《信息安全理论与技术》课件5-PKI

第5章公钥基础设施(PKI)公钥基础设施（PKI）问题的提出PKI的概念数字证书PKI系统的组成证书的管理信任模型PKI应用与典型案例为什么需要证书？安全服务依赖于:自己拥有秘密密钥其伙伴是否拥有你的公开密钥通信伙伴采用你的公钥来核实你是否拥有秘密密钥问题:通信伙伴如何能肯定所使用的公钥属于你?解决:让第三方即CA对公钥进行公正.公正后的公钥就是证书。Bob公钥基础设施PKI——问题的提出

假冒B发送H的公钥设用户A希望给用户B传送一份机密信息。

发送者A接收者B

H攻击者请求B的公钥向B发送用攻击者H的公钥加密的消息用私钥解密其加密消息

怎样才能知道任意一个公开密钥是属于谁的？如果收到一个自称是某人的公开密钥，能相信它吗？问题所在：对公钥缺乏鉴别机制！2.PKI的概念

PKI(PubicKeyInfrastructure)即公钥基础设施，是指用公开密钥的概念和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，是一种遵循标准的利用公钥加密技术为电子商务的开展提供一套安全基础平台的技术和规范。

因此，PKI是一个使用公钥密码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的总称，而并不特指某一具体密码设备及其管理设备。

综上所述，PKI是用公钥技术实施的，支持公开密钥的管理，并提供保密性、完整性、真实性以及可追究性安全服务的具有普适性的安全基础设施。

PKI已广泛用于保障电子商务和电子政务的安全。

PKI提供了以下几种主要安全服务：1.认证——向一个实体确认另一个实体确实是他自己。PKI的认证服务采用数字签名这一密码技术。2.完整性——向一个实体确保数据没有被有意或无意的修改。PKI的完整性服务可以采用两种技术之一。第一种技术是数字签名。第二种技术是消息认证码或MAC。这项技术通常采用对称分组密码或密码杂凑函数。3.机密性——向一个实体确保除了接收者，无人能读懂数据的关键部分。PKI的机密性服务采用类似于完整性服务的机制，就是：首先，A生成一个对称密钥（也许是使用他的密钥交换私钥和B的密钥交换公钥）；其次，用对称密钥加密数据（使用对称分组密码加密数据）；最后，将加密后的数据以及A的密钥交换公钥或用B的加密公钥加密的对称密钥后发送给B。为了在实体（A和B）间建立对称密钥，需要建立密钥交换和密钥传输机制。4.不可否认性——通过数字签名机制来提供该服务的。一个实体不能否认自己所做得数字签名及其签名的消息，即不可抵赖性。

数字证书是网络用户的身份证明，相当于现实生活中的个人身份证。数字证书提供了一种系统化的、可扩展的、统一的、容易控制的公钥分发方法。是一个防篡改的数据集合，它可以证实一个公开密钥与某一最终用户之间的捆绑。为了提供这种捆绑关系，需要一组可信第三方实体来担保用户的身份。第三方实体称为证书颁发机构CA，它向用户颁发数字证书，证书中含有用户名、公开密钥以及其他身份信息，并由证书颁发机构对之进行了数字签名，即证书的拥有者是被证书机构所信任的。

若信任证书机构

信任证书拥有者3.数字证书

所以，通过证书，可以使证书的拥有者向系统中的其它实体证明自己的身份。在大型网络中，这样的证书颁发机构(CA)有多个。如果这些CA之间存在信赖关系，则用户就可通过一个签名链去设法认证其中任一CA所签发的证书。3.数字证书（续1）数字证书基本内容：用户标识＋用户公钥及其它信息＋CA签名3.数字证书（续2）

基于PKI的数字证书将公钥与其用户的身份捆绑在一起，证书必须要有一定的标准格式。目前广泛采用的证书格式是国际电信联盟（ITU）提出的X.509v3格式内容说明版本VX．509版本号证书序列号用于标识证书算法标识符签名证书的算法标识符参数算法规定的参数颁发者证书颁发者的名称及标识符(X.500)起始时间证书的有效期终止时间证书的有效期持证者证书持有者的姓名及标识符

算法证书的公钥算法参数证书的公钥参数持证书人公钥证书的公钥扩展部分CA对该证书的附加信息，如密钥的用途数字签名证书所有数据经H运行后CA用私钥签名数字证书实例4.PKI系统的组成PKI应用证书机构CA注册机构RA证书签发系统PKI策略软硬件系统4.PKI系统的组成（续）(1)PKI策略

PKI策略是一个包含如何在实践中增强和支持安全策略的一些操作过程的详细文档，它建立和定义一个组织信息安全方面的指导方针，同时也定义了密码系统使用的方针和原则。

PKI策略内容一般包括：认证政策的制定、遵循的技术标准、各CA之间的关系、安全策略、服务对象、管理原则和框架、运作制度、所涉及的各方法律以及技术的实现。4.PKI系统的组成（续）(2)证书机构（CA，CertificateAuthority）

又称为证书管理机构、证书颁发机构、证书管理中心。

CA负责证书的颁发和管理，属于可信任的第三方，其作用类似颁发身份证的机构。CA可以具有层次结构，除直接管理一些具体的证书之外，还管理一些下级CA，同时又接受上级CA的管理。

CA分为两类：公共CA通过Internet运作，向大众提供认证服务；这类CA不仅对最终用户进行认证，而且还对组织认证。私有CA通常在一个公司的内部或者其他的封闭的网络内部建立，为它们的网络提供更强的认证和访问控制。4.PKI系统的组成（续）(2)证书机构（续）

CA是PKI的基础，负责证书的颁发和管理，主要功能包括：1）颁发证书，用数字签名绑定用户或系统的识别号和公钥。2）提供目录服务，可以查询用户证书相关信息。3）产生和发布证书撤销列表(CRL)，验证证书状态。4）下级认证机构证书及帐户管理5）数字证书归档6）历史数据归档4.PKI系统的组成（续）(3)注册机构（RA，Registration

Authority）

由于一个PKI区域的最终实体数量的增加，RA可以充当CA和它的最终用户之间的中间实体，辅助CA来完成一些证书处理功能。RA系统是整个CA中心得以正常运营不可缺少的一部分。

RA通常提供下列功能：（1）接收和验证新注册用户的注册信息；（2）代表最终用户生成密钥；（3）接收和处理密钥备份和恢复请求；（4）接收和处理证书撤销请求。4.PKI系统的组成（续）(4)证书颁发系统(CDA,CertificateDistributionSystem)

证书颁发系统负责证书的分发，用户可在此获取自己或其它用户的证书。证书分发可有多种途径，如：用户自己发布，或通过目录服务器向外发布。证书库是一种网上公共信息库，用于证书的集中存放，用户可以从此处获得其他用户的证书和公钥。实现证书库的方式有多种，包括X.500、轻量级目录访问协议(LDAP)、Web服务器、FTP服务器、域名解析服务器DNS、数据库服务器等。具体使用哪种根据实际需要而定，但真正大型的企业级PKI一般使用X.500目录服务和轻量级目录访问协议LDAP。

X.500是一套已被国际标准化组织（ISO）接受的目录服务系统标准，它定义了一个机构如何在全局范围内共享其名字和与之有关的对象。4.PKI系统的组成（续）（5）证书操作阐述(CPS,CertificatePracticeStatement)

CPS是证书操作过程的详细文档，一般包括CA是如何建立和运作的，证书是如何发行、接收和撤销的，密钥是如何产生、注册和认证的等内容。例如，一些PKI系统往往由商业证书管理机构(CCA)或称为可信第三方来对外提供证书服务，就需要提供CPS给其使用者参考，以供了解详细的运行机制。4.PKI系统的组成（续）(6)基于PKI的应用接口

PKI是一个安全框架或基础设施，其价值在于使用户能够方便地使用加密、数字签名、身份鉴别等安全服务，为此，一个完整的PKI系统必须提供良好的应用接口，可以在此基础上提供多种安全应用服务。如实现Web服务器和浏览器之间的安全通信、安全电子邮件、电子数据交换(EDI)、网上的信用卡交易和安全虚拟专网(SVPN)等。4.PKI系统的组成（续）

对证书进行管理，包括颁发、废除、更新、验证证书和管理密钥。（1）颁发证书（2）废除证书（3）证书更新：当用户私钥泄漏或证书的有效期快到时，用户应申请更新私钥。这时用户可以申请更新证书，并废除原来证书。证书更新的操作步骤与申请颁发证书类似。（4）证书验证：包括验证有效性、可用性与真实性。（5）密钥管理：包括密钥的产生、备份与恢复以及密钥的更新。CA系统的主要功能1)证书的生命周期证书从产生到撤销具有一定的生命周期，从创建到销毁总共要经历五个阶段：

（1）证书申请（2）证书生成（3）证书存储（4）证书发布（证书库）（5）证书撤销5.证书的管理1)证书的生命周期（续）公钥/私钥生成申请证书审核证书签发证书证书撤销安装证书废止申请

证书使用过期更新5.证书的管理（续）2)注册和颁发证书

用户产生一对私钥/公钥

用户填写证书申请表

发证机构（CA）验证核实后，用自己的私钥签发电子证书证书有效期发证机关签名发证机关用户信息公钥私钥私钥私钥秘密保存CA的私钥公钥123数字证书的产生5.证书的管理（续）2)注册和颁发证书（续）发放证书的过程包括四个基本的步骤：：（1）用户向CA的注册机构RA提交证书申请。（2）RA对用户请求和相关信息进行审核。（3）审核通过后，RA向CA提出证书请求。（4）CA生成数字证书，通过RA向用户颁发证书，或将证书发布到目录服务器上，由用户下载并安装。5.证书的管理（续）3)证书的使用①请求访问②要求出示证书*③提交数字证书*④

随机数N(质询)⑤

响应用CA公钥验证证书真实性，验证有效性客户端服务器客户端请求访问服务器的单向鉴别过程：（*为可选方式）用其私钥进行运算完成鉴别5.证书的管理（续）4)挂起证书

有时，CA需要临时限制证书的使用，但又不需要撤销证书。例如，一个企业最终用户可能正在出差。在这种情况下，可以挂起（suspend）证书；这样就可以禁止使用那些带有PKI功能的应用程序，这些应用程序在该用户不在的情况下是不能访问的。当该用户返回时，CA清除该挂起。由于这种方法不需要先请求撤销证书然后再重新颁发证书，从而节省了CA的时间。为了挂起一个证书，CA在CRL原因代码扩展项中使用证书冻结值。5.证书的管理（续）5)证书撤销CA签发的证书捆绑了用户的身份和公钥，在生命周期里都是有效的。但在现实环境中，由于这些原因包括：用户身份的改变、对密钥的怀疑（丢失或泄露）、用户工作的变动、认为CA证书已泄露等。必须存在一种机制撤销这种认可，典型做法是在老证书过期前颁发一个新证书。5.证书的管理（续）5)证书撤销（续）

证书撤销最常用的方式是使用证书废除列表（CRL-CertificateRevocationList），CRL是一种包含了撤销的证书列表的签名数据结构。它含有带时间戳的已撤销证书的列表。CRL的完整性和可靠性由它本身的数字签名来保证，通常CRL的签名者一般就是证书的签发者。当CRL创建并且被签名以后，就可以通过网络自由地分发，或者以处理证书的同样方式存储在一个目录中。

CA会定期地发布CRL，从几个小时到几个星期不等。不管CRL中是否含有新的撤销信息，都会发布一个新的CRL。5.证书的管理（续）6)密钥备份与恢复

在任何可操作的PKI环境中，在密钥或证书的生命周期内都会有部分用户丢失他们的私钥，可能有如下的原因：（1）遗失加密私钥的保护口令；（2）存放私钥的媒体被损坏，如硬盘、软盘或IC卡遭到破坏。在很多环境下，由于丢失密钥造成被保护数据的丢失或不可访问所造成的损失非常巨大，因此通行的办法是备份并能恢复私钥（在加密证书和签字证书双证书模型中，只能备份加密私钥而不能备份签字私钥）。5.证书的管理（续）7)密钥文档管理

在证书的生命周期中，每个用户在享受PKI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档案管理，用户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。5.证书的管理（续）1）层次结构模型

随着PKI规模的增大，CA要有效追踪它所认证的所有实体的身份就会变得困难。随着证书数量的增加，一个单一的认证机构可能会变成认证过程的瓶颈。采用认证层次结构是解决问题的办法。在层次结构中，CA将它的权利授予一个或多个子CA。这些CA再次依次指派它们的子CA，这个过程将遍历整个层次结构，直到某个CA实际颁发了某一证书。可将这个CA层次结构看成为某大企。6.信任模型

1）层次结构模型(续)主CA1主CA2分CA1分CA2分CA3分CA4根CA6.信任模型

（续）2）交叉认证模型

交叉认证是把以前无关的CA连接到一起的认证机制。当两者隶属于不同的CA时，可以通过信任传递的机制来完成两者信任关系的建立。CA签发交叉认证证书是为了形成非层次的信任路径。一个双边信任关系需要两个证书，它们覆盖每一方向中的信任关系。这些证书必须由CA之间的交叉认证协议来支持。当某证书被证明是假的或者令人误解的时候，该协议将决定合作伙伴的责任。6.信任模型

（续）2）交叉认证模型(续)铁道总公司CA开发部CA运输部CA银行1支行CA银行2支行CA铁道分公司CA银行总行CA银行分行CA交叉认证（示例）6.信任模型

（续）3）证书链

由于用户拥有的可信证书管理机构数量有限，要与大量不同管理域的用户建立安全通信就需要建立信任关系，这就需要构建一个证书链。证书链是最常用于验证实体和他的公钥之间的绑定的方法。颁发者名称主体名称公钥信息其他信息颁发者名称主体名称公钥信息其他信息颁发者名称主体名称公钥信息其他信息颁发者名称主体名称公钥信息其他信息…自签证书(根证书)子证书子证书端实体证书证书链示意6.信任模型

（续）4）证书验证

为了获得对某一证书的信任，验证者必须验证每个证书的三个方面，直到到达一个可信的根。（1）证书的有效性

验证证书是否在有效使用期内。（2）证书的可用性验证是否已被撤销。（3）证书的真实性（可信任性）验证是证书是否为可信任的CA签发。

验证者必须验证在证书链上的证书是否是由可信CA的公钥所对应的私钥签发的。通过验证可信根CA的证书，信任此证书并且使用证书的应用程序就可以建立起对该实体的公钥的信任。6.信任模型

（续）数字证书的认证过程（1）、证书拆封所谓证书的拆封，是验证发行者CA的公钥能否正确解开客户实体——证书中的“发行者的数字签名”。（2）、序列号验证序列号的验证，是指检查实体证书中的签名实体序列号是否与签发者证书的序列号相一致，从而验证证书的真伪。（3）、有效期验证有效期验证就是检查用户证书使用的日期是否合法，有无过期（4）、撤销列表查询所谓证书作撤销列表查询，是检查用户的证书是否已经作废，并发布在证书撤销列表中。一般称CRL查询，俗称“黑名单查询”。PKI的标准化

随着PKI的逐渐普及，为了更好地为社会提供服务，不同厂商的PKI产品需要互连互通。如电力用户要用数字证书到银行去交电费，银行的PKI就要对电力用户的证书进行认证（确认身份）。通常电力PKI和银行PKI是不同厂商的产品，这就需要两家PKI产品能互操作，这需要支持相同的标准，如证书格式及接口规范等。同时，PKI产品自身的安全性也非常重要，这就需要专门的机构和标准规范对产品的安全功能和性能进行测评认定。因此，标准化就成了PKI发展的必然趋势。PKI的标准化（续）*X.509v.3，国际电信联盟，1995PKCS系列标准，美国RSA公司

PKIX

，IETF组织的“公钥基础设施X.509”（PublicKeyInfrastructureX.509）

WPKI，无线应用协议（WirelessApplicationProtocol,WAP）论坛的“无线公钥基础设施”（WirelessPublicKeyInfrastructure）

XKMS

，2001年，由微软、Versign和webMethods三家公司发布的“XML密钥管理规范”（XKMS，XMLKeyManagementSpecification）

目前XKMS已成为万维网协会（W3C,TheWorldWideWebConsortium）的推荐标准，并已被微软、Versign等公司集成于他们的产品中（微软已在ASP.net中集成了XKMS，Versign已发布了基于Java的信任服务集成工具包TSIK）。公钥基础设施PKI——应用与典型案例

PKI本身是一种安全技术，它的目的是要在虚拟、开放的网络世界建立起一种信任机制，为网上业务系统的安全以及参与网上业务的各方的相互信任提供安全机制，为网上业务过程中身份认证和访问控制、信息保密性、信息完整性和业务操作的抗抵赖等安全需求提供可靠保证。PKI的主要目标是对各种安全应用服务提供支撑，并与具体的应用系统是分离的，PKI系统的设计、开发、生产及管理都可独立进行，不需考虑具体应用的特殊性；

PKI通过延伸到用户本地的接口为各种应用提供安全服务，如身份鉴别、数字签名、机密性保护，访问控制等等；

PKI应用Web安全问题范围以及使用PKI系统的对策安全电子邮件实现原理与方案Web安全安全问题：

欺诈、泄露、篡改、攻击SSL：由Netscape公司研究制定，该协议向基于TCP／IP的客户及服务器应用程序提供了客户端和服务器的鉴别、信息机密性及完整性等安全措施。SSL协议本身并不能提供对不可否认性的支持，这部分的工作必须由数字证书完成。结合SSL协议和数字证书，PKI技术可以保证Web交易多方面的安全需求，使Web上的交易和面对面的交易一样安全。安全电子邮件在安全的电子邮件系统中，收发双方都有对方的数字证书。发送方是在电子邮件的附件中增加发信者的数字签字，同时也可将邮件内容用对方的公钥加密。用户在收到电子邮件后，电子邮件系统对加密的邮件会自动解密，同时自动验证该邮件的数字签字并将结果通知用户，从而大大地提高了电子邮件的保密性和可信性。PGPS/MIMEPKI案例电子税务网上银行网上证券电子税务安全需求 通信安全 身份认证与访问控制 业务安全解决方案通信安全：SSL身份认证与访问控制：数字证书业务安全：数字签名网上银行安全需求身份认证通信安全访问控制审记安全实施方案银行客户先申请数字证书，再使用数字证书通过SSL通道来登录网上银行的相关业务系统来进行网上交易。

一个基于PKI的文件安全传输示意加密数字签名数字信封报文证书管理报文传输信道解密验证签名拆解信封证书管理基于PKI的各种安全服务包括：鉴别服务、机密性服务、抗抵赖以及访问控制等等。公钥基础设施PKI——应用与典型案例

国内的认证机构可分为三类，行业性CA、区域性CA和纯商业性CA，目前主要有：中国金融认证中心(CFCA);中国电信认证中心(CTCA);上海市电子商务安全证书管理中心(SHECA);北京数字证书认证中心(BJCA);重庆数字证书认证中心(CQCA);广东省电子商务认证中心(CNCA);海南省电子商务认证中心(HNECA);福建省数字安全证书管理有限公司(FJCA);北京天威诚信数字认证服务中心(iTruschinaCA)PKI案例——

网上银行从1995年全球第一家网上银行--美国安全第一网上银行(SFNB)成立至今,世界上已有超过1000家的银行开展了网上银行业务,我国也有数十家银行机构开展了网上银行业务。由于网上银行是一种网络应用，它的所有内容都是以数字的形式流转于Internet之上，因此，在网上银行应用中不可避免地存在着由Internet的自由、开放所带来的信息安全隐患。中国人民银行颁布《网上银行业务管理暂行办法》，明确规定：

银行应制定并实施充分的物理安全措施，能有效防范外部或内部非授权人员对关键设备的非法接触。第十七条银行应采用合适的加密技术和措施，以确认网上银行业务用户身份和授权，保证网上交易数据传输的保密性、真实性，