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1、公钥基础设施 PKI 技术与应用发展1 引言PKI 是Public Key Infrastructure的缩写，意为公钥基础设施。简单地说，PKI 技术就是利用公钥理论和技术建立的提供信息安全服务的基础设施。公钥体制是目前应用最广泛的一种加密体制，在这一体制中，加密密钥与解密密钥各不相同，发送信息的人利用接收者的公钥发送加密信息，接收者再利用自己专有的私钥进行解密。这种方式既保证了信息的机密性，又能保证信息具有不可抵赖性。目前，公钥体制广泛地用于 CA（Certificate Authority）认证、数字签名和密钥交换等领域。公钥基础设施(PKI)是信息安全基础设施的一个重要组成部分，是一种
2、普遍适用的网络安全基础设施。PKI 是 20 世纪 80 年代由美国学者提出来了的概念，实际上，授权管理基础设施、可信时间戳服务系统、安全保密管理系统、统一的安全电子政务平台等的构筑都离不开它的支持。数字证书认证中心 CA、审核注册中心 RA、密钥管理中心 KM 都是组成 PKI的关键组件。作为提供信息安全服务的公共基础设施，PKI 是目前公认的保障网络社会安全的最佳体系。在我国，PKI 建设在几年前就已开始启动，截至目前，金融、政府、电信等部门已经建立了 30 多家 CA 认证中心。如何推广 PKI 应用，加强系统之间、部门之间、国家之间 PKI 体系的互通互联，已经成为目前 PKI 建设亟
3、待解决的重要问题。2 PKI 技术的信任服务公钥基础设施 PKI 是以公开密钥技术为基础，以数据的机密性、完整性和不可抵赖性为安全目的而构建的认证、授权、加密等硬件、软件的综合设施。根据美国国家标准技术局的描述，在网络通信和网络交易中，特别是在电子政务和电子商务业务中，最需要的安全保证包括四个方面：身份标识和认证、保密或隐私、数据完整性和不可否认性。PKI 可以完全提供以上四个方面的保障，它所提供的服务主要包括以下三个方面：1)认证在现实生活中，认证采用的方式通常是两个人事前进行协商，确定一个秘密，然后，依据这个秘密进行相互认证。随着网络的扩大和用户的增加，事前协商秘密会变得非常复杂，在大规模
4、的网络中，两两进行协商几乎是不可能的。PKI 通过证书进行认证，认证时对方知道你就是你，但却无法知道你为什么是你。在这里，证书是一个可信的第三方证明，通过它，通信双方可以安全地进行互相认证，而不用担心对方是假冒的。2)支持密钥管理通过加密证书，通信双方可以协商一个秘密，而这个秘密可以作为通信加密的密钥。在需要通信时，可以在认证的基础上协商一个密钥。PKI 能够通过良好的密钥恢复能力，提供可信的、可管理的密钥恢复机制。PKI 的普及应用能够保证在全社会范围内提供全面的密钥恢复与管理能力，保证网上活动的健康有序发展。3)完整性与不可否认完整性与不可否认是 PKI 提供的最基本的服务。一般来说，完整
5、性也可以通过双方协商一个秘密来解决，但一方有意抵赖时，这种完整性就无法接受第三方的仲裁。而 PKI 提供的完整性是可以通过第三方仲裁的，并且这种可以由第三方进行仲裁的完整性是通信双方都不可否认的。完善的 PKI 系统通过非对称算法以及安全的应用设备，基本上解决了网络社会中的绝大部分安全问题(可用性除外 )。目前，许多网站、电子商务、安全 E-mail 系统等都已经采用了 PKI 技术。3 PKI 的体系结构一个标准的 PKI 域必须具备以下主要内容： 1)认证机构 CA CA 是 PKI 的核心执行机构，是 PKI 的主要组成部分，业界人士通常称它为认证中心。从广义上讲，认证中心还应该包括证书
6、申请注册机构 RA，它是数字证书的申请注册、证书签发和管理机构。CA 是保证电子商务、电子政务、网上银行、网上证券等交易的权威性、可信任性和公正性的第三方机构。 2)证书和证书库 证书是数字证书或电子证书的简称，它符合 X.509 标准，是网上实体身份的证明。证书是由具备权威性、可信任性和公正性的第三方机构签发的，因此，它是权威性的电子文档。 证书库是 CA 颁发证书和撤消证书的集中存放地，它像网上的白页 一样，是网上的公共信息库，可供公众进行开放式查询。一般来说，查询的目的有两个：其一是想得到与之通信实体的公钥；其二是要验证通信对方的证书是否已进入 黑名单 。证书库支持分布式存放，即可以采用
7、数据库镜像技术，将 CA 签发的证书中与本组织有关的证书和证书撤消列表存放到本地，以提高证书的查询效率，减少向总目录查询的瓶颈。 3)密钥备份及恢复 密钥备份及恢复是密钥管理的主要内容，用户由于某些原因将解密数据的密钥丢失，从而使已被加密的密文无法解开。为避免这种情况的发生，PKI 提供了密钥备份与密钥恢复机制：当用户证书生成时，加密密钥即被 CA 备份存储；当需要恢复时，用户只需向 CA 提出申请，CA 就会为用户自动进行恢复。 4)密钥和证书的更新 一个证书的有效期是有限的，这种规定在理论上是基于当前非对称算法和密钥长度的可破译性分析；在实际应用中是由于长期使用同一个密钥有被破译的危险，因
8、此，为了保证安全，证书和密钥必须有一定的更换频度。为此，PKI 对已发的证书必须有一个更换措施，这个过程称为密钥更新或证书更新 。 5)证书历史档案 这一系列旧证书和相应的私钥组成了用户密钥和证书的历史档案。记录整个密钥历史是非常重要的。例如，某用户几年前用自己的公钥加密的数据或者其他人用自己的公钥加密的数据无法用现在的私钥解密，那么该用户就必须从他的密钥历史档案中，查找到几年前的私钥来解密数据。 6)客户端软件 为方便客户操作，解决 PKI 的应用问题，在客户装有客户端软件，以实现数字签名、加密传输数据等功能。此外，客户端软件还负责在认证过程中，查询证书和相关证书的撤消信息以及进行证书路径处
9、理、对特定文档提供时间戳请求等。 7)交叉认证 交叉认证就是多个 PKI 域之间实现互操作。交叉认证实现的方法有多种：一种方法是桥接CA，即用一个第三方 CA 作为桥，将多个 CA 连接起来，成为一个可信任的统一体；另一种方法是多个 CA 的根 CA 互相签发根证书，这样当不同 PKI 域中的终端用户沿着不同的认证链检验认证到根时，就能达到互相信任的目的。4 PKI 的应用与发展4.1 PKI 的应用1)虚拟专用网络(VPN)通常，企业在架构 VPN 时都会利用防火墙和访问控制技术来提高 VPN 的安全性，这只解决了很少一部分问题，而一个现代 VPN 所需要的安全保障，如认证、机密、完整、不可
10、否认以及易用性等都需要采用更完善的安全技术。就技术而言，除了基于防火墙的 VPN之外，还可以有其他的结构方式，如基于黑盒的 VPN、基于路由器的 VPN、基于远程访问的 VPN 或者基于软件的 VPN。现实中构造的 VPN 往往并不局限于一种单一的结构，而是趋向于采用混合结构方式，以达到最适合具体环境、最理想的效果。在实现上，VPN 的基本思想是采用秘密通信通道，用加密的方法来实现。事实上，缺乏 PKI 技术所支持的数字证书，VPN 也就缺少了最重要的安全特性。基于 PKI 技术的 IPSec 协议现在已经成为架构 VPN 的基础，它可以为路由器之间、防火墙之间或者路由器和防火墙之间提供经过加
11、密和认证的通信。虽然它的实现会复杂一些，但其安全性比其他协议都完善得多。由于 IPSec 是 IP 层上的协议，因此很容易在全世界范围内形成一种规范，具有非常好的通用性，而且 IPSec 本身就支持面向未来的协议-IPv6。总之， IPSec 还是一个发展中的协议，随着成熟的公钥密码技术越来越多地嵌入到IPSec 中，相信在未来几年内，该协议会在 VPN 世界里扮演越来越重要的角色。2)安全电子邮件作为 Internet 上最有效的应用，电子邮件凭借其易用、低成本和高效已经成为现代商业中的一种标准信息交换工具。随着 Internet 的持续增长，商业机构或政府机构都开始用电子邮件交换一些秘密的
12、或是有商业价值的信息，这就引出了一些安全方面的问题。其实，电子邮件的安全需求也是机密、完整、认证和不可否认，而这些都可以利用 PKI 技术来获得。具体来说，利用数字证书和私钥，用户可以对他所发的邮件进行数字签名，这样就可以获得认证、完整性和不可否认性，如果证书是由其所属公司或某一可信第三方颁发的，收到邮件的人就可以信任该邮件的来源，无论他是否认识发邮件的人；另一方面，在政策和法律允许的情况下，用加密的方法就可以保障信息的保密性。目前发展很快的安全电子邮件协议是 S/MIME，这是一个允许发送加密和有签名邮件的协议。该协议的实现需要依赖于 PKI 技术。3)Web 安全为了透明地解决 Web 的
13、安全问题，最合适的入手点是浏览器。现在，无论是 Internet Explorer 还是 Netscape Navigator 浏览器，都支持 SSL 协议。这是一个在传输层和应用层之间的安全通信层，在两个实体进行通信之前，先要建立 SSL 连接，以此实现对应用层透明的安全通信。利用 PKI 技术， SSL 协议允许在浏览器和服务器之间进行加密通信。此外还可以利用数字证书保证通信安全，服务器端和浏览器端分别由可信的第三方颁发数字证书，这样在交易时，双方可以通过数字证书确认对方的身份。需要注意的是，SSL 协议本身并不能提供对不可否认性的支持，这部分的工作必须由数字证书完成。结合 SSL 协议和
14、数字证书， PKI 技术可以保证 Web 交易多方面的安全需求，使 Web 上的交易和面对面的交易一样安全。4)电子商务的应用PKI 技术是解决电子商务安全问题的关键，综合 PKI 的各种应用，我们可以建立一个可信任和足够安全的网络。在这里，我们有可信的认证中心，典型的如银行、政府或其他第三方。在通信中，利用数字证书可消除匿名带来的风险，利用加密技术可消除开放网络带来的风险，这样，商业交易就可以安全可靠地在网上进行。网上商业行为只是 PKI 技术目前比较热门的一种应用，必须看到，PKI 还是一门处于发展中的技术。例如，除了对身份认证的需求外，现在又提出了对交易时间戳的认证需求。PKI 的应用前
15、景也决不仅限于网上的商业行为，事实上，网络生活中的方方面面都有 PKI的应用天地，不只在有线网络，甚至在无线通信中，PKI 技术都已经得到了广泛的应用。 4.2 PKI 的发展随着 PKI 技术应用的不断深入，PKI 技术本身也在不断发展与变化，近年来比较重要的变化有以下方面：1)属性证书X.509 V4 增加了属性证书的概念。提起属性证书就不能不提起授权管理基础设施（PMI）。X.509 公钥证书原始的含义非常简单，即为某个人的身份提供不可更改的证据。但是，人们很快发现，在许多应用领域，比如电子政务、电子商务应用中，需要的信息远不止是身份信息，尤其是当交易的双方在以前彼此没有过任何关系的时候
16、。在这种情况下，关于一个人的权限或者属性信息远比其身份信息更为重要。为了使附加信息能够保存在证书中，X.509 v4 中引入了公钥证书扩展项，这种证书扩展项可以保存任何类型的附加数据。随后，各个证书系统纷纷引入自己的专有证书扩展项，以满足各自应用的需求。2)漫游证书证书应用的普及自然产生了证书的便携性需要，而到目前，能提供证书和其对应私钥移动性的实际解决方案只有两种：第一种是智能卡技术。在该技术中，公钥私钥对存放在卡上，但这种方法存在缺陷，如易丢失和损坏，并且依赖读卡器（虽然带 USB 接口的智能钥匙不依赖读卡器，但成本太高）；第二种选择是将证书和私钥复制到一张软盘备用，但软盘不仅容易丢失和损坏，而且安全性也较差。一个新的解决方案就是使用漫游证书，它通过第三方软件提供，只需在任何系统中正确地配置，该软件（或者插件）就可以允许用户访问自己的公钥/私钥对。它的基本原理很简单，即将用户的证书和私钥放在一个安全的中央服务器上，当用户登录到一个本地系统时，从服务器安全地检索出公钥/私钥对，并将其放在本地系统的内存中以备后用，当
