PKI技術(shù)漫談

文章出處：http://xianjuhong.com 作者：fondcard   人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月17日

隨著電子商務(wù)、電子政務(wù)業(yè)務(wù)需求的不斷深入和進(jìn)展，移動(dòng)銀行、網(wǎng)上支付、網(wǎng)上交易等新型應(yīng)用正在不斷興起。無(wú)論是何種應(yīng)用，為確保參與網(wǎng)上交易雙方身份的合法性、正確性、以及機(jī)密性，并且保證他們?cè)诰W(wǎng)上的交易信息不會(huì)被偷看和篡改以及雙方對(duì)自己的信息不能抵賴。目前最切實(shí)可行的安全體系是ＣＡ，實(shí)現(xiàn)客戶端安全的手段是基于ＰＫＩ體系的智能卡，它正是滿足這種需要應(yīng)運(yùn)而生。 

       為加深對(duì)ＰＫＩ相關(guān)技術(shù)的理解，本文將對(duì)ＰＫＩ的基本部分進(jìn)行進(jìn)一步的介紹。 

１  簡(jiǎn) 介 

１．１  什么是ＰＫＩ? 
       ＰＫＩ（Ｐｕｂｌｉｃ－Ｋｅｙ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃ-ｔｕｒｅ）是一組規(guī)則、過(guò)程、人員、設(shè)施、軟件和硬件的集合，可用來(lái)進(jìn)行公鑰證書的發(fā)放、分發(fā)和管理。從實(shí)踐的角度來(lái)看，通過(guò)管理和控制密鑰和證書的使用，ＰＫＩ在分布環(huán)境中建立了一個(gè)信任體系。如果沒(méi)有ＰＫＩ的管理和認(rèn)證服務(wù)，那么就無(wú)法使用基于密碼的安全機(jī)制來(lái)支持商業(yè)應(yīng)用。 

１．２  ＰＫＩ如何與電子商務(wù)相關(guān)？ 
       在網(wǎng)絡(luò)世界中，管理員最關(guān)心的是制定規(guī)則的策略和電子商務(wù)的流程。所有的ＰＫＩ應(yīng)當(dāng)能夠根據(jù)具體的商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)而制定的規(guī)則來(lái)進(jìn)行操作和管理。因此，ＰＫＩ不只是一種技術(shù)、一個(gè)軟件或產(chǎn)品；從本質(zhì)上將，它是一個(gè)規(guī)則，所有的技術(shù)、軟件和產(chǎn)品都按照這種規(guī)則進(jìn)行集成。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的ＰＫＩ產(chǎn)品能夠支持多種商業(yè)應(yīng)用框架。
 
１．３  ＰＫＩ技術(shù)如何集成到應(yīng)用當(dāng)中？ 
       大多數(shù)的ＰＫＩ組件在網(wǎng)絡(luò)中作為服務(wù)程序運(yùn)行。面向開發(fā)者的工具組件是個(gè)例外。開發(fā)工具幫助程序員處理底層復(fù)雜的加密服務(wù)和協(xié)議。開發(fā)工具把實(shí)現(xiàn)安全標(biāo)準(zhǔn)的軟件供應(yīng)商和高層的接口結(jié)合起來(lái)，使得任何開發(fā)人員都可以方便地將ＰＫＩ集成到他們的應(yīng)用中。 

１．４ 主要市場(chǎng)動(dòng)力 
       ＊ 不斷增長(zhǎng)的在線商業(yè)應(yīng)用構(gòu)成了實(shí)施ＰＫＩ的基本商業(yè)動(dòng)力： 
       ＊ 無(wú)線和互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù) 
       ＊ 通過(guò)公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的電子內(nèi)容的發(fā)布 
       ＊ 在線支付 
       ＊ 內(nèi)聯(lián)網(wǎng) 
       對(duì)各種組織機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在使用這些新的應(yīng)用獲得巨大利益的同時(shí)，也不得不面對(duì)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)： 
       ＊ 假冒合法用戶 
       ＊ 拒絕線上交易 
       ＊ 竄改數(shù)據(jù) 
       ＊ 竊聽數(shù)據(jù) 
       ＊ 未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn) 

１．５ 電子商務(wù)的安全需求 
       在線的商務(wù)運(yùn)營(yíng)有具體的安全需求。良好設(shè)計(jì)的ＰＫＩ能夠滿足所有的這些需求。ＰＫＩ通過(guò)管理實(shí)體之間的關(guān)系、密鑰和證書，使得密碼技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮作用。 

       現(xiàn)在，大多數(shù)觀點(diǎn)都認(rèn)為，只有應(yīng)用中集成了ＰＫＩ技術(shù)，才能更好的使用密碼技術(shù)。為了集成ＰＫＩ，應(yīng)用必須能夠訪問(wèn)ＰＫＩ資源，例如認(rèn)證中心和證書目錄，同時(shí)也要能夠處理經(jīng)常需要與ＰＫＩ交換的對(duì)象，比如數(shù)字簽名和公鑰證書。 
ＰＫＩ要滿足以下需求： 
       ＊ 認(rèn)證。為了防止假冒，在一個(gè)實(shí)體（個(gè)人、設(shè)備、組織和角色）進(jìn)行在線交易和訪問(wèn)資源之前驗(yàn)證它的身份。如果應(yīng)用中集成了ＰＫＩ，就能夠使用數(shù)字簽名和公鑰證書來(lái)驗(yàn)證參加商業(yè)流程的個(gè)人、服務(wù)器、節(jié)點(diǎn)或其他實(shí)體的身份。 
       ＊ 授權(quán)。為了防止未經(jīng)授權(quán)的活動(dòng)，驗(yàn)證一個(gè)實(shí)體被許可參加某個(gè)活動(dòng)或交易，或者被允許訪問(wèn)資源。如果應(yīng)用中集成了ＰＫＩ，就能夠在授權(quán)（確認(rèn)或拒絕）一個(gè)實(shí)體參加交易或訪問(wèn)資源之前，通過(guò)一個(gè)優(yōu)先級(jí)列表來(lái)交叉引用某個(gè)被其他實(shí)體認(rèn)證的實(shí)體。 
       ＊ 非否認(rèn)。證明某個(gè)實(shí)體曾經(jīng)參與過(guò)活動(dòng)或訪問(wèn)了資源。集成了ＰＫＩ的應(yīng)用可以將參與者和他的活動(dòng)以及活動(dòng)發(fā)生的時(shí)間綁定在一起，因?yàn)閼?yīng)用可以驗(yàn)證數(shù)字簽名、處理公鑰證書并且維護(hù)一份審計(jì)記錄。 
       ＊ 私密性。防止對(duì)數(shù)據(jù)的竊聽和未授權(quán)的訪問(wèn)。集成了ＰＫＩ的應(yīng)用也具有對(duì)數(shù)據(jù)加密的能力。雖然ＰＫＩ并不提供加密服務(wù)，但是通常提供管理和交換密鑰服務(wù)。 
       ＊ 完整性。在數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中，防止數(shù)據(jù)由于異常或人為的原因被竄改。數(shù)字簽名是防止數(shù)據(jù)被竄改的好方法。如果數(shù)字簽名通過(guò)驗(yàn)證，那么事務(wù)的完整性就被認(rèn)為得到保證，否則就認(rèn)為事務(wù)的數(shù)據(jù)被改變，這些數(shù)據(jù)應(yīng)該丟棄。集成了ＰＫＩ的應(yīng)用能夠?qū)κ聞?wù)進(jìn)行數(shù)字簽名，也能夠驗(yàn)證數(shù)字簽名，所以可以檢驗(yàn)事務(wù)的完整性。
 
２  ＰＫＩ技術(shù)和結(jié)構(gòu) 
       良好的ＰＫＩ結(jié)構(gòu)具有公開的文檔，提供了清晰的應(yīng)用接口，并且支持標(biāo)準(zhǔn)。ＰＫＩ技術(shù)需要實(shí)現(xiàn)下列功能： 
       ＊ 終端實(shí)體應(yīng)用（Ｅｎｄ－Ｅｎｔｉｔｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ＥＥ） 
       ＊ 注冊(cè)中心（Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ａｕ-ｔｈｏｒｉｔｙ，ＲＡ） 
       ＊ 證書中心（Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ａｕ-ｔｈｏｒｉｔｙ，ＣＡ） 
       ＊ ＰＫＩ目錄 

２．１  基本的ＰＫＩ結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流 
       ＰＫＩ的主要技術(shù)組成部分和操作流程如圖１所示。 

２．１．１  什么是公鑰證書？ 
       公鑰證書是一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象，它將公鑰和一組標(biāo)識(shí)密鑰對(duì)的擁有者（一個(gè)實(shí)體，例如人、組織、節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)站）的信息綁定在一起。證書中的公鑰是和密鑰對(duì)中的私鑰相關(guān)的。密鑰對(duì)的擁有者稱作證書中的“主體”。安全事務(wù)依賴于準(zhǔn)確的身份（主體）和證書中包含的公鑰。依靠可信的、準(zhǔn)確的身份和公鑰，在執(zhí)行在線事務(wù)之前，一個(gè)參與者能夠認(rèn)證其他的參與者。圖２直觀地展示了證書的內(nèi)容。 

２．１．２  什么是數(shù)字簽名？ 
       正如名字所說(shuō)，數(shù)字簽名是傳統(tǒng)的手寫簽名的電子等價(jià)形式。但是，數(shù)字簽名并不像傳統(tǒng)的簽名，它并不能直觀地被識(shí)別。集成了ＰＫＩ的應(yīng)用通過(guò)訪問(wèn)密鑰管理和密碼服務(wù)，可以識(shí)別（創(chuàng)建、存儲(chǔ)、傳送和認(rèn)證）數(shù)字簽名。圖３顯示了生成和驗(yàn)證數(shù)字簽名地一般過(guò)程。 

       數(shù)字簽名和公鑰證書在ＰＫＩ中提供了兩個(gè)基本的安全服務(wù)：數(shù)據(jù)完整性和用戶認(rèn)證。 

２．１．２．１ ＰＫＩ中的數(shù)據(jù)完整性 
       如上文指出的，為了創(chuàng)建數(shù)字簽名，待簽名的事務(wù)數(shù)據(jù)和用戶的私鑰都要作為簽名過(guò)程的輸入。為了驗(yàn)證數(shù)字簽名，已經(jīng)簽名的數(shù)據(jù)、用戶的公鑰和數(shù)字簽名本身都要作為驗(yàn)證過(guò)程的輸入。由于事務(wù)數(shù)據(jù)本身總是包括在簽名和驗(yàn)證的過(guò)程中，因此如果數(shù)據(jù)在簽名后被改變，那么驗(yàn)證過(guò)程就不會(huì)成功。所以，數(shù)字簽名已經(jīng)成為確保事務(wù)完整性的首選方法。 

２．１．２．２ ＰＫＩ 中的用戶認(rèn)證 
       公鑰證書確保了用來(lái)驗(yàn)證數(shù)字簽名的公鑰屬于生成簽名的用戶。前文已經(jīng)描述過(guò)，證書同時(shí)包含用戶的公鑰和身份。所以，如果簽名驗(yàn)證成功，那么驗(yàn)證者也就知道了簽名者的確切身份，因?yàn)榘l(fā)放公鑰證書的ＣＡ保證了用戶的身份。 

２．２  ＰＫＩ的主要技術(shù)組成部分 
       下面是ＰＫＩ的主要技術(shù)組成部分：       ＊ 終端用戶應(yīng)用（ＥＥ）。它的功能包括： 
       ＊ 生成、存儲(chǔ)和訪問(wèn)用戶的公鑰對(duì) 
       ＊ 完成、簽署并提交第一次證書申請(qǐng) 
       ＊ 完成、簽署并提交證書的更新請(qǐng)求 
       ＊ 完成、簽署并提交證書的作廢請(qǐng)求 
       ＊ 搜索并取得證書和作廢信息 
       ＊ 驗(yàn)證證書并取得證書的內(nèi)容 
       ＊ 生成和驗(yàn)證數(shù)字簽名 
       ＊ 注冊(cè)中心（ＲＡ）。與ＥＥ和ＣＡ完全兼容并可以互操作，支持同樣的基本功能，包括密鑰生成、存儲(chǔ)、訪問(wèn)，以及數(shù)字簽名和證書的處理。在ＰＫＩ中，ＲＡ通常能夠支持多個(gè)ＥＥ和ＣＡ。他的主要用途是支持ＲＡ用戶的特殊任務(wù)，比如： 
       ＊ 用戶注冊(cè)。用戶登記成為一個(gè)ＰＫＩ的潛在的參與者的過(guò)程。ＲＡ在一個(gè)專門的數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建用戶對(duì)象。根據(jù)具體的注冊(cè)規(guī)則，用戶對(duì)象可以包括任意多個(gè)用戶屬性，比如姓名、職業(yè)和電子郵件地址等。 
       ＊ 身份調(diào)查。ＲＡ通過(guò)這個(gè)過(guò)程來(lái)驗(yàn)證第一次證書申請(qǐng)者（主體）的身份，從而確認(rèn)某個(gè)具體的公鑰（要置于證書中的）屬于申請(qǐng)者。 
       ＊ 批準(zhǔn)終端用戶的申請(qǐng)。ＲＡ將批準(zhǔn)或拒絕終端用戶的請(qǐng)求，比如第一次申請(qǐng)證書的請(qǐng)求或更新已經(jīng)過(guò)期的證書的請(qǐng)求。 
       ＊ 證書作廢。ＲＡ通過(guò)這個(gè)行為命令ＣＡ將某個(gè)用戶的證書作廢。根據(jù)ＰＫＩ的證書作廢規(guī)則，ＲＡ可以提供作廢的原因，也可以不提供。 
       ＊ 證書中心（ＣＡ）。ＣＡ是一個(gè)高度可信的簽名引擎。根據(jù)預(yù)先定義的條件，ＣＡ負(fù)責(zé)簽發(fā)證書、發(fā)出作廢申請(qǐng)以及處理其他事務(wù)。ＣＡ在ＰＫＩ中扮演核心角色。實(shí)際上，ＣＡ負(fù)責(zé)以下功能： 
       ＊ 密鑰認(rèn)證。ＣＡ對(duì)主體的公鑰簽名并發(fā)放證書。 
       ＊ 證書更新。當(dāng)主體當(dāng)前的證書過(guò)期后，發(fā)行新的證書。 
       ＊ 證書作廢。使得該證書從該時(shí)刻起非法。 
       ＊ 證書發(fā)布。ＰＫＩ用戶可以搜索并取得該證書。 
       ＊ 維護(hù)證書作廢列表。在ＰＫＩ中保持作廢列表的時(shí)效性。 
       ＊ 發(fā)布作廢列表。使得ＰＫＩ用戶可以訪問(wèn)作廢列表。 
       ＊ ＰＫＩ目錄。ＰＫＩ目錄是一個(gè)在線的數(shù)據(jù)庫(kù)，所有ＰＫＩ的參與者都可以在此處搜索并取得證書、作廢信息和策略信息。只有專門的用戶和組件具有改寫和刪除的權(quán)限。一般說(shuō)來(lái)，目錄大多基于ＩＥＴＦ的ＬＤＡＰ協(xié)議實(shí)現(xiàn)。目錄結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)主要部分：ＬＤＡＰ客戶端（一般在ＥＥ中實(shí)現(xiàn)）和ＬＤＡＰ服務(wù)器——一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，保存目錄信息，并處理搜索、讀寫、刪除和更新等由ＰＫＩ中授權(quán)用戶發(fā)起的請(qǐng)求。這些過(guò)程見圖４。 

２．２．１  ＰＫＩ工具箱 
       如果不能與應(yīng)用結(jié)合，ＰＫＩ在商業(yè)中就沒(méi)有價(jià)值。因此，良好的ＰＫＩ設(shè)計(jì)應(yīng)該集中在應(yīng)用界面。最好的方法是將應(yīng)用界面和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)成開發(fā)工具箱。工具箱支持與應(yīng)用的無(wú)縫集成，而且對(duì)資源的需求最小。雖然工具箱對(duì)于用戶和管理員是透明的，但是它卻在ＰＫＩ的實(shí)施和維護(hù)中扮演重要的角色，所以也是ＰＫＩ中的關(guān)鍵技術(shù)組成部分。
 
   通用ＰＫＩ工具箱：開發(fā)工具箱包括所有的ＰＫＩ庫(kù)和接口，支持第三方的應(yīng)用使用ＰＫＩ。理想情況下，ＰＫＩ中的所有其他組件（ＥＥ、ＲＡ、ＣＡ）也使用相同的工具箱開發(fā)。這種結(jié)構(gòu)保證了ＰＫＩ組件之間的兼容性，而且可以快速地增加和修改新特性。通過(guò)支持標(biāo)準(zhǔn)，有可能將來(lái)自不同廠商的ＰＫＩ組件集成到一起。一般的ＰＫＩ工具箱設(shè)計(jì)見圖５。
 
２．３  用在電子商務(wù)中的應(yīng)用協(xié)議 
       一些應(yīng)用協(xié)議支持電子商務(wù)。這些協(xié)議并不是電子商務(wù)應(yīng)用本身，而是一些通用的協(xié)議，廣泛地應(yīng)用在各種電子商務(wù)中。表１列出了經(jīng)常使用的協(xié)議和它們依賴的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)都需要ＰＫＩ的支持。 

       ＊ ＷＴＬＳ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ）能夠認(rèn)證參與通信的各方，并在傳輸過(guò)程中加密ＷＭＬ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｍａｒｋｕｐ Ｌａｎ-ｇｕａｇｅ）數(shù)據(jù)。 
       ＊ ＳＳＬ（Ｓｅｃｕｒｅ Ｓｏｃｋｅｔｓ Ｌａｙ-ｅｒ）和ＴＬＳ（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｌａｙｅｒ Ｓｅｃｕ-ｒｉｔｙ）和ＷＴＬＳ的應(yīng)用方式相似，只是用于基于Ｗｅｂ的事務(wù)。 
       ＊ ＩＰＳｅｃ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ）主要用于建立ＶＰＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｉｖａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ），來(lái)支持內(nèi)聯(lián)網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)。該協(xié)議在ＩＰ數(shù)據(jù)包層實(shí)現(xiàn)了加密和完整性檢查，并在通信會(huì)話中認(rèn)證發(fā)送和接收的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 
       ＊ Ｓ／ＭＩＭＥ（Ｓｅｃｕｒｅ／Ｍｕｌｔｉ-ｐｕｒｐｏｓｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ Ｍａｉｌ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｓ）用于加密、發(fā)送／接收電子郵件。 
       ＊ 還存在許多其他的技術(shù)用來(lái)安全地發(fā)布內(nèi)容。內(nèi)容的種類多種多樣，包括音樂(lè)、圖書、圖片和軟件等等。但是ＰＫＩ都可以支持這些應(yīng)用，來(lái)安全地發(fā)布并對(duì)使用者地權(quán)限進(jìn)行管理。 
應(yīng)用協(xié)議　　對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)（ＰＫＩ支持） 
ＷＭＬ　　  ?。祝裕蹋?穴ＷＡＰ－１９９－ 
　　　　　?。祝裕蹋樱玻埃埃埃埃玻保福?雪 
ＨＴＭＬ　　　  ＳＳＬ和ＴＬＳ 
電子郵件　　 Ｓ／ＭＩＭＥ 
ＶＰＮ　　　    ＩＰＳＥＣ 
表１ 經(jīng)常使用的應(yīng)用協(xié)議和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn) 

３  ＰＫＩ的策略 
       有兩個(gè)主要的策略決定了ＰＫＩ的運(yùn)營(yíng)和技術(shù)實(shí)施：ＣＰ（Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ Ｐｏｌｉｃｙ）和ＣＰＳ（Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒａｃｔｉｃｅ Ｓｔａｔｅｍｅｎｔ）。
 
３．１ ＣＰＳ 
       ＣＰＳ定義了用戶能夠在什么程度上信任ＰＫＩ的證書。前面已經(jīng)提到，控制商業(yè)規(guī)則的策略也是ＰＫＩ必須支持的策略。這些策略將控制ＰＫＩ的參與者如何創(chuàng)建、管理、使用和訪問(wèn)密鑰和證書。ＣＰＳ定義了這些策略。ＣＰＳ可能涵蓋了用戶和管理員的注冊(cè)過(guò)程、ＣＡ的操作規(guī)程和安全控制，以及主體和ＣＡ的義務(wù)。ＣＰＳ必須定義ＰＫＩ的信息級(jí)別，該級(jí)別至少要和依賴于ＰＫＩ的商業(yè)事務(wù)的價(jià)值級(jí)別相同。在電子商務(wù)環(huán)境中，信任級(jí)別必須大于等于價(jià)值級(jí)別，ＣＰＳ是一種定義和驗(yàn)證的方法。
 
３．２  ＣＰ 
       在線商務(wù)和支持它們的ＰＫＩ并不是分離的，而且在不停地增加更多地用戶、合作人和雇員。這些新的實(shí)體處于不同的商業(yè)和管理環(huán)境中，并且可能已經(jīng)建立了ＰＫＩ和集成了ＰＫＩ的應(yīng)用。因此，定義一個(gè)ＰＫＩ的策略和接口就十分重要，這些策略和接口就是ＣＰ。通過(guò)定義一個(gè)好的ＣＰ，不同的ＰＫＩ之間的互操作就可能比較順利。 
  
４  結(jié)束語(yǔ) 
       ＰＫＩ包含了復(fù)雜的技術(shù)，與電子商務(wù)應(yīng)用協(xié)同工作。因此，應(yīng)用接口和標(biāo)準(zhǔn)就十分重要。ＰＫＩ技術(shù)可以支持非常廣泛的在線應(yīng)用。對(duì)ＰＫＩ支持的需要會(huì)與日俱增。ＰＫＩ本身不只是技術(shù)，而且是技術(shù)、證書和密鑰使用和管理的方式。最終，ＰＫＩ的使用和管理要符合商業(yè)規(guī)則。