基于PKI的签密体制

2013-09-17杨世平

通信技术 2013年1期

雷咏，杨世平

（贵州大学 a.计算机科学与信息学院；b.明德学院，贵州贵阳 550025）

0 引言

信息安全指通过计算机技术，网络技术，密码技术和网络安全技术等保护网络信息在传输、交换和存储过程中的机密性、完整性、可用性、可控性和不可抵赖性等，如：①机密性是指网络信息只为授权用户使用，不能泄露给非授权的用户、实体或进程，不能被非法利用，采用的技术手段是加密传输，数据的保密存储等；②完整性指网络信息未经授权不能进行改变的特性，即信息在传输或存储过程中，不能被偶然或蓄意地修改、删除、伪造、重排、插入等破坏和丢失的特性。简单地说，完整性就是要求网络信息保存原样不变；③可用性就是保证信息及服务可被授权用户使用的特性；④可控性是指网络信息的信息流向、信息传播和信息内容等具有可控制能力的特性；⑤不可抵赖性也称作不可否认性，是指网络用户不能否认或抵赖自己的操作和作出的承诺，包括信息发送方不能否认已经发过的信息，信息接收方不能否认已经接收的信息[1]。为了满足以上五方面的要求，产生了各种相关方面的技术，加密技术和签名技术则是其中最为典型的两大技术。

数字签名技术是信息化建设中的关键安全机制之一[2], 数据加密、数字签名方案是保障通讯数据真实可靠的关键[3],它们各自实现不同的安全需求。

加密技术是一种将原始信息经过相应的“规则”转换成“乱码”，到达目的地后再用相同的规则还原出原始信息的一种安全保密手段。包括两个基本元素，算法和密钥。结合算法和密钥即可将容易理解的信息即明文转换为不可理解的乱码即密文。算法是将普通可以理解的信息与一串数字（密钥）结合，产生不可理解的密文的步骤。密钥是用来对数据进行编码和解码的一种算法。密钥加密技术的密码体制分为对称密钥体制和非对称密钥体制两种。相应地，对数据加密的技术分为两类，即对称加密（私人密钥加密）和非对称加密（公开密钥加密）。对称加密的加密密钥和解密密钥相同，密钥必须保密。而非对称加密的加密密钥和解密密钥不同，加密密钥可以公开而解密密钥需要保密。对称加密以数据加密标准（DES，Data Encryption Standard）算法为典型代表，非对称加密通常以RSA（Rivest Shamir Ad1eman）算法为代表。由于除了发送方和接受方知道公共的加密算法和密钥，因此加密技术很好的保证了信息的机密性。

签名技术则是保证不可抵赖性的有效手段。众所周知，在人们的生活中，通过签字，印章等保证信息的不可抵赖性。签名能防止通信双方发生如否认、伪造、冒充以及篡改等行为。在公钥密码学中，密钥是有公开密钥和私有密钥组成的密钥对。数字签名就是发送方用私有密钥进行加密，接收方用公开密钥进行解密。这一过程与加密过程刚好相反。由于私钥是个人秘密所有，用其公钥能正确解密则证明该消息是此人签名的。由于其他人没有该私钥，则签名个人无法抵赖其发送过的消息。同时，从公开密钥不能推算出私有密钥，因此公开密钥不会损害私有密钥的安全。基于公钥密码体制和私钥密码体制都可以获得数字签名,目前主要是基于公钥密码体制的数字签名。包括普通数字签名和特殊数字签名。普通数字签名算法有RSA、ElGamal、Fiat-Shamir、Guillou- Quisquarter、Schnorr、Ong-Schnorr-Shamir数字签名算法、Des/DSA,椭圆曲线数字签名算法和有限自动机数字签名算法等。特殊数字签名有盲签名、代理签名、群签名、不可否认签名、公平盲签名、门限签名、具有消息恢复功能的签名等。数字签名保证了信息传递过程中的完整性，身份认证和防抵赖。

要想同时保证数据的机密性，完整性，可认证性和防抵赖性，传统的方法就是先对消息进行签名，然后再把签名后的消息进行加密处理，这种方法被称之为“先签名后加密”。但是这种方法的计算量比较大，效率低，同时其通信成本也比较高。从而产生了数字签密。数字签密具有更高的效率，更高的安全性，同时降低了通信成本等，因此得到了广泛的应用。根据公钥认证方法，目前比较合理的划分方式是将签密体制分为基于PKI的签密体制、基于身份的签密体制和无证书的签密体制。如果与特殊的签名或者加密方案相结合便形成特殊的签密方案，如代理签密，环签密，盲签密等等。

基于PKI的签密体制在很好地提供机密性、完整性、认证和不可否认性的同时，能较好地提高效率和成本，同时易于实现。

1 PKI技术

公钥基础设施（PKI，Public Key Infrastructure）的核心的技术基础是基于公钥密码学的”加密”和”签名”技术。通过”解密”和”签名”技术的结合试用就可解决网络的问题：①身份认证；②信息传输、存储的完整性，信息传输、存储的机密性；③操作的不可否认性[4]。

PKI的加密解密和签名验证过程如图1、图2所示。

图2 PKI签名、验证过程

发送方用公钥对消息原文进行加密从而得到消息密文，由于除发送方与接收方以外的其他人不知道加密算法，没有解密私钥，因此只有拥有私钥的接收方才能正确“翻译”出原始信息，从而保证了信息的安全性和机密性。

而签名验证过程则正好与加密解密过程相反，签名方通过摘要运算从消息原文中提取出摘要，用私钥对摘要进行加密形成签名后将消息原文与签名一起发送给接收方，接收方用相同的摘要运算从消息原文中生成摘要，同时用公钥对签名进行解密，若解密出来的摘要与运算生成的摘要一致则证明消息为发送方发送。

2 基于PKI的签密体制

PKI能够实现加密和签名，但是将加密和签名分开运算使得通信成本高，计算效率低。签密能同时完成加密和签名，效率和成本都得到很大提高。

如图3所示，左侧表示发送方在发送之前对消息明文所做的加密和签名，经过网络传输后接受方接受到的为消息密文。接受者要知道消息的内容、消息的发送者是谁以及消息是否完整等等就必须对消息密文进行解密与验证。在图中，加密和解密的算法可以根据实际的需要合理的选择。对称加密算法具有效率高，但是密钥的传输安全性差等特点，而非对称加密算法安全性高于对称加密算法，但其加密的效率却远远低于加密算法。因此，可以结合不同算法的优点，设计出混合的签密方案，从而提高各方面的性能。

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