基于无证书公钥密码的铁路通信网访问控制方案研究

尹 虹，田 涛

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 办公厅，北京 100844）

随着铁路运输能力和水平的提高，其发挥的作用越来越重要。铁路运输所依赖的基石—铁路通信网承担着铁路信息化的重任。网络是连接数据的桥梁，保证网络中数据的安全，是确保铁路通信网有效运行的重中之重。

由于铁路通信网对外敞开通信网的大门，因此，身份认证显得尤为重要。

无证书公钥密码（CL-PKC，Certificateless Public Key Cryptography）技术[1]舍弃了之前的证书访问模式，不需要通过一系列证书发布、证书认证、证书使用等繁琐操作，就能保证加密信息的公钥的真实性，提高了效率。

本文不单纯研究使用CL-PKC技术，而是将它与基于角色的访问控制相结合，应用于铁路通信网，此结合能充分发挥二者的长处，对访问控制信息提供高效率的密码技术保护。此外，由于使用的是基于角色的访问控制，相比单独的访问控制，能进一步提升响应速度，满足铁路通信网内大量高性能、高安全防护系统的需要。

本文将密码技术应用于铁路通信网的访问控制，可以快速地进行身份认证及访问权限控制，为探索密码技术在传统访问控制领域的安全、高效应用积累经验。

1 无证书公钥密码体制

1.1 公钥密码学的发展

1986年，Diffie和Hellman提出了公共密钥加密技术[2]。公共密钥为加解密双方都知晓，而它的真实性如果不通过额外的策略，是无从保证的。有3种额外的策略：（1）沿用传统的公钥密码技术；（2）使用带有身份信息的公钥密码技术；（3）本文采用的不使用证书的公钥密码技术[3]。

1.1.1 传统公钥密码体制

在20世纪80年代，提出了公钥基础设施（PKI，Public Key Infrastructure），它是密码技术领域的突破和创新[4]。它提供数据加密、证书认证、数字签名和密钥管理等服务，构建铁路行业密码应用的基础。但目前的PKI技术还有一定的缺陷，如证书的时效性在部分方案中不能满足要求，证书管理会占用大量的系统资源。

1.1.2 基于身份的公钥密码体制

Shamir提出了带有身份信息的公共密钥技术[5]，可解决证书的管理开销和时效问题。但是其可信度高度依赖可信的第三方（PKG），高负荷环境将导致唯一的可信第三方承受负担过重。如果系统的主密钥泄露，整个机制就会瓦解，保护措施形同虚设。为了攻克这个问题，产生了一项重大成果即CL-PKC技术[6]，在这项技术中，公共密钥的产生、认证和使用将不依赖于证书。

——推动工会改革创新。习近平总书记要求：“时代在发展，事业在创新，工会工作也要发展，也要创新。”“工会组织要增强自我革新的勇气，坚持眼睛向下、面向基层，改革和改进机关机构设置、管理模式、运行机制，坚持力量配备、服务资源向基层倾斜，创新工作体制机制和方式方法，自觉运用改革精神谋划工会工作，推动工会工作再上新台阶。”

1.1.3 基于无证书的公钥密码体制

本世纪初，Al-Riyami、Paterson发明了CLPKC技术，此技术在管控公共密钥时，不使用证书。如果PKG[7]中的私钥被不相关人员所获得，那么不相关人员只是得到了私钥的一部分，整个私钥对于不相关人员仍然是不可见和不可用的状态。无需证书即可认证公钥真实性，降低系统的开销，从根本上消除了以上2种密码体制所存在的问题。

1.2 无证书认证密钥协商（CL-AK）协议

会话密钥的确定需要加解密双方都知晓并同意，过程无需依附于可信第三方密钥管理中心（KCG），可独立运用。参与成员在协议结束后可共享密钥，除参与成员以外的其他任何人均不能获取此密钥。有一类协议被称为AKAP[8]，它能够帮助参与成员确认其他参与成员的身份。

2 基于角色的访问控制理论

2.1 访问控制基础

2.1.1 自主访问控制

自主访问控制（DAC，Discretionary Access Control）是操作方自己决定自己可控客体的操作者及其可执行的某些操作。

2.1.2 强制访问控制

强制访问控制（MAC，Mandatory Access Control）[9]，这种方式不是由操作方自己决定，而是系统来决定某些人可以执行某些操作，除此之外一律禁止。主体和客体各自具有一组安全属性。每当主体尝试访问客体或对客体进行某种操作时，系统都会强制施行授权规则的检查，即检查安全属性，根据安全属性决定是否可进行访问或操作。根据一组授权规则（也称策略）检查任何主体对任何客体进行的任何操作，这组授权规则决定操作是否允许。

2.1.3 基于角色的访问控制

基于角色的访问控制（RBAC，Role-Based Access Control）不是针对单个主体，而是将主体纳入一个集合，可执行的操作纳入另一个集合，所有的限制是在两个集合中执行。每一种角色对应一组相应的权限。主体属于某种角色，角色的权限就给与了这个主体。这个角色可以执行某类操作，被赋予这个角色的主体就能执行某类操作。

2.2 角色管理模型

角色管理的模型（ARBAC97，Administrative RBAC97）[10]，结构组成，如图1所示。

ARBAC97模型包含3个部分。

（1）用户-角色指派模型：决定用户是否属于某类角色，可以将用户加入某类角色集合，也可将用户从某类角色集合中移除。

（2）权限-角色指派模型：决定角色是否拥有某类权限，可以让角色拥有某类权限，也可将某类权限从角色中剥夺。

（3）角色-角色指派模型：管理角色与角色之间的继承关系。

图1 ARBAC97模型

3 铁路通信网访问控制方案研究

3.1 访问控制方案流程

铁路通信网访问控制方案需要完成以下2项功能：

（1）设备身份认证：防止非法设备接入，实现双向认证。

（2）设备权限控制：设定设备访问的权限，明确指明某些设备可以进行某些操作，除此之外的设备一律阻止。

铁路通信网访问控制方案采用无证书公钥密码技术，包含铁路通信网身份认证和权限分配，具体流程，如图2所示。

（1）铁路行业权威源（SOA）发布角色权限集到服务器，将密钥信息发布给客户端和服务器。（2）服务器用收到的密码信息，判断客户端是否被允许访问。（3）客户端用收到的密码信息，判断服务器是否被允许访问，两者都得到角色的权限集合。

图2 访问控制方案流程

3.2 访问控制方案系统结构

SOA将IDwRC信息发送给主站，子站从主站获取信息，从可信任的密钥生成中心（KGC）获取部分私钥；轻量目录访问协议（LDAP）服务器从子站获取角色权限。系统结构，如图3所示。

图3 访问控制方案系统结构

3.3 访问控制方案总体框架

采用CL-PKC和RBAC等技术的身份认证和权限分配功能，实现了铁路通信网统一访问控制的目的，其总体框架模型，如图4所示。

（1）身份认证子系统从子站LDAP服务器获取角色身份，终端通过此系统得到角色身份。（2）权限分配子系统从子站LDAP服务器获取权限信息传递给终端，从而实现终端对应用服务器、数据库的可控访问，实现权限分配和权限验证。

图4 访问控制方案总体框架

4 结束语

铁路通信网是铁路运输系统的基石，密码技术应用在铁路通信网，能最大限度地保障网内信息的安全。本文对铁路通信网的访问控制展开了深入地学习和研究，针对集中式铁路通信网访问控制安全性要求高、响应速度要求快的特点，将无繁琐证书认证机制的无证书公钥密码技术与RBAC相结合，应用于铁路通信网，降低了计算所需付出的时间代价，避免了PKI的认证系统庞大和低效的缺点，保证网内信息的真实性。