密码编码学与网络安全第五版 向金海 11密钥管理和分发

1、chapter 14 密钥管理和分发密钥管理和分发 11/15/2021华中农业大学信息学院2主要内容主要内容n 对称加密的对称密钥分发对称加密的对称密钥分发n 非对称加密的对称密钥分发非对称加密的对称密钥分发n 公钥分发公钥分发n x.509认证服务认证服务n 公钥基础设施公钥基础设施11/15/2021华中农业大学信息学院3n任何密码系统的强度都与密钥分配任何密码系统的强度都与密钥分配方法有关。方法有关。n密钥分配方法密钥分配方法q指将密钥发放给希望交换数据的双方而指将密钥发放给希望交换数据的双方而不让别人知道的方法。不让别人知道的方法。11/15/2021华中农业大学信息学院4密钥分配密

2、钥分配n分配方法：分配方法：a、b双方通信双方通信1.密钥由密钥由a选择，亲自交与选择，亲自交与b；2.第三方选择密钥后亲自交与第三方选择密钥后亲自交与a和和b；3.一方用双方已有的密钥加密一个新密钥后发给一方用双方已有的密钥加密一个新密钥后发给另一方；另一方；4.a和和b与第三方与第三方c均有秘密通道，则均有秘密通道，则c可以将密可以将密钥分别发送给钥分别发送给a和和b。11/15/2021华中农业大学信息学院5密钥分配密钥分配n对分配方法的分析对分配方法的分析q方法方法1和和2需要人工传送密钥，对链路加密要求需要人工传送密钥，对链路加密要求不过分，对端到端加密则有些笨拙。不过分，对端到端加

3、密则有些笨拙。q方法方法3可用于链路加密和端到端加密。问题：可用于链路加密和端到端加密。问题：n攻击者若已成功获取一个密钥；攻击者若已成功获取一个密钥；n初始密钥的分配。初始密钥的分配。q对于端到端加密，方法对于端到端加密，方法4稍做变动即可应用。需稍做变动即可应用。需要一个密钥分配中心（要一个密钥分配中心（kdc）参与分配。）参与分配。11/15/2021华中农业大学信息学院6用于支持任意端点间通信所需的密钥数11/15/2021华中农业大学信息学院77.3 密钥分配密钥分配n密钥分类密钥分类q会话密钥（会话密钥（ks） 末端通信时使用的临时加密密钥末端通信时使用的临时加密密钥q主密钥（主密

4、钥（km） 加密加密ks的密钥的密钥11/15/2021华中农业大学信息学院8层次式密钥11/15/2021华中农业大学信息学院9一种透明的密钥控制方案一种透明的密钥控制方案密钥分发方案密钥分发方案11/15/2021华中农业大学信息学院10密钥分配模式密钥分配模式11/15/2021华中农业大学信息学院11层次式密钥控制层次式密钥控制n 单个单个kdc在网络规模很大时不实际在网络规模很大时不实际n 层次式可提高效率并降低风险层次式可提高效率并降低风险11/15/2021华中农业大学信息学院12会话密钥的生命期会话密钥的生命期n在安全性与通信时间之间折衷考虑在安全性与通信时间之间折衷考虑n对面

5、向连接的协议，改变连接时，改用新的对面向连接的协议，改变连接时，改用新的ksn对非面向连接的协议，定期更改。对非面向连接的协议，定期更改。11/15/2021华中农业大学信息学院13面向连接的密钥自动分发协议面向连接的密钥自动分发协议11/15/2021华中农业大学信息学院14分散式密钥控制分散式密钥控制n会话密钥生成步骤：会话密钥生成步骤：11/15/2021华中农业大学信息学院15密钥的使用方法密钥的使用方法n会话密钥的类型会话密钥的类型q数据加密密钥，用于网络中的通用通信数据加密密钥，用于网络中的通用通信qpin加密密钥，用于电子资金转账和销售点加密密钥，用于电子资金转账和销售点应用的个

6、人识别码（应用的个人识别码（pin）q文件加密密钥，用于可公开访问的加密文件文件加密密钥，用于可公开访问的加密文件11/15/2021华中农业大学信息学院167.3.6 密钥的使用方法密钥的使用方法n会话密钥的类型会话密钥的类型n密钥标志密钥标志(以以des为例为例)q一位表示主密钥或会话密钥一位表示主密钥或会话密钥q一位表示密钥可否用于加密一位表示密钥可否用于加密q一位表示密钥可否用于解密一位表示密钥可否用于解密q其余位未用其余位未用q特点特点标志含在密钥中，密钥分配时就被加密标志含在密钥中，密钥分配时就被加密q缺点：缺点：n位数少，限制了其灵活性和功能；位数少，限制了其灵活性和功能；n标志

7、不能以明文传输，解密后才能使用，限制了对密钥标志不能以明文传输，解密后才能使用，限制了对密钥的管理的管理n控制矢量方法控制矢量方法11/15/2021华中农业大学信息学院17n会话密钥的类型会话密钥的类型n密钥标志密钥标志n控制矢量方法控制矢量方法q思路思路会话密钥的加密会话密钥的加密加密：加密：h=h(cv)，kc=ekm hks解密：解密：h=h(cv)， ks=dkm hkcq优点优点n控制矢量长度不限控制矢量长度不限n控制矢量以明文传输，可多次运用对密钥的控制要求控制矢量以明文传输，可多次运用对密钥的控制要求密钥的使用方法密钥的使用方法11/15/2021华中农业大学信息学院18控制矢

8、量的加密和解密11/15/2021华中农业大学信息学院19n公钥的分配公钥的分配n公钥密码用于传统密码体制的密钥分配公钥密码用于传统密码体制的密钥分配11/15/2021华中农业大学信息学院20n采用前面的方法获得公钥采用前面的方法获得公钥n可以提供保密和认证可以提供保密和认证n但公钥算法常常很慢但公钥算法常常很慢n用私钥加密可以保护信息内容用私钥加密可以保护信息内容n因此，需要会话密钥因此，需要会话密钥n许多可选的方案用于协商合适的会话密钥许多可选的方案用于协商合适的会话密钥11/15/2021华中农业大学信息学院21简单的秘密钥分配简单的秘密钥分配n1979由由merkle提出提出q a

9、产生一个新的临时用的公钥对产生一个新的临时用的公钥对q a 发送自己的标识和公钥给发送自己的标识和公钥给 bq b 产生一个会话密钥，并用产生一个会话密钥，并用 a 的公钥加密后发的公钥加密后发送给送给 aq a 解密会话密钥解密会话密钥n问题是容易受到主动攻击，而通信双方却问题是容易受到主动攻击，而通信双方却毫无察觉。毫无察觉。11/15/2021华中农业大学信息学院22利用公钥加密建立会话密钥利用公钥加密建立会话密钥11/15/2021华中农业大学信息学院23具有保密性和真实性的密钥分配具有保密性和真实性的密钥分配n假设双发已安全交换了各自的公钥假设双发已安全交换了各自的公钥:公钥加密的密

10、钥分发公钥加密的密钥分发11/15/2021华中农业大学信息学院24混合方式的密钥分配混合方式的密钥分配n保留私钥配发中心保留私钥配发中心( kdc )n每用户与每用户与kdc共享一个主密钥共享一个主密钥n用主密钥分配会话密钥用主密钥分配会话密钥n公钥用于分配主密钥公钥用于分配主密钥q在大范围分散用户的情况下尤其有用在大范围分散用户的情况下尤其有用n三层结构三层结构n基本依据基本依据q性能性能q向后兼容性向后兼容性11/15/2021华中农业大学信息学院25n公钥的分配公钥的分配n公钥密码用于传统密码体制的密钥分配公钥密码用于传统密码体制的密钥分配11/15/2021华中农业大学信息学院26公

11、钥的分配公钥的分配n公钥分配方法公钥分配方法q公开发布公开发布q公开可访问目录公开可访问目录q公钥授权公钥授权q公钥证书公钥证书11/15/2021华中农业大学信息学院27公钥的公开发布公钥的公开发布n用户分发自己的公钥给接收者或广播给通用户分发自己的公钥给接收者或广播给通信各方信各方q例如：把例如：把pgp的公钥放到消息的最后，发布的公钥放到消息的最后，发布到新闻组或邮件列表中到新闻组或邮件列表中n缺点：伪造缺点：伪造q任何人都可以产生一个冒充真实发信者的公任何人都可以产生一个冒充真实发信者的公钥来进行欺骗钥来进行欺骗q直到伪造被发现，欺骗已经形成直到伪造被发现，欺骗已经形成11/15/20

12、21华中农业大学信息学院28无控制的公钥分发无控制的公钥分发11/15/2021华中农业大学信息学院29公开可访问的目录公开可访问的目录n通过使用一个公共的公钥目录可以获得更通过使用一个公共的公钥目录可以获得更大程度的安全性大程度的安全性n目录应该是可信的，特点如下：目录应该是可信的，特点如下：q 包含包含 姓名，公钥姓名，公钥 目录项目录项q 通信方只能安全的注册到目录中通信方只能安全的注册到目录中q 通信方可在任何时刻进行密钥更替通信方可在任何时刻进行密钥更替q 目录定期发布或更新目录定期发布或更新q 目录可被电子化地访问目录可被电子化地访问n缺点：仍存在被篡改伪造的风险缺点：仍存在被篡改

13、伪造的风险11/15/2021华中农业大学信息学院30公开的公钥发布公开的公钥发布11/15/2021华中农业大学信息学院31公钥授权公钥授权n通过更加严格地控制目录中的公钥分配，使公通过更加严格地控制目录中的公钥分配，使公钥分配更加安全。钥分配更加安全。n具有目录特性具有目录特性n每一通信方必须知道目录管理员的公钥每一通信方必须知道目录管理员的公钥n用户和目录管理员进行交互以安全地获得所希用户和目录管理员进行交互以安全地获得所希望的公钥望的公钥q当需要密钥时，确实需要能够实时访问目录。当需要密钥时，确实需要能够实时访问目录。公钥目录管理员成为系统的瓶颈。公钥目录管理员成为系统的瓶颈。11/1

14、5/2021华中农业大学信息学院32公钥授权公钥授权公钥发布方案公钥发布方案11/15/2021华中农业大学信息学院33公钥证书公钥证书n用证书进行密钥交换，可以避免对公钥目录的用证书进行密钥交换，可以避免对公钥目录的实时授权访问实时授权访问n证书包含标识和公钥等信息证书包含标识和公钥等信息 q通常还包含有效期，使用权限等其它信息通常还包含有效期，使用权限等其它信息n含有可信公钥或证书授权方含有可信公钥或证书授权方(ca)的签名的签名n知道公钥或证书授权方的公钥的所有人员都可知道公钥或证书授权方的公钥的所有人员都可以进行验证以进行验证n例如：例如：x.509标准标准11/15/2021华中农业

15、大学信息学院34公钥证书公钥证书公钥证书交换公钥证书交换11/15/2021华中农业大学信息学院3514.4 x.509 认证服务认证服务nccitt x.500 目录服务的一部分目录服务的一部分q维护用户信息数据库的分布式服务器维护用户信息数据库的分布式服务器n定义了认证服务的框架定义了认证服务的框架q目录可存储公钥证书目录可存储公钥证书q由认证中心签名的用户的公钥由认证中心签名的用户的公钥n定义了认证协议定义了认证协议n使用了公钥密码和数字签名技术使用了公钥密码和数字签名技术q未作算法规定，但推荐使用未作算法规定，但推荐使用rsanx.509 证书已得到了广泛地使用证书已得到了广泛地使用1

16、1/15/2021华中农业大学信息学院36x.509认证服务的应用认证服务的应用nx.509建议最早在建议最早在1988年发布，年发布，1993年和年和1995年又分年又分别发布了它的第二和第三个修订版。别发布了它的第二和第三个修订版。x.509目前已经目前已经是一个非常重要的标准，因为是一个非常重要的标准，因为x.509定义的认证证书定义的认证证书结构和认证协议已经被广泛应用于诸多应用过程。结构和认证协议已经被广泛应用于诸多应用过程。qipsec(提供了一种网络层的安全性提供了一种网络层的安全性)qssl/tls(security socket layer/transport layer s

17、ecurity，安，安全套接层，可用来解决传输层的安全性问题全套接层，可用来解决传输层的安全性问题)qset (电子商务交易，电子商务交易，set是一种开放的加密安全规范，用是一种开放的加密安全规范，用于保护于保护internet上的信用卡交易上的信用卡交易)qs/mime(保证电子邮件安全，侧重于作为商业和团体使用的保证电子邮件安全，侧重于作为商业和团体使用的标准，而标准，而pgp则倾向于为许多用户提供个人电子邮件的安全则倾向于为许多用户提供个人电子邮件的安全性性)11/15/2021华中农业大学信息学院37公钥证书的使用公钥证书的使用11/15/2021华中农业大学信息学院38x.509

18、证书证书n由认证中心发放由认证中心发放(ca), 包括包括: qversion (1, 2, or 3) qserial number (unique within ca) identifying certificate qsignature algorithm identifier qissuer x.500 name (ca) qperiod of validity (from - to dates) qsubject x.500 name (name of owner) qsubject public-key info (algorithm, parameters, key) qissu

19、er unique identifier (v2+) qsubject unique identifier (v2+) qextension fields (v3) qsignature (of hash of all fields in certificate) n符号符号 ca 表示表示 由由ca签名的签名的a的证书的证书11/15/2021华中农业大学信息学院39x.509 证书证书11/15/2021华中农业大学信息学院40n在在x.509中，证书机构中，证书机构y 颁发给用户颁发给用户x的证书表示为：的证书表示为：y；y对信息对信息i进行的签名表示为进行的签名表示为y i 。这样一个

20、这样一个ca颁发给用户颁发给用户a的的x.509证书可以表示为：证书可以表示为： ca = ca v, sn, ai, ca, ta, a, ap v: 版本号，版本号， sn：证书序列号，：证书序列号， ai：算法标识，：算法标识，ta：有效期：有效期, ap ： a的公开密钥信息。的公开密钥信息。x.509 证书证书11/15/2021华中农业大学信息学院41获得一个用户证书获得一个用户证书n任何可以访问任何可以访问ca的用户都可以得到一个的用户都可以得到一个证书证书n只有只有ca可以修改证书可以修改证书n由于证书不能伪造，所以证书可以放到由于证书不能伪造，所以证书可以放到一个公共目录中一

21、个公共目录中11/15/2021华中农业大学信息学院42ca 层次层次 n如果两个用户共享同一个如果两个用户共享同一个ca,则两者知道彼此的公钥则两者知道彼此的公钥n否则，否则，ca就要形成层次就要形成层次n用证书将层次中的各用证书将层次中的各ca链接链接q每个每个ca 有对客户的证书有对客户的证书(前向前向)和对父和对父ca的证书的证书 (后向后向) n每一个客户信任所有父证书每一个客户信任所有父证书n层次中的所有其它层次中的所有其它ca的用户，可以验证从一个的用户，可以验证从一个ca获得获得的任何证书的任何证书11/15/2021华中农业大学信息学院43ca 层次的使用层次的使用11/15

22、/2021华中农业大学信息学院44证书的撤销证书的撤销n证书有效期证书有效期n过期前撤销，例如过期前撤销，例如:1.用户的密钥被认为不安全了用户的密钥被认为不安全了2.用户不再信任该用户不再信任该ca3.ca证书被认为不安全了证书被认为不安全了nca维护一个证书撤销列表维护一个证书撤销列表q证书撤销列表，证书撤销列表，the certificate revocation list (crl)n用户应该检查用户应该检查ca的的crl11/15/2021华中农业大学信息学院45认证过程认证过程nx.509 包括三种可选的认证过程包括三种可选的认证过程 q单向认证单向认证q双向认证双向认证q三向认证

23、三向认证n三种方法都采用公钥签名三种方法都采用公钥签名11/15/2021华中农业大学信息学院46单向认证单向认证n1 消息消息 ( a-b) 完成单向认证完成单向认证 qa的标识和的标识和a创建的消息创建的消息qb所需要的消息所需要的消息q消息的完整性和原创性（不能多次发送）消息的完整性和原创性（不能多次发送）n消息必须含有时间戳，临时交互号和消息必须含有时间戳，临时交互号和b的的标识，并由标识，并由a签名签名n也可以包含也可以包含b所需要的其它信息所需要的其它信息q例如，会话密钥例如，会话密钥 11/15/2021华中农业大学信息学院47单向认证单向认证11/15/2021华中农业大学信息

24、学院48双向认证双向认证n2 消息如上建立外消息如上建立外 (a-b, b-a)，还需，还需:qb的标识和的标识和b生成的应答消息生成的应答消息qa需要的消息需要的消息q应答的完成性和真实性应答的完成性和真实性 n应答包括从应答包括从a产生的临时交互号，也有由产生的临时交互号，也有由b产生的时戳和临时交互号产生的时戳和临时交互号n还可以包括其它还可以包括其它a需要的附加信息需要的附加信息11/15/2021华中农业大学信息学院49双向认证双向认证11/15/2021华中农业大学信息学院50三向认证三向认证n3 在没有同步时钟情况下，消息在没有同步时钟情况下，消息 (a-b, b-a, a-b)

25、 可以完成认证可以完成认证n从从a回到回到b的相应包含的相应包含b产生的临时交互号产生的临时交互号n时戳不必检查了时戳不必检查了11/15/2021华中农业大学信息学院51三向认证三向认证11/15/2021华中农业大学信息学院52x.509 version 3n已经认识到证书中附加信息的重要性已经认识到证书中附加信息的重要性qemail/url, 策略细节策略细节, 使用限制使用限制n增加了一些可选的扩展项增加了一些可选的扩展项n证书每一个扩展项都包括证书每一个扩展项都包括:q扩展标识扩展标识q危险指示（危险指示（t/f）q扩展值扩展值11/15/2021华中农业大学信息学院53证书扩展项证书扩展项n密钥和策略信息密钥和策略信息q传达证书主体和发行商密钥相关的附加信息，传达证书主体和发行商密钥相关的附加信息，以及证书策略的指示信息，如密钥用途以及证书策略的指示信息，如密钥用途n证书主体和发行