式。虚拟环境下的协同学习形式和内容更 加广泛，学习者有意识或无意识地寻求协同学习伙伴，利用 大家的智慧共同探索知识并完成难题和任务。协同学习中的 协作，既包含个人与个人间的协作，也包含个人与社群、社 群与社群间的协作；既包含学生间的协作，也包含学生与专 家、专家与专家间的协作；既包含专业内的协作，也包含专 业间的协作；既包含人与人之间的协作，也包含人机间的协 作。我们归纳为以下几

5、类。21. 人人合作学习者通过有意识或无意识的协作，实现任务分配与数 据收集，从而完成大规模、复杂的、他们单独很难或根本不 可能完成的任务。新一代验证码recaptcha的发明就是网友 们无意中的群体智慧协作的结果，它竟使纽约时报130 年的纸质资料，本来需要庞大的人力、物力、财力及未知的 时间才能完成的数字化工程，被网友们几个月内无意中完成 to2. 人机合作人与机器的智能合作被称为人机合作，这种人机协作体 现在诸如机器学习系统、人工智能系统、基于网络社区的问 答服务系统（cqa）、虚拟学习中的专家解疑、虚拟实验室系 统等。这都需要人与计算机的和谐协作，它为人们学习、获 取知识提供了网络协同

6、学习环境，通过交互信息对学习资源 进行共享与整合。3. 机群合作机群合作是利用机群中的大量服务器共同协作来为协同学习用户端提供高聚合性能的一种分布式服务形式。机群合作系统作为海量数据的主要载体，为网络学习者提供全局统一的数据存取服务。超级机群甚至由数万个计算结点构成，这些结点需要共同协作才能完成任务。因此，大规模的学习者、海量数据及其复杂的数据结构亦是协同学习的显著特点。（二）要素组成协同学习目前已经成为人们获取知识的重要学习模式。我们认为，协同学习由学习共同体、组织者、学习成员、学 习任务和资源环境等五个基本要素组成。1. 学习共同体协同学习的基本组成单位是协作学习共同体。作为组织 者和管理

7、者的教师根据学习目标与学习内容，对学习任务进 行分解，由不同的学习共同体“单独”完成；也可以没有教 师参与，学习者为了某个学习目标或任务自愿组合完成。2. 组织者教师可以作为该学习项目的组织者或管理者，监控或引 导学习者。协同学习的教育理念从传统的以“教”为中心转 到现代的以“学”为中心，因此，教师不是必需的，组织 者的身份可以是教师，也可以是协同学习小组的成员。3. 学习成员协同学习共同体中的学习成员或学习者，一般具有相似 的爱好、认知水平，能够有效地交换、发布和创造问题、思 想和知识。协作学习成员不限于自然人，也可能是由计算机 扮演的学习伙伴。4. 学习任务教师根据教学计划或者学习者根据自

8、己的需要而制定 的、在一定时间内完成的、需要协同学习成员协作努力完成 的学习目标或学习内容。5. 资源环境协同学习是在一定环境中进行的，它需要一种开放性 的、广泛参与的建构主义模式的学习支撑环境，主要包括协 作学习的组织资源、软件资源、硬件资源和知识资源等。这 些学习资源环境必须是安全的，能够保障协同学习的顺利进 行。二、问题和挑战随着协同学习中的数据量日益剧增，学习用户的规模日 益加大，学习者、数据资源分布的地域空间更加广阔，数据 可靠性要求越来越高。协同学习不仅需要保护知识产权，还 需要实现对个人信息及其他私密学习资源的保护。以前的数 据访问是c/s （客户机/服务器）模式以及b/s （浏

9、览器/服 务器）模式，发展到目前的云模式，大规模存储系统的网络 化和分布式共享结构使协同学习面临更多安全挑战。（一）协同学习安全威胁1. 协同学习数据量大、结构复杂，数据安全管理变得 更为困难（1）协同学习资源的复杂数据结构，面临着更大的风 险和威胁。在协同学习中，不仅数据量越来越大，而且数据 种类繁多，既包括结构化数据，还包括非结构化数据，比如 文本、图片、音频和视频等，特别是这种非结构化数据的比 重在迅速提高。传统的数据保护方法难以满足这一要求，需 要更多、更合理的规定和新技术的支持。（2）为无数的协同学习者提供并发存取服务，导致学 习资源数据存储系统暴露在客户网中。一方面，数据存储设 备

10、处于开放的网络中，存储系统与客户网直接相连，失去了 传统文件服务器的保护，更容易遭受网络窃听、数据篡改、 消息重放等威胁；另一方面，敏感数据需要维护，但是协同 学习者可能来自不同的地域、组织以及具有不同的身份标 识，这给安全认证带来了困难，也给黑客、病毒等提供了可 乘之机。2. 威胁手段具有较高的技术含量在信息时代，网络和数字化使犯罪分子更容易获得关于 协同学习用户的个人信息，也有了更多不易被追踪和防范的 犯罪手段，可能会导致高技术含量的骗局。从以前的拨号上 网到目前的随时随地在线，每个人都意识到网络病毒和不断 快速增加的安全风险。由于协同学习的规模性和网络的开放 性，运行在其上的所有软件都可

11、能成为被攻击的目标。越来 越大的攻击面以及越来越快产生的恶意软件意味着反病毒 软件检测能力的日益滞后。3. 应用主动防御技术来应对威胁从上世纪九十年代初期到现在，病毒传播的速度或者网 络攻击的速度越来越快直至"zero day”的出现，病毒和黑 客的攻击愈演愈烈，手法日趋多样化、高级化和快捷化，传 统的安全防御技术难以有效抵挡各种威胁，比如应用层威胁 能够穿透防火墙。特别是在大数据时代，不管是人工即时响 应，还是自动响应都难以抵抗网络攻击和威胁，因此，传统 的安全防御技术不可能满足协同学习所有的安全需求，只有 主动阻挡才有可能保障协同学习的安全。（二）协同学习安全需求协同学习不但要确

12、保敏感数据和私密数据的机密性，还 要确保数据的完整性和可用性。为了构建安全的协同学习系 统，首先要厘清其安全需求。1. 私密性协同学习中的敏感学习数据或个人私密信息，不能被个 人或其他组织窃取。一方面，由于学习数据存储在协同学习 共享服务器中，协同学习者丧失了对敏感或私密信息的物理 保护能力；另一方面，通过网络传送的学习资源，面临数据 泄露的风险。2. 完整性协同学习中的数据应当是完备的、可信的，不能丢失或 未经授权修改。同时，合法协同学习者对数据的修改、删除 等操作应当能够被正确执行。如何保障协同学习的数据不被 损毁、不受未授权修改以及所有合法用户操作被忠实地执行 是协同学习系统应该重视的问

13、题。3. 一致性协同学习系统中的数据应当是一致的，不同的授权学习 者对同一数据的访问结果应当相同。在协同学习中，用户的 学习或研究工作依赖于相同的数据，以确保学习或研究结果 匹配或者检测一个方法的正确性；多个学习用户访问到的、 保存在云端的同一份数据应当是完全相同的。4. 可靠性协同学习的可靠性主要体现在数据访问控制的机制研 究上，协同学习系统中的用户身份验证是访问控制的基础。 协同学习系统应具备良好的身份验证机制，从而授权过期或 未被授权的个人或组织将不能对数据进行访问。三、门限代理签名及其应用保障学习数据传输中的私密性、完整性、可靠性和真实 性，成为协同学习环境所面临的、迫切需要解决的最重

14、要的 安全问题。数字签名是目前为止解决上述问题的成熟技术，我国在 2005年颁布了电子签名法。数字签名能保证数据传输的完整 性、发送者的身份认证以及交易中的不可抵赖。数字签名技 术在网络学习中的研究和应用，已受到国内外学者的广泛关 注并已得到广泛应用。但是，它不能解决网上学习数字资源 的安全授权问题。为了解决这个问题，研究者提出了代理签 名技术。3代理签名是数字签名的最新形式，是解决数字 资源网络授权传递问题的核心技术之一。依据原始签名者和代理签名者的人数情况，代理签名可 分为普通代理签名、多重代理签名、代理多重签名、多重代 理多重签名和门限代理签名等类型。4（一）门限代理签名在门限代理签名中

15、，一个原始签名者授权一群代理者签 名权力，当进行签名时，只有指定数目或超过指定数目的代 理者联合才能产生有效的代表原始签名者的签名；也就是 说，允许n个代理签名者中的至少t个代理者合作代表原始 签名者对消息进行签名。5门限代理签名拥有诸多优点，例如：（1）对于攻击者来 说，必须得到至少t个子代理签名密钥，这一般较困难；（2） 即使某些代理签名者不愿意或不合作出示子代理签名密钥、 泄露或篡改子代理签名密钥或丢失子代理签名密钥，代理签 名密钥的恢复也不会受到影响；（3）权力分配容易实现，职 权滥用易于避免。比如，某些重要决定需要董事会的多名董 事联合签名才能生效。门限代理签名因为具有门限和代理两

16、种特性而受到学者和专家们的极大关注。（二）门限代理签名在协同学习/工作中的应用如上所述，门限代理签名拥有签名权力分配和签名密钥 分散的优点，这使它在网络协同学习（工作）中的在线答辩 系统、协作实验系统、协作项目系统、电子审稿系统、电子 选举系统以及电子支付系统等的研究和应用中，备受关注。 6例如，在网络评选优秀教师系统中，教务部门作为原始 签名者，将其密钥分割成n份密钥碎片，然后分发给指定的 n个学生，即代理签名者；当学生网络投票时，只有投票人 数达到规定的t时，才能生成有效的签名，即评选出的教师 才有效。这样的电子选举既能实现选举制度的民主化，即选 举由多人参与完成，又能实现电子选举管理的最

17、优化，即投 票数的生效保障。 四、基于门限代理签名的协同学 习方案由于协同学习共同体中的学习者、学习资源呈现分布式 分布，这种管理机制需要学习共同体中的部分学习者通过分 布式算法达成协调一致，而门限代理签名以其自身独特的优 势，给协同学习环境安全带来了契机。基于自验证门限代理 签名，我们构建了一个以开发软件项目为目的的课程教学协 同学习方案。在课程教学协同学习中，课程教师作为原始签名者授权 一个学生学习小组来完成一项软件开发的学习任务。在这项 协作学习任务中，只要学生学习小组中指定数目的学生完成 了其学习任务(不需要所有的学生完成，例如，为了提高工 作效率与软件的质量，有些软件模块由多人同时来

18、完成)， 该协作学习任务也就结束。在这个案例中，学生学习小组作 为代理签名者，签名验证者可以是授课教师的教学助教。方 案如下。(一) 系统注册阶段(密钥产生阶段)第一步：每个学习小组成员选择一个随机整数 lwtiwnt,并计算 vi=h (ti, idi) g,然后发送(vi, idi) 给认证中心cao第二步：认证中心ca从用户ui处接收到(vi, idi) 后，选择 1 wziwnt,且计算 yi=vi+zig 与 ei=zi+h (yi) x, idi) xca mod n并且把结果(yi, ei)返回给学习小组 成员ui o第三步：学习小组成员ui计算xi=ei+h (ti, idi)

19、 mod n,并且通过检查ycah (yi) x, idi) +yi=xig来验证它的 有效性。如果验证成立，则学习小组成员ui接受(xi, yi) 作为它自己的私钥、公钥对。(二) 课程教师授权学习小组成员任务实施阶段(代理授权阶段）（三）学习小组成员完成任务上报阶段（门限代理签名 阶段）（四）教学助教验证学习小组成员签名阶段（代理签名 验证阶段）第一步：通过授权证书mw和实际参与签名的学习小组 成员身份集合as id,教学助教能够获得门限值t和n的值， 以及来自ca的课程教师和学习小组成员的公钥，并且能知 道实际参加代理签名的学习小组成员的数目t'。然后教学 助教检查t'

20、nt是否成立，如果成立，他或她继续下面的 步骤；否则他或她将视门限代理签名（mw, ko, m, k, s, asid）无效。第二步：教学助教通过检查等式（2）是否成立来验证 消息m的代理签名的有效性。如果等式（2）成立，教学助教完成了协作学习任务的 验证工作。此方案使用了基于自验证的公钥体制，具有以下优点:（1）系统中各用户的公、私钥对由用户和ca共同生成，用 户或ca都不能单独生成用户的公、私钥对，ca仅知道用户 的公钥，用户保存自己的私钥，提高了系统的安全性；（2） 方案不需要证书以及与证书相关的查询操作，提高了系统的 工作效率；（3）方案具有较强的认证性。因此，该方案能够 有效地抵御在

21、协同学习过程中所遭受的伪造、抵赖、篡改等 各类攻击和安全威胁，较好地实现了协同学习资源的公平开 放与共享，使学习资源及其授权得到了强有力的保护。五、结语桑新民教授在学习科学与技术中如是说，肖伯纳曾 作过一个著名的比喻："倘若你有一个苹果，我也有一个苹 果，而我们彼此交换这些苹果，那么，你和我仍然是各有一 个苹果。但是，倘若你有一种思想，我也有一种思想，而我 们彼此交流这些思想，那么，我们每个人将各有两种思想。” 7这个比喻生动地揭示了协同学习的特点和价值。协同学 习能够共享、共生学习资源，协同学习者有意识或无意识 的合作尤其是无意识的合作，其释放的能量是不可估量的。 因此，协同学习正逐渐成为深受人们欢迎的网上学习方式。 与协同学习相关的概念还有众包、社群感知、群智感知、参 与性感知和群体计算等，它们都是以协同合作为基