USB智能卡應用技術(shù)研究
文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者： 人氣： 發(fā)表時間：2012年03月15日
摘要：公鑰基礎(chǔ)設(shè)施PKI是以公開密鑰技術(shù)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)的機密性、完整性和不可抵賴性為安全目的而構(gòu)建的認證、授權(quán)、加密等硬件、軟件的綜合體系，是信息安全基礎(chǔ)設(shè)施的一個重要組成部分，是一種普遍適用的網(wǎng)絡安全體系。將智能卡與PKI技術(shù)有機結(jié)合可以增強文件傳輸安全性，在客戶端與服務器之間傳輸數(shù)據(jù)前進行身份驗證，并且能對傳輸?shù)膬?nèi)容進行加密，解決了在Internet傳輸敏感信息的顧慮。
關(guān)鍵詞：公鑰基礎(chǔ)設(shè)施；PKI ；智能卡
科學技術(shù)的發(fā)展使得計算機幾乎成為各個領(lǐng)域的信息處理工具，政府機關(guān)、企業(yè)、銀行及軍事機構(gòu)等國家重要部門都使用計算機建立信息系統(tǒng)，各種重要的信息和情報均由計算機進行處理。特別是Internet的出現(xiàn)，以計算機聯(lián)網(wǎng)方式獲得信息和交流信息已成為現(xiàn)代信息社會的重要特征。然而，隨著網(wǎng)絡的開放性、共享性、互聯(lián)程度的擴大，以及社會對網(wǎng)絡信息系統(tǒng)日益增強的依賴性，網(wǎng)絡安全問題日益突出。
目前網(wǎng)絡通信主要提供五種安全服務，即身份認證服務、訪問控制服務、機密性服務、完整性服務和抗否認性服務，所有的網(wǎng)絡應用環(huán)境包括銀行、電子交易、政府以及互聯(lián)網(wǎng)本身都需要上述網(wǎng)絡安全服務支持。
身份認證用于實現(xiàn)網(wǎng)絡通信方身份的互相驗證，在網(wǎng)絡安全中占據(jù)十分重要的位置。用戶在訪問網(wǎng)絡系統(tǒng)之前，首先經(jīng)過身份認證系統(tǒng)識別身份，然后訪問監(jiān)控器根據(jù)用戶身份和授權(quán)數(shù)據(jù)庫決定用戶能否訪問某個資源?？梢娚矸菡J證是最基本的安全服務，訪問控制、審計等其它安全服務都要依賴于身份認證系統(tǒng)提供的用戶身份信息。一旦身份認證系統(tǒng)被攻破，那么系統(tǒng)所有安全措施將形同虛設(shè)。
1 PKI體系結(jié)構(gòu)
PKI是以公鑰密碼體制的概念和技術(shù)為基礎(chǔ)，實施和提供信息安全服務的具有普適性的安全基礎(chǔ)設(shè)施，是信息安全基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，是對密碼學的最完整的應用。PKI遵循既定的標準，能為所有網(wǎng)絡應用提供加密和數(shù)字簽名等安全服務及必需的密鑰和證書管理體系。公鑰基礎(chǔ)設(shè)施能為具有各種不同安全需求的用戶提供各種安全服務。其核心的目標是解決網(wǎng)絡空間的信任問題，確定網(wǎng)絡空間各行為主體的身份的唯一性和真實性，保護信息網(wǎng)絡空間中各種主體的安全利益。
PKI涉及多個實體間的協(xié)作，圖1說明了典型PKI系統(tǒng)的架構(gòu)，其組成部分包括認證中心、注冊機構(gòu)、證書庫、密鑰管理和最終實體。認證中心(Certification‘Authority，CA )，CA是PKI的核心，具備權(quán)威性。CA負責最終確認PKI用戶的身份，以公鑰證書的形式建立一個身份和一對公／私鑰問的唯一關(guān)聯(lián)；同時負責頒發(fā)和管理公鑰證書。整個過程包括了軟、硬件，服務集合，以及人、操作過程和操作環(huán)境，制定諸如怎樣鑒別用戶身份，頒發(fā)哪種格式的證書等安全策略。
圖1 典型的PKI系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
注冊機構(gòu)(Registration Authority，RA)，RA的主要功能是確認證書申請者的身份信息，將申請者的身份信息和公鑰用RA的私鑰簽名后發(fā)送給CA；接收證書作廢的申請，驗證其有效性，向CA發(fā)出該申請。對于地理上分散的機構(gòu)，RA的存在可使CA離線運作，減少遭受攻擊的可能，增強安全性。
證書庫(Certificate Repository)，證書庫存放經(jīng)CA簽發(fā)的證書和己撤銷證書列表，最終實體可通過證書庫提供的服務得到其他實體的證書，驗證其真?zhèn)?，查詢證書的狀態(tài)。密鑰管理(Key Management)，密鑰對可能在某個集中的密鑰生成服務器中創(chuàng)建，也可能在智能卡中生成，并存放在相應密鑰存儲容器中。但無論如何都需要存檔用于)Jn／解密的密鑰對，以便在丟失時可以及時恢復，避免造成因丟失密鑰而導致信息無法恢復。但需要注意的是，為了保證簽名密鑰的唯一性，和對數(shù)字簽名的權(quán)威性，一般不對用于數(shù)字簽名的密鑰對進行備份操作。
最終實體(End Entity)，最終實體是PKI系統(tǒng)的使用者，它可能是人，也可能是其他需要安全服務的應用程序。因此，可以將最終實體視作PKI提供的應用接口系統(tǒng)，它使得各種各樣的應用能夠以
安全、一致和可信的方式與PKI交互，使用PKI提供的安全服務，確保安全網(wǎng)絡環(huán)境的完整性和易用性。
2 PKI提供的核心安全服務
PKI提供的核心服務有認證、完整性和機密性，其實現(xiàn)機制如下：
(1)認證：PKI的認證服務采用數(shù)字簽名技術(shù)，通常是用用戶證書的私鑰對(i)被認證的數(shù)據(jù)；(ii)用戶希望發(fā)送到遠程設(shè)備的請求；(iii)遠程設(shè)備生成的隨機詢問信息；這三種數(shù)據(jù)的雜湊值簽名。其中第一項支持PKI的數(shù)據(jù)來源認證服務，即可以確定數(shù)據(jù)是來自特定的用戶；后兩項支持PKI的實體認證服務，即是向?qū)Ψ阶C實自己是某個用戶。
(2)完整性：PKI的數(shù)據(jù)完整性服務可以采用兩種技術(shù)，第一種是使用用戶私鑰對數(shù)據(jù)雜湊值的數(shù)字簽名技術(shù)，既可以提供實體認證，也可以保證被簽名數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)的任何變化都會導致其雜湊值的改變，從而使對雜湊值的原簽名與變化后雜湊值不匹配，簽名就無法通過驗證，因而保證了數(shù)據(jù)的完整性。第二種技術(shù)是信息認證碼(MAC)。這種方法的實現(xiàn)需要兩個通信的實體事先商定一個MAC的私鑰，因而受到一定的限制。
(3)機密性：假設(shè)一個PKI中的兩個實體A欲與B通信，機密通信按如下方式實現(xiàn)。
(i)A生成一個對稱密鑰，并用它加密通信數(shù)據(jù)；
(ii)A將加密過的數(shù)據(jù)和用B的公鑰加密的對稱密鑰一齊發(fā)送給B；
(iii)B收到信息后，先用自己的公鑰解密對稱密鑰，再用對稱密鑰解密A發(fā)送的數(shù)據(jù)。
3 智能卡
PKI極大地保障了電子商務、電子政務并推動其他信息安全技術(shù)的發(fā)展。智能卡作為PKI的安全終端，保存著用戶的數(shù)字證書，包含著用戶公鑰和個人信息，在系統(tǒng)中是機密數(shù)據(jù)的移動載體。
3．1 USB智能卡概述
USB智能卡是一種使用了硬件微處理器(MPU)的，以USB總線為通訊接口的硬件設(shè)備。它能夠根據(jù)不同要求生成對稱和非對稱密鑰，支持對稱和非對稱加密及數(shù)字簽名等安全機制，使用個人識別碼(PIN)驗證持卡人。事實上，USB智能卡內(nèi)部是一個小型嵌入式系統(tǒng)，主要由處理器，存儲器和I／O接口三部分組成，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 USB智能卡的組成結(jié)構(gòu)
處理器部分主要由MPU、密碼協(xié)處理器(CAU)和隨機數(shù)發(fā)生器(RNG )三個部件組成。MPU的主要功能類似微機中的CPU，負責執(zhí)行系統(tǒng)的中央運算、處理和管理；CAU是專用的實現(xiàn)高速加／解密運算的硬件處理器；RNG的主要功能是通過硬件快速產(chǎn)生加密算法所需要的高質(zhì)量隨機數(shù)。存儲器部分主要由ROM，RAM和EEPROM三個部件組成。ROM是只讀存儲器，存儲與應用緊密關(guān)聯(lián)的芯片操作系統(tǒng)(Chip Operating System，COS)程序，COS是芯片資源的管理者和安全保密的基礎(chǔ)；RAM是隨機存儲器，作為內(nèi)存使用，用于臨時保存工作數(shù)據(jù)；EEPROM是電可擦除存儲器，主要功能是存儲應用程序數(shù)據(jù)。
存儲器和微處理器之間通過總線進行數(shù)據(jù)交換，而圖2中的I／O接口則連接著符合USB2．0規(guī)范的接口電路，完成數(shù)據(jù)輸入輸出所必需的處理；安全邏輯sL保護存儲器(主要是EEPROM)內(nèi)的數(shù)據(jù)，對卡內(nèi)資源實施訪問控制。
3．2 USB智能卡的優(yōu)點
作為硬件載體，USB智能卡的結(jié)構(gòu)和卡內(nèi)安全邏輯能為公鑰證書和用戶私鑰提供硬件級安全保護。與其他載體相比，usB智能卡具有以下優(yōu)點：
(1)提高了密鑰對的私有性：密鑰對由CAU在MPU的控制下生成，改變了密鑰對由服務器統(tǒng)一產(chǎn)生的方式，使得密鑰對的安全性不再僅僅依賴于服務器的安全性和可信度。
(2)提高了私鑰的安全性：私鑰以只讀形式存儲在USB智能卡內(nèi)，幾乎不可能出現(xiàn)在除此以外的任何地方，所有涉及私鑰(如簽名等)的操作全部在USB智能卡內(nèi)部完成，只有知道PIN碼的合法用戶才可能完成這些操作，保證了私鑰的安全性。
(3)降低了秘鑰管理的復雜度：每張智能卡只需要秘密保存自己的私鑰，M張智能卡和 臺主機相互鑒別只需要( M+N)對密鑰。
(4)具有黑盒特性的安全操作：USB智能卡提供統(tǒng)一的API接口，以類似“黑盒”的形式完成數(shù)字簽名和數(shù)據(jù)加／解密等私鑰相關(guān)安全操作，不僅加強安全性，而且操作十分簡便。
(5)具有較高的性價比：USB智能卡的成本較低，且具有廣泛的軟硬件支持，支持即插即用。此外，它還具有良好的便攜性和耐用性等優(yōu)點。
4 總結(jié)
PKI是一種遵循既定標準的密鑰管理平臺，它可以為各種網(wǎng)絡應用透明地提供采用加密和數(shù)字簽名等密碼服務所必須的密鑰和證書管理，從而達到保證網(wǎng)上傳遞信息的保密、真實、完整和不可否認性的目的。利用PKI，人們可以方便地建立和維護一個可信的網(wǎng)絡計算環(huán)境，無須直接見面就能確認彼此的身份，安全地進行信息交換。USB智能卡作為PKI的安全終端，既提高了PKI系統(tǒng)的安全性能，又降低了用戶的使用復雜度。但是，智能卡本身也存在著被攻擊的可能，需要進行進一步的研究，這也對網(wǎng)絡安全提出了更高的要求。
參考文獻
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3 張佳偉．一種基于PKI的局域網(wǎng)防泄密系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)．上海師范大學碩士學位論文，2006
第一作者簡介：孫海濤，博士研究生。研究方向：集成電路信息泄漏與主動防護技術(shù)研究。
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